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Thèse Année : 2023

Investigation of static and dynamic shear behavior of bonded concrete-rock interfaces under low normal loading : experimental and numerical analysis

Etude du comportement statique et dynamique d'interfaces béton-roche en cisaillement sous charge normale faible : analyses expérimentales et numériques

Résumé

The shear behavior of rock-rock and concrete-rock interfaces is investigated for the design and structural stability assessment of geotechnical structures (tunnels, concrete-gravity dams). Most of the studies focused on the static shear behavior of rock-rock interfaces. These studies show that the shear resistance of rock-rock interfaces depends mainly on normal stress and roughness. However, the investigation of the static shear behavior of concrete-rock interfaces under low normal loadings shows that the concrete-rock bonds significantly influence the shear resistance beyond the normal stress and roughness. Despite this progress, more experimental and numerical work is required to understand the shear behavior of concrete-rock interfaces further. In particular, it is relevant to investigate the dynamic shear behavior of concrete-rock interfaces.This thesis investigates the influence of roughness and concrete-rock bonds on the shear behavior of concrete-rock interfaces subjected to low normal loading. A two-fold approach combining experimental and numerical modeling is adopted. The experimental work includes a pioneering experimental campaign to investigate the dynamic shear behavior of concrete-rock interfaces focusing on impact shear loading.The interpretation of recent experimental works, particularly concrete-granite interfaces, has distinguished the influence of the roughness scales on the shear behavior of concrete-rock interfaces. The unevenness (micro-roughness) is responsible for forming concrete-rock bonds. The waviness (macro-roughness) contributes to the shear resistance of concrete-rock interfaces through surface interlocking. The numerical modeling of these interfaces is based on this separation. The cohesive-frictional model simulates the influence of the unevenness and, therefore, the concrete-rock bonds. In contrast, the influence of the waviness is taken into account by the explicit representation of the 3D morphology of the interface through surface interlocking. This model is validated by performing a comparative evaluation of the results of experimental tests and the results of simulations of direct shear tests.A new approach has been proposed to investigate the influence of roughness on the shear resistance of concrete-rock interfaces based on the validated numerical modeling. The approach consists of generating synthetic rough rock surfaces through random field simulations and performing simulations of direct shear tests of concrete-rock interfaces comprising the generated surfaces. The analysis of the results of these tests leads to the proposition of two failure criteria. The first is an analytical relationship, while the second is a neural network model.The dynamic shear behavior of concrete-rock interfaces has been investigated as well. The dynamic shear loading is applied using a modified split Hopkinson pressure bar system with one input bar and two output bars. A modified confinement ring is used to generate low normal stresses. The outcomes of this study show that, like the static shear behavior, the dynamic shear behavior of concrete-rock interfaces depends on the concrete-rock bonds and friction. However, there is a double mobilization of concrete-rock bonds and friction in the pre-peak and the post-peak stages. The dynamic shear resistance is not strongly dependent on the normal stress. Furthermore, the dynamic shear resistance is three to four times the static shear resistance of interfaces.The interpretation of the recent static experimental studies, the numerical simulations of rough concrete-rock interfaces, the analytical models proposed to estimate the shear resistance of concrete-rock interfaces, and the pioneering dynamic testing of concrete-rock interfaces have all provided new insights into the understanding of the shear behavior of concrete-rock interfaces.
L’étude du comportement en cisaillement des interfaces roche-roche et béton-roche est cruciale pour la conception et l’analyse de la stabilité structurelle de certains ouvrages géotechniques (tunnels, barrage-poids, …). Une grande majorité des études menées ne s’intéressent qu’aux interfaces roche-roche. Ces études montrent que la résistance au cisaillement est principalement influencée par la contrainte normale et la rugosité de l’interface. A contrario, l’examen du comportement en cisaillement des interfaces béton-roche semble montrer que la résistance au pic de ces interfaces dépend également fortement de l’adhésion béton-roche justifiant ainsi la nécessité de nouvelles investigations aussi bien du point de vue expérimental que numérique.Ces travaux étudient donc la problématique de l’influence de la rugosité et de l’adhésion sur le comportement de cisaillement des interfaces béton-roche dans le cas de contrainte normale modérée par une approche combinant expérimentations et modélisation. En parallèle, une étude pionnière du comportement de cisaillement de ces interfaces sous chargement dynamique de types impact est aussi menée.Partant de travaux récents sur le comportement en cisaillement d’interfaces béton-granit, une nouvelle interprétation de la contribution de la rugosité à la résistance au cisaillement est proposée. Les irrégularités de surface sont supposées responsables de la formation des liens béton-roche constituant l’adhésion alors que les ondulations de surface contribuent à la résistance au cisaillement par effet d’imbrication. Ainsi la modélisation s’appuie sur une séparation des échelles: l’influence de l’adhésion est simulée par une loi de comportement cohésif et frictionnel et l’influence des ondulations est reproduite en utilisant la géométrie réelle de l’interface. Une validation de l’approche est ensuite proposée par comparaison des résultats des simulations et des résultats expérimentaux.A partir de cette modélisation numérique, une nouvelle approche pour étudier l’influence de la rugosité dans la résistance au cisaillement des interfaces béton-roche est développée. L’approche consiste à générer des surfaces rocheuses en utilisant la génération par champs aléatoires. Une série d’essais virtuels de cisaillement d’interfaces permet d’établir alors deux modèles pour estimer la résistance au cisaillement. Le premier est constitué d’une modélisation analytique alors que le second repose sur l’utilisation d’une intelligence artificielle de type réseau de neurones.Finalement, l’étude du comportement en cisaillement des interfaces béton-roche sous chargement dynamique a également été menée. Pour cette étude, un dispositif expérimental permettant de solliciter une éprouvette sous cisaillement confiné a été adapté aux interfaces béton-roche. Les résultats de ces essais montrent que, similaire au test sous sollicitation quasi-statique, la résistance au cisaillement des interfaces béton-roche dépend de liens chimiques béton-roche constituant l’adhésion et de la friction. En outre, la résistance au cisaillement sous chargement dynamique est trois à quatre fois plus importante que la résistance sous chargement statique.L’interprétation de l’influence de la rugosité sur le comportement de cisaillement, la simulation numérique des essais de cisaillement, la proposition des modèles pour estimer la résistance au cisaillement et les résultats des essais de cisaillement sous chargement dynamique constituent les apports de cette étude sur la compréhension du comportement de cisaillement des interfaces béton-roche.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04658971 , version 1 (22-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04658971 , version 1

Citer

Menes Badika Kiyedi. Investigation of static and dynamic shear behavior of bonded concrete-rock interfaces under low normal loading : experimental and numerical analysis. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALI062⟩. ⟨tel-04658971⟩

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