Experimental study of the shear strength of bonded/rock interfaces: surface roughness and scale effect
Résumé
The shear strength of the concrete-rock interface is a key factor to justify the stability of a hydraulic structure foundation. The Mohr-Coulomb failure criterion is usually used as shear strength and evaluated by extrapolating shear tests results carried out in a laboratory on small-sized samples. This paper presents an experimental study on the concrete-rock interface shear behavior. The effect of rock surface morphology on shear behavior was studied by performing laboratory direct shear tests on prepared square samples with a previously characterized rock surface. The scale effect and the test conditions were also studied by comparing the results to those obtained by performing usual laboratory shear tests on cored samples at lower scale. The tested interfaces were composed of the same concrete and granite and have a natural rock surface. The results displayed that the peak shear strength is strongly dependent on the concrete-rock bonding, the rock surface morphology and the applied normal load. A new surface morphology description tool was developed in order to characterize the main waviness. Moreover the concrete-rock shear behavior at medium scale was reproduced by a 2D finite elements model to study the stress distribution along the sheared interface. Under low normal load, the concrete-rock adhesion is thus progressively mobilized according to the waviness on the rock surface and the local shear failure mechanisms depend on the type of this main waviness. Consequently the shear strength of a concrete-rock interface must be analyzed with respect to the various morphology aspects on its rock surface.
La résistance au cisaillement de l'interface béton-roche d'un ouvrage hydraulique est un paramètre important pour la justification de ses fondations. Le critère de Mohr-Coulomb est habituellement utilisé pour évaluer la résistance au cisaillement. Il est évalué par extrapolation de résultats d'essais réalisés en laboratoire sur des éprouvettes de petite taille. Cet article présente une étude expérimentale du comportement au cisaillement de l'interface béton-roche. L'influence de la morphologie de la surface rocheuse sur le comportement au cisaillement a été étudié par la réalisation en laboratoire d'essais de cisaillement direct sur des éprouvettes parallélépipédiques dont la surface rocheuse a été préalablement caractérisé. L'effet d'échelle et les conditions d'essai ont également été étudiés en comparant les résultats à ceux obtenus sur des éprouvettes de petite taille préleÎes par carottage et classiquement utilisées en laboratoire. Les interfaces testées étaient constituées du même béton et du même granite. La surface rocheuse avait une rugosité naturelle.Les résultats ont indiqué que le pic de contrainte en cisaillement est fortement dépendant de l'adhésion entre le béton et la roche, de la morphologie de la surface rocheuse, et de l'effort normal appliqué. Un nouvel outil pour décrire la morphologie d'une surface rocheuse a été développée sur la base de l'ondulation principale. De plus, le comportement au cisaillement de l'interface béton-roche a été reproduit à moyenne échelle à l'aide d'un modèle 2D aux éléments finis afin d'étudier la distribution de la contrainte le long de l'interface cisaillée. Sous faible contrainte normale, l'adhésion roche-béton est ainsi progressivement mobilisé selon l'ondulation de la surface rocheuse et les mécanismes de rupture locale dépendent du type d'ondulation principale. Par conséquent, la résistance au cisaillement de l'interface béton-roche doit être analysé en tenant compte de la variabilité de la morphologie de la surface rocheuse.