Les principaux types de sollicitations agissant sur un boulon d'ancrage

Le boulon d’ancrage est souvent présenté comme un élément travaillant avant tout en traction. Cette simplification est commode pour les calculs de base, mais elle ne rend pas compte des conditions réelles régnant dans le massif rocheux. En pratique, la tige, le câble ou tout autre élément porteur peut être simultanément tendu, cisaillé et fléchi, et soumis en outre à des charges variables ou brutales. Le mode de travail dépend non seulement du type de boulon, mais aussi de la structure géologique, du mode de mise en place, de la déformation de l’excavation et de l’interaction avec les autres éléments du soutènement.

Une évaluation correcte de la sollicitation d’un boulon exige donc de considérer l’ensemble du système : le massif rocheux, le produit de scellement, la tige, la plaque d’appui, l’écrou et le soutènement de surface de l’excavation. La défaillance peut en effet survenir en n’importe quel point de cette chaîne, pas nécessairement dans la tige elle-même.

La traction – mode de travail fondamental, mais pas unique

La sollicitation de traction apparaît lorsqu’une partie du massif rocheux se déplace vers la surface de l’excavation ou lorsque le boulon relie des bancs présentant une tendance au décollement. La flexion du toit, le détachement d’une dalle rocheuse ou l’extension de la zone fracturée autour de l’excavation en sont des exemples.

Dans les boulons scellés, l’effort de traction est transmis de la tige au produit de scellement, puis aux parois du forage. Cela ne se produit pas ponctuellement, mais sur une certaine longueur de scellement. Des contraintes de cisaillement se développent le long de la tige aux interfaces acier–résine et résine–roche. Si la longueur de scellement est suffisante, la charge se répartit sur une surface plus grande. Si elle est trop courte, ou si le produit de scellement ne remplit pas correctement l’espace annulaire, il peut se produire un arrachement de la tige, un glissement dans le scellement ou un détachement de la roche entourant le forage.

Dans les boulons précontraints, une partie de l’effort de traction est introduite dès la pose. La précontrainte serre les bancs rocheux les uns contre les autres, limite le développement des fissures et mobilise plus tôt l’interaction entre le boulon et le massif. Les boulons passifs, en revanche, ne se chargent que lorsqu’un déplacement relatif de la roche s’est produit.

La capacité en traction n’est pas déterminée par la seule résistance de la tige. Comptent également le diamètre du forage, la géométrie des nervures, la qualité du malaxage de la cartouche de résine, la longueur de scellement, la résistance de la roche ainsi que l’état de la plaque d’appui et de l’écrou. Un boulon doté d’une tige très résistante peut présenter une faible capacité de système si sa liaison avec le massif rocheux est faible.

Le cisaillement sur les plans de discontinuité

La sollicitation de cisaillement survient lorsque deux blocs ou bancs rocheux se déplacent l’un par rapport à l’autre transversalement à l’axe du boulon. Cela se produit avant tout sur les fractures, les failles, les plans de stratification et les autres discontinuités recoupant le forage du boulon.

Dans cette configuration, le boulon agit à la manière d’un goujon traversant des éléments qui glissent l’un contre l’autre (c’est l’effet goujon). Le déplacement de la roche exerce un appui contre la tige de part et d’autre de la discontinuité, et des contraintes de cisaillement naissent dans le matériau du boulon. Une flexion locale se produit généralement en même temps, car la charge n’est pas répartie de manière parfaitement symétrique.

La résistance d’un boulon au cisaillement dépend de l’aire de la section de la tige, de sa limite d’élasticité, de sa ductilité et de sa capacité à se déformer sans rompre. L’ouverture de la discontinuité et les propriétés du matériau qui la remplit jouent également un rôle. Une fracture étroite peut concentrer le cisaillement presque sur un seul plan. Dans une zone fracturée plus large, la déformation se répartit sur un tronçon plus long, mais elle peut conduire à une flexion importante de la tige.

Le produit de scellement participe lui aussi à la transmission de la charge. Un scellement rigide limite les déplacements locaux, mais peut se fissurer ou s’écailler. Un système plus déformable autorise une déformation plus grande, au prix toutefois de déplacements accrus du massif. C’est pourquoi la seule valeur de l’effort de cisaillement maximal ne décrit pas complètement l’aptitude d’un boulon. L’énergie que le système peut absorber avant de perdre sa capacité est tout aussi importante.

La flexion du boulon

La flexion apparaît lorsque l’axe du forage cesse de coïncider avec la direction de l’effort agissant sur le boulon. Elle peut résulter du glissement de blocs rocheux, de l’ouverture de fractures, d’une flexion inégale du toit ou d’une déformation du profil de l’excavation.

En pratique, un boulon travaille rarement en flexion pure. Celle-ci se combine le plus souvent avec la traction et le cisaillement. Une tige traversant une discontinuité est d’abord plaquée contre son bord, puis se courbe et, à mesure que le déplacement augmente, se tend. Des contraintes de traction se développent d’un côté de la section, des contraintes de compression de l’autre. Les contraintes maximales se situent à la surface de la tige ; c’est pourquoi même des dommages mineurs, la corrosion ou des défauts du matériau peuvent réduire sensiblement la durée de vie de l’élément.

Les zones de variation brutale de rigidité sont particulièrement défavorables, par exemple à la limite entre la partie scellée et la partie libre. Une concentration de contraintes s’y développe, qui peut conduire à une plastification locale et, sous charges variables, à une fissure de fatigue.

La capacité en flexion dépend non seulement du diamètre de la tige, mais aussi de la nuance d’acier et de la géométrie du profil. Un acier à haute résistance peut atteindre un effort limite élevé, mais s’il possède une faible ductilité, il supporte mal les grandes déformations. Dans un massif en mouvement, un élément qui continue de porter la charge après plastification est souvent préférable à un élément qui rompt brutalement.

La torsion lors de la pose

Le moment de torsion constitue un cas à part : il apparaît principalement pendant la pose du boulon. Dans les boulons scellés, la tige en rotation malaxe la cartouche de résine et doit vaincre la résistance de la résine ; dans les boulons précontraints, le couple de serrage de l’écrou sert à introduire la précontrainte. La tige transmet alors brièvement une torsion combinée à un effort axial.

Une fois la pose achevée, la torsion disparaît généralement et elle est le plus souvent négligée dans l’analyse du travail du boulon. Elle a néanmoins une importance pratique : une résistance au malaxage trop élevée ou un couple de serrage excessif peuvent endommager la tige, le filetage ou le scellement frais, non encore pris.

Les sollicitations dynamiques

Les charges dynamiques se distinguent des charges statiques avant tout par la vitesse d’application de l’effort. Elles peuvent résulter d’un coup de terrain, d’une secousse sismique du massif, du détachement d’un bloc rocheux, de travaux à l’explosif ou de la rupture soudaine d’un banc porteur.

Dans de telles situations, le boulon doit non seulement supporter un effort donné, mais surtout absorber l’énergie de la masse rocheuse en mouvement. Deux boulons de capacité statique comparable peuvent se comporter de manière totalement différente sous choc. Un élément rigide peut transmettre une charge élevée, mais rompre après un allongement faible. Un boulon déformable atteindra parfois un effort maximal plus faible, mais absorbera nettement plus d’énergie grâce à sa déformation plus grande.

L’aptitude au travail dynamique est déterminée par l’aire sous la courbe force–déplacement. Plus l’effort maintenu sur un long chemin de déformation est grand, plus l’énergie absorbée par le boulon est importante. C’est pourquoi les zones sujettes aux coups de terrain font appel aux boulons déformables, aux éléments à glissement contrôlé, aux profils déformables spéciaux ou aux dispositifs dotés de mécanismes de dissipation d’énergie.

Il faut garder à l’esprit qu’une charge dynamique agit sur l’ensemble du système. La rupture peut toucher la tige, la liaison avec le scellement, la plaque d’appui, l’écrou ou le soutènement de surface du toit. Même un boulon à forte capacité d’absorption d’énergie ne sera pas efficace si la plaque d’appui poinçonne le grillage ou si le boulon perd son appui dans une couche superficielle fortement endommagée.

Les sollicitations combinées

Un boulon réel travaille presque toujours sous sollicitations combinées. Le décollement des bancs provoque la traction, le glissement sur une fracture – le cisaillement et la flexion, et le détachement soudain d’un bloc peut en outre conférer à l’ensemble du processus un caractère dynamique.

Les actions combinées sont particulièrement dangereuses, car les différents mécanismes se renforcent mutuellement. Une tige déjà tendue dispose d’une réserve de flexion réduite. La flexion accroît localement les contraintes, de sorte qu’un cisaillement supplémentaire peut provoquer une plastification plus précoce. Une charge dynamique appliquée à un boulon déjà déformé peut quant à elle provoquer sa rupture à une énergie inférieure à celle déterminée lors de l’essai d’un élément neuf et rectiligne.

Les résultats de simples essais de traction ne devraient donc pas constituer la seule base du choix des boulons. Dans des conditions difficiles, il faut des essais prenant en compte le cisaillement sur les fractures, les grands déplacements, le caractère cyclique du chargement ainsi que l’interaction avec le produit de scellement et le soutènement de surface.

C’est le système qui compte, pas seulement la tige

L’évaluation du travail d’un boulon ne peut se réduire à la question de l’effort que transmettra l’élément en acier. Il faut établir comment la charge naît, où elle est transmise et quel mécanisme de rupture est le plus probable.

Dans un massif compact et relativement stable, la traction peut dominer. Dans les roches stratifiées et faillées, le cisaillement et la flexion prennent davantage d’importance. Dans les zones sujettes aux coups de terrain, la capacité d’absorption d’énergie est déterminante. Le plus souvent, cependant, plusieurs actions se combinent et évoluent avec la progression de la déformation.

Un soutènement par boulonnage efficace doit donc disposer non seulement d’une capacité maximale suffisante, mais aussi de ductilité, d’une réserve de déformation et de la capacité à maintenir la charge au-delà du domaine élastique. Ce n’est qu’en tenant compte de ces caractéristiques que l’on peut juger si un boulon stabilisera réellement le massif rocheux ou s’il ne fera que satisfaire une exigence formelle portant sur la résistance nominale de la tige.