Constitution & Dimensionnement des chaussées
Gunther GIDEL – Ingénieur Technique SCREG OUEST 1
Définitions et fonctions des couches couche de roulement couches de surface couche de liaison
Etanchéité et propriétés d’usage (adhérence…)
couche de base
Rigidité structurelle couches d’assise
couche de fondation (éventuelle) couche de forme (éventuelle)
protection (mécanique et thermique) de la plate-forme support Plate-forme support (PF) : drainage + traitement éventuel (portance à court et long terme)
sol support
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Les grandes familles de chaussées Souple
Bitumineuse épaisse
BB ou ES
BB
GNT
GB ou EME2
PF
PF
BM ou MTLH
BB GB3 MTLH
PF
PF
BCng, BCg ou BAC
BB MTLH MTLH PF
Inverse
Mixte
Rigide
Semi-rigide
BB GB3 GRH MTLH PF 3
Domaines d’utilisation usuels chaussées souples :
trafics faibles à moyens faibles chaussées rigides :
trafics moyens forts à forts et plus trafics spéciaux et charges lourdes : aéroports, plate-formes industrielles et portuaires, tramways, …
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Domaines d’utilisation usuels
chaussées bitumineuses GB ou EME :
toutes catégories de trafics. Excepté : − trafics très faibles à faibles − charges lourdes exceptionnelles (cf. risques d’orniérage des couches de surface enrobés percolés, béton, …) − contextes spécifiques : aéronautiques (cf. produits anti-kérosène), tramways (rails sur blochets béton)
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Domaines d’utilisation usuels • chaussées mixtes et inverses : – trafics forts et très forts
avec des nuances : – exemple : chaussée «flexible» aéronautique ≡ chaussée routière bitumineuse épaisse 6
Principe général du dimensionnement 1 - Dimensionnement mécanique : 2 critères sont à vérifier :
•
Critère de résistance à la fatigue des matériaux liés (GB, EME, MTLH, bétons) σt service < σt admissible ou εt service < εt admissible
(MTLH, bétons)
•
(GB, EME)
Critère de résistance à l’orniérage des matériaux non traités (GNT, sols) εz service < εz admissible 7
Principe général du dimensionnement 2 - Vérification de la tenue vis-à-vis du gel/dégel : la structure résultant du dimensionnement mécanique convient si : Indice de gel admissible > Indice de gel référence
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Principe général du dimensionnement Modélisation mécanique Charge réelle ± complexe
εt εz
Charge de référence (essieu 13 t)
Comportement en fatigue Logεadm ε6
106
loi de fatigue : logN εt,adm = ε6 x (N/106)b
εt service < εt admissible et εz service < εz admissible
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Modélisation théorique de la chaussée Dimensionnement mécanique la structure (épaisseur des couches, nature des matériaux) convient si :
σt service εt service
≤ σt admissible (MTLH, bétons) ≤ εt admissible (matériaux bitumineux) et
ε z service
≤ εz admissible
(GNT, sols)
Lois expérimentales fatigue et orniérage Modélisation théorique 10
Modèle de Burmister (1943) Calcul élastique
• Structure :
multi-couche élastique linéaire interfaces collées ou glissantes couches infinies en plan (continues : pas de bords, de joints ni de fissures)
•
Charges : disques circulaires chargés par une pression verticale uniforme et statique
Résultats : champs σ et ε
σt εz 11
Application du modèle de Burmister
• Calcul ALIZE (Guide Technique 1994) • Catalogue des Structures (Édition 1998)
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Paramètres pris en compte Guide 1994
Catalogue 1998
- Durée de Vie - Trafic Ti (PL/J) - Accroissement A
Trafic Cumulé TCi
20ou30
( Accroissement Linéaire)
(Géométrique)
TC = 365 x T x C(A) Portance de la plate-forme EV2 Le type de voie VRS ou VRNS Les caractéristiques des matériaux E,
ε6 ou σ6
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TRAFICS Guide 1994
Catalogue 1998
Fort Tex > 5000 PL/J TS = 2000 à 5000 (3000) T0 = 750 à 2000 (1200) T1 = 300 à 750 (500) T2 = 150 à 300 (200) T3 = 50 à 150 (85)
Faible T4 = 25 à 50 (36) T5 < 25
TC8 TC7 TC6 TC5 TC4 TC3 TC2 14
Prise en compte du trafic essieu de référence et coefficient d’agressivité 13 t
CAM
xN
Empreintes réelles : Empreintes pour la modélisation : r = 0,125 m e = 37,5 cm q = 0,662 MPa
NE = CAM x NPL
e 15
LES PLATES-FORMES • • • •
PF1 de 20 à 50 MPa PF2 de 50 à 120 MPa PF3 de 120 à 200 MPa PF4 > 200 MPa
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Valeur admissible et fatigue Valeur admissible fonction du :
• comportement à la fatigue • calage du modèle (kc)
log ε ou σ
ε6 ou σ6
(modèle de calcul / observations sur chaussées)
b
• risque de rupture (kr)
(dispersion des mesures, des épaisseurs et du risque admis)
• portance du support (ks)
(hétérogénéités locales du support)
• discontinuité dans les MTLH (kd)
106
log N
ε(Ne) = ε6 x (N/106)b σ(Ne) = σ6 x (N/106)b
(couche de base uniquement)
Val Admissible =
ε(Ne) x kr x ks x kc σ(Ne) x kr x ks x kc x kd
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Dimensionnement mécanique : résumé Trafic
Sol
Climat θ
Matériaux
x NE
t θéq
Modèle log ε t,adm
ε t,serv
h solution
h
log N
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Vérification au gel - dégel Principe : La structure convient si : Ind admissible de la chaussée ≥ Ind hiver de référence
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Vérification au gel - dégel : le cycle gel dégel Que se passe-t-il dans un cycle de gel/dégel ?
• Au gel (température ambiante durablement négative) :
pénétration du front de gel (θ = 0°C) dans la chaussée : – dans le corps de chaussée (en général non gélif) 20
Vérification au gel - dégel : le cycle gel dégel – dans le sol support : 1 - si non gélif : pas de problème 2 - si gélif : gel ⇒ gonflement (cryossuccion) ⇒ gélifraction des granulats
• Au dégel (température ambiante durablement positive) :
– pénétration du front de dégel – chute de portance si matériau gélif (évacuation d’eau) 21
Vérification au gel - dégel : le cycle gel dégel Temps
Prof.
Gel
Dégel 22
Vérification au gel - dégel : définitions Quelques définitions . . . Indice de gel : somme des températures journalières moyennes pendant la période de gel (°C x jours) (atmosphérique IA, en surface IS, à une profondeur z...) IA (°C x j) Valeur absolue Quantité de gel : racine carrée d’indice de gel (atmosphérique, en surface, à la profondeur z...) Q
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Vérification au gel - dégel : définitions Hiver de référence : choisi par le maître d’ouvrage, et caractérisé par son indice de gel IR :
• Hiver exceptionnel : hiver le plus rigoureux sur la période considérée
• Hiver rigoureux non exceptionnel : hiver ayant une fréquence d’apparition de 10 ans
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Vérification au gel - dégel : Indice Ig Quelques ordres de grandeurs ... France : Marignane 15 / 70 Lille 90 / 250 Paris 85 / 160 Nice 0 / 0 Luz la croix haut 275 / 420 Strasbourg 180 / 410 Québec : hiver normal Montréal 1000 Québec 1150 Chicoutimi 1800 25
Vérification au gel - dégel : indice Iadm Indice de gel admissible Iadm, fonction :
de la gélivité des matériaux du support ;
de la protection thermique apportée par les matériaux non gélifs (couche de forme, chaussée) ;
des phénomènes de rayonnement et convection en surface.
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Vérification au gel - dégel : calculs du sol support vers la surface de la chaussée :
• 1ère étape : sensibilité au gel de la plateforme support de chaussée (Qg et Qng)
Gonflement (mm)
3030
Matériaux
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Craie Limon Sable gréseux Argile Marne altérée Marne Sable propre
Résultats obtenus à l'essai de gonflement
Qg = 0
2020
15
Qg est fonction du sol Qng est fonction de la Pf (épaisseur et nature)
1010
Classification
5
Très gélif Peu gélif Non gélif
Qg = 1/p
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
0
10
20
30
40
Indice de gel (°C x h) 1/2
Qg = 4 27
Vérification au gel - dégel : calculs • 2ème étape : analyse de nature mécanique (QM) (Si ép. structure > 20 cm) Calcul de l’épaisseur (e en cm) du sol dégelé (E/10) qui engendre un accroissement de sollicitation maximal de 5 % QM = e / 10
• 3ème étape : quantité de gel admissible au niveau de la plate-forme (QPF) QPF = Qg + Qng + QM
• 4ème étape : protection thermique apportée par la structure de chaussée fonction des matériaux et de leur épaisseur 28
Vérification au gel - dégel : calculs • 5ème étape : détermination de l’indice de gel atmosphérique admissible IA = f (Protection thermique et QPF)
Il faut vérifier que :
IA ≥ IR
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