Le boulonnage à ancrage réparti. Projet MIBOULAND. Coopération ANDRA & MINES-ParisTech. Deuxième Rapport

Depuis le premier juin 2009, le projet MIBOULAND (MInes BOULons ANDra) s'est établi entre le centre de Géosciences MINES-ParisTech et l'ANDRA dans le but de mener une recherche conjointe sur la thématique du boulonnage à ancrage réparti. En effet, le Centre de Géosciences s'est toujours intéressé aux techniques de soutènement des infrastructures souterraines, et plus particulièrement au boulonnage. Dans ce cadre, le Centre a lancé depuis le mois d'octobre 2008 une thèse intitulée " étude expérimentale et théorique du boulonnage à ancrage réparti ". Dans le premier rapport livré en octobre 2009, on justifie les raisons pour lesquelles une telle étude s'avère nécessaire. Comme le titre l'explique bien, cette thèse comprend deux volets importants : * un volet expérimental qui consiste à réaliser des essais d'arrachement en laboratoire sous confinement variable sur des boulons (en acier et en fibre de verre) et sur des câbles ancrés à la résine ou au coulis de ciment ; * un volet théorique qui se propose d'améliorer la loi rhéologique développée au centre de Géosciences à partir des résultats des essais de laboratoire et des essais de validation in-situ et de l'appliquer par la suite à la simulation du comportement des ouvrages renforcés par ce type de soutènement. De son côté, l'ANDRA s'intéresse à cette technique de soutènement parce que les boulons à ancrage réparti et à friction sont couramment utilisés en parallèle avec d'autres supports dans les galeries du laboratoire de recherche souterrain de Meuse-Haute Marne. Ainsi, pendant le mois d'octobre 2009, une campagne d'essais in-situ a eu lieu dans deux galeries du Laboratoire (GAT et GT8). Une première campagne a été effectuée en 2007. Les principaux objectifs du projet MIBOULAND sont les suivants : * réalisation au laboratoire du centre de Géosciences d'une campagne d'essais d'arrachement sur plusieurs types de boulons à ancrage reparti utilisés par l'ANDRA dans le site de Bure ; * participation du centre de Géosciences à la mise en œuvre et à l'interprétation des essais dans le site de Bure (essais d'arrachement et instrumentation des boulons pour étudier leur comportement avec l'avancement des travaux) ; * validation sur le site de Bure de la loi de comportement développée grâce aux essais effectués : implémentation, modélisation numérique et confrontation avec les mesures in-situ. Ce deuxième rapport d'avancement présente en premier lieu un rappel du principe de l'essai d'arrachement et une brève description du banc d'essais conçu au Centre de Géosciences. Ensuite, les essais d'arrachement effectués pendant le premier trimestre de 2010 sur le matériel fourni par l'ANDRA dans le cadre du présent projet sont présentés et les résultats sont analysés. Les améliorations qui vont être introduites dans le dispositif expérimental ainsi que les perspectives pour les prochains essais sont également commentées. Finalement, l'état d'avancement de la loi de comportement qui est en train d'être développée grâce aux essais est aussi présenté et une première application aux résultats des essais d'arrachement en laboratoire et in-situ est montrée

Le boulonnage à ancrage réparti. Projet MIBOULAND. Coopération Andra & Mines-ParisTech Premier Rapport

Le centre de Géosciences Mines-ParisTech a lancé depuis le mois d'octobre 2008 une thèse sur l'étude expérimentale et théorique du boulonnage à ancrage réparti. Comme le titre l'explique bien, cette thèse comprend deux volets importants: * Un volet expérimental qui consiste à réaliser des essais d'arrachement en laboratoire sous confinement variable sur des boulons et des câbles (y compris des fibres de verre) ancrés à la résine ou au coulis de ciment ; * Un volet théorique qui se propose d'améliorer la loi rhéologique développée au centre de Géosciences à partir des résultats des essais de laboratoire et des essais de validation in-situ et de l'appliquer par la suite à la simulation du comportement des ouvrages renforcés par ce type de soutènement. Compte tenu de l'intérêt que porte l'ANDRA à cette thématique de recherche et ses deux volets, le projet de coopération MIBOULAND (MInes BOULons ANDra) s'est établi entre les deux organismes (centre de Géosciences Mines-ParisTech et ANDRA). Ce projet porte sur les trois axes suivants : * Réalisation au laboratoire du centre de Géosciences d'une campagne d'essais d'arrachement sur les boulons utilisés par l'ANDRA dans le site de Bure ; * Participation du centre de Géosciences à la mise en œuvre et à l'interprétation des essais dans le site de Bure (essais d'arrachement et instrumentation de boulons pour étudier leur comportement avec l'avancement des travaux) ; * Validation des modèles développés sur le site de Bure : modélisation numérique et confrontation avec les mesures in-situ. Ce rapport présente d'abord une brève introduction à la technique du boulonnage à ancrage réparti pour passer ensuite à expliquer le principe de l'essai d'arrachement. Au passage, le banc expérimental conçu et utilisé dans le centre de Géosciences Mines-ParisTech est décrit, et les premiers résultats obtenus pendant l'année scolaire 2008/2009 sont commentés. Finalement, on présente la campagne d'essais que l'on va effectuer au cours des prochains mois sur les boulons en acier et en fibre de verre fournis par l'ANDRA dans le cadre du projet MIBOULAND

Le boulonnage à ancrage réparti. Projet MIBOULAND. Coopération ANDRA & MINES-ParisTech. Troisième Rapport (final)

Depuis le premier juin 2009, le projet MIBOULAND (MInes BOULons ANDra) s'est établi entre le Centre de Géosciences MINES ParisTech et l'Andra. Le but de ce projet est de mener une recherche conjointe dans la thématique du boulonnage à ancrage réparti, pendant une durée initiale prévue de trois ans. En effet, le Centre de Géosciences s'est toujours intéressé aux techniques de soutènement des infrastructures souterraines, et plus particulièrement au boulonnage. Dans ce cadre, le Centre a lancé depuis le mois de novembre 2008 une thèse intitulée " étude expérimentale et théorique du boulonnage à ancrage réparti sous sollicitations axiales". Dans le premier rapport livré en octobre 2009, on a justifié les raisons pour lesquelles une telle étude s'avère nécessaire. Comme le titre l'explique bien, cette thèse comprend deux volets importants : * un volet expérimental qui consiste à réaliser des essais d'arrachement en laboratoire sous confinement variable sur des boulons (en acier et en fibre de verre) et sur des câbles (en acier) ancrés à la résine ou au coulis de ciment ; * un volet théorique qui se propose d'améliorer la loi rhéologique développée au Centre de Géosciences à partir des résultats des essais de laboratoire et des essais de validation in situ et de l'appliquer par la suite à la simulation du comportement des ouvrages renforcés par ce type de soutènement. De son côté, l'Andra s'intéresse à cette technique de soutènement parce que les boulons à ancrage réparti et à friction sont couramment utilisés en parallèle avec d'autres systèmes de confortement dans les galeries du laboratoire de recherche souterrain de Meuse-Haute Marne. Ainsi, pendant le mois d'octobre 2009, une campagne d'essais in situ a eu lieu dans deux galeries du Laboratoire (GAT et GT8). Une première campagne avait eu lieu en 2007. Les principaux objectifs du projet MIBOULAND sont les suivants : * réalisation au laboratoire du Centre de Géosciences d'une campagne d'essais d'arrachement sur plusieurs types de boulons à ancrage réparti utilisés par l'Andra dans le site de Bure ; * participation du Centre de Géosciences à la mise en œuvre et à l'interprétation des essais dans le site de Bure (essais d'arrachement et instrumentation des boulons pour étudier leur comportement avec l'avancement des travaux) ; * validation sur le site de Bure de la loi de comportement développée grâce aux essais effectués : implémentation, modélisation numérique et confrontation avec les mesures in situ. Ce troisième rapport présente une synthèse des résultats obtenus au cours de ces trois ans, en particulier dans le cadre de la thèse effectuée au Centre de Géosciences MINES ParisTech. L'intérêt dans ce rapport est axé sur les avancées et les résultats non décrits dans les deux rapports précédents. Le mémoire de thèse de L. Blanco Martin contient la totalité du travail effectué. Ce rapport décrit d'abord les dernières améliorations introduites dans le banc d'arrachement, ainsi que l'étalonnage effectué en 2011 pour exploiter les résultats expérimentaux de façon plus précise. On présente la totalité du matériel fourni par l'Andra depuis le lancement du projet et les essais réalisés aussi bien sur les boulons que sur les câbles (fournis par un autre partenaire). L'exploitation des résultats des essais in situ est également présentée. L'analyse des résultats en laboratoire, orientée vers l'obtention d'une loi de comportement pour l'interface barre-scellement, est présentée également. Finalement, on présente les principales conclusions du travail effectué, ainsi que les possibles perspectives. Les résultats expérimentaux et les photos de tous les essais sur les boulons sont montrés en annexe

A new numerical model to study isolated rock blocks around underground excavations taking into account in-situ stresses

45th US Rock Mechanics / Geomechanics SymposiumInternational audienceWhen an underground excavation is cut in a discontinuous rigid rock mass, instabilities may occur mainly due to block failure. Isolated rigid block methods were developed since the 80's to locate critical blocks and evaluate their stability but have major drawbacks: ignoring in-situ stresses, mechanical behavior of joints and rotational movements. Other methods included those variables improperly and were limited to simple cases. This paper presents a critical review of previous approaches then a more complete model to study isolated rock blocks is proposed. It is based on the fact that stresses on the block faces are known before excavation and once a face is freed, the block moves as a rigid body in translation and rotation. Applying equilibrium and rock joint behavior equations, the stresses on the faces after excavation can be calculated and stability evaluated using a Mohr-Coulomb criterion. Any block geometry can be studied by partitioning the block faces into simple elements. Numerical integration is done on elements using Gauss points. The method is applied on a case study and comparisons are made with other simplified methods. Finally, a parametrical analysis shows the important influence of in-situ stresses and joint stiffnesses on the block's stability

A new analytical solution to the mechanical behaviour of fully grouted rockbolts subjected to pull-out tests

International audienceA new analytical approach able to predict the mechanical behaviour of fully grouted rockbolts subjected to pull-out tests is proposed in this paper. Input parameters of such approach are: bolt radius, bolt's Young modulus, displacement of the free end of the bolt and the constitutive law of the rockbolt-grout joint interface. The limited circumstances under which it is accurate to determine such constitutive law from pull-out tests are also presented. A solution for the load-displacement curve obtained during pullout tests has been developed and is detailed in the case of a tri-linear bond-slip model. Comparison with experimental results obtained via in situ pull-out tests has led to the validation of this approac

A new experimental and analytical study of fully grouted rockbolts

International audienceThis paper deals with fully grouted rockbolts, both for mining and civil engineering applications. Their mechanical behavior under tensile loads is reviewed theoretically and experimentally. As for the theoretical part, a new solution able to predict the full range behavior of a grouted bolt subjected to a pull-out test is explained. The originality of the new approach lies in the fact that the boundary conditions only concern the free end of the bolt. The experimental part consists of a wide pull-out test campaign performed in laboratory on deformed steel bars and on FRP rockbolts. These tests have been carried out using a new experimental bench, whose main assets will be described. The influence of several parameters such as the confining pressure, the bolt profile and the quality of the grouting material has been considered. The results of these tests will help in the derivation of a constitutive law for the rockbolt-grout interface. In situ pull-out tests conducted in ANDRA's URL in North-Eastern France to examine the performance of different bars have also been analyzed and compared to the laboratory-scale results

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for the analysis of the lining behavior of underground caverns in an AA-CAES system

With the worldwide demand for electricity, renewable energy is attracting increasing attention. As this energy has an intermittent character, large-scale storage technologies are necessary. One of the most promising systems is the advanced adiabatic compressed air energy storage (AA-CAES) in underground lined rock caverns. The high cyclic thermal and mechanical loadings involved in the system can disturb the surrounding geological barrier and thus lead to the failure of the system. The implementation of a special lining capable of limiting the thermal losses, reducing the air leakage and ensuring the caverns stability, is therefore required. This paper presents the governing equations for fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in saturated deformable media filled with dry air which characterize the conditions of the storing system. The assumptions used to simplify the equations are discussed and the neglected terms are underlined. These equations take into account the dependence of thermal conductivity on temperature, convection and heat compression. The air properties are derived using Helmholtz energy. A comprehensive comparison between the proposed model and a simple THM model based on constant parameters, ideal gas and conductive flux is made in order to emphasize the phenomena that could occur and their influences. Finally, thermo-hydro-mechanical simulations of the different lining materials are carried out to analyze the advantages and the drawbacks of each solution

ANALYSE EXPERIMENTALE DE L'EFFET DU CONFINEMENT SUR L'ARRACHEMENT DES BOULONS DE FRONT

National audienceFor accurate dimensioning of soil nails in shallow tunnels, experimental pull out tests were performed. The results highlight the effect of confining pressure on the shear strength of the soil-grout interface. A detailed description of these tests is first presented. Laboratory results compared with in-situ result, allowed authors to propose parameters which influence behavior.Une campagne d'essais montre l'effet du confinement sur la résistance au cisaillement de l'interface scellement-sol. Au préalable, une étude de tous les éléments composant cet essai est présentée. Le sol, la surface du forage, le scellement et l'inclusion doivent être représentatifs de la réalité des chantiers. Les résultats permettent de dégager les paramètres qui influencent le comportement de l'interface

Le stockage adiabatique de l'air comprimé en cavités minées

Conférence organisée par ASPROMLe caractère fluctuant et intermittent des énergies renouvelables ainsi que le coût élevé de modulation des centrales nucléaires nécessitent le renforcement de la maîtrise des flux énergétiques entre l'offre et la demande d'électricité. Le stockage d'énergie à grande échelle, capable d'afficher une puissance supérieure à 100 MW pourrait constituer alors une réponse pertinente à cette problématique. Technologie existante mais imparfaite, le CAES (Compressed Air Energy Storage) ou stockage d'énergie par compression d'air consiste à stocker l'énergie sous forme d'air comprimé, dans une cavité souterraine, puis à la restituer via une turbine produisant à nouveau de l'électricité. Ce système souffre de deux limites : on ne sait actuellement pas récupérer la chaleur produite lors de la phase de compression de l'air, et un nouvel apport énergétique (souvent d'origine fossile) est à nouveau nécessaire pour réchauffer l'air lors de la phase de décompression. Ces installations affichent donc un faible rendement, de l'ordre de 50 % et émettent du CO2. Le centre de Géosciences de MINES ParisTech, en partenariat avec GDF SUEZ, Saint-Gobain et CEA/LITEN participe au projet SEARCH, cofinancé par l'ANR, dont l'objectif est de développer le concept du stockage avancé d'énergie par compression adiabatique d'air (Advanced Adiabatic - Compressed Air Energy Storage, AA-CAES). La récupération de la chaleur de compression permettrait dans ce cas de fonctionner sans apport d'énergie extérieur et d'améliorer le rendement électrique de l'installation. La mise au point d'un tel dispositif a impliqué la résolution de très nombreux problèmes. Il a fallu concevoir un système de stockage thermique (régénérateur), envisager la structure et le creusement des cavités souterraines, étudier la stabilité de ces cavités dans le temps, évaluer les performances du système de stockage lorsqu'il opère avec l'air humide et enfin analyser son impact environnemental et sa rentabilité économique. La présentation commence par exposer le principe général du stockage d'air comprimé en cavités souterraines et décrit brièvement les principaux résultats obtenus. Une attention particulière est accordée au sujet du revêtement des cavités notamment au niveau des régénérateurs où les fortes sollicitations thermiques et mécaniques cycliques envisagées peuvent conduire à l'endommagement de la roche hôte et par conséquent à l'instabilité des ouvrages souterrains. Dès lors, la définition d'un revêtement approprié permettant de limiter les pertes de chaleur, d'une part, et d'assurer l'étanchéité du système et sa stabilité, d'autre part, constitue un élément essentiel dans la conception du stockage. Les différentes options sont alors discutées et les approches scientifiques mises en œuvre pour justifier les solutions proposées sont expliquées

Le stockage en souterrain de l'énergie sous forme d'air comprime

International audienceLe caractère fluctuant et intermittent des énergies renouvelables ainsi que le coût élevé de modulation des centrales nucléaires nécessitent le renforcement de la maîtrise des flux énergétiques entre l’offre et la demande d’électricité. Le stockage d’énergie à grande échelle représente alors une réponse pertinente à cette problématique. Technologie existante mais imparfaite, le CAES (Compressed Air Energy Storage) consiste à stocker l’énergie sous forme d’air comprimé dans une cavité souterraine puis à la restituer via une turbine produisant à nouveau de l’électricité. Ce système souffre de deux limites : la perte de la chaleur produite lors de la phase de compression de l’air et le besoin d'un nouvel apport énergétique pour réchauffer l’air lors de la phase de décompression. Cela se traduit par un rendement électrique faible et par l'émission de CO2.Le stockage avancé d’énergie par compression adiabatique d’air (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage, AA–CAES) constitue une amélioration significative du système en permettant avec la récupération de la chaleur de compression de fonctionner sans apport d’énergie extérieur et d'améliorer le rendement électrique de l’installation. Le projet SEARCH présenté dans cet article se propose d'aborder les nombreux défis soulevés par un tel système : la conception du régénérateur de stockage thermique, la stabilité et la durabilité des différents ouvrages, l'évaluation des performances du stockage lorsqu'il opère avec l'air humide et enfin son impact sur l'environnement et sa rentabilité économique