Séminaire sur le dimensionnement des chaussées selon la méthode rationnelle française
Dimensionnement des chaussées selon la méthode rationnelle française: Fonctionnement Fonctionnement des structures et critères de dimensionnement associés Jean-Maurice Balay, LCPC
Fonction des différentes couches • Couche de forme : forme : transition sol / corps de chaussée: – à court terme : terme : protection du sol contre les intempéries, nivellement pour la circulation de chantier, amélioration et homogénéisation de la portance, nivellement pour la mise en œuvre de la couche de fondation ; – à long terme : terme : amélioration et homogénéisation de la portance, protection thermique du sol.
• Couches d’assise (fondation et base) : base) : apportent de la rigidité à la structure améliorer la diffusion des sollicitations issues du trafic et transmises par les couches de surface pour les rendre admissibles au niveau de la plate-forme .
Fonction des différentes couches • Couche de forme : forme : transition sol / corps de chaussée: – à court terme : terme : protection du sol contre les intempéries, nivellement pour la circulation de chantier, amélioration et homogénéisation de la portance, nivellement pour la mise en œuvre de la couche de fondation ; – à long terme : terme : amélioration et homogénéisation de la portance, protection thermique du sol.
• Couches d’assise (fondation et base) : base) : apportent de la rigidité à la structure améliorer la diffusion des sollicitations issues du trafic et transmises par les couches de surface pour les rendre admissibles au niveau de la plate-forme .
Fonction des différentes couches (suite) • Couche de surface: surface: composée
(éventuellement) de 2
couches:
– la couche de liaison : liaison : interposée entre la CdSurface et la CdBase, assure l ’étanchéité, ’étanchéité, la résistance à l ’orniérage, contribue à l ’uni, contribue à retarder la remontée des fissures . – la couche de roulement : roulement : devant devant résister aux actions directes du trafic et du climat, assure les fonctions d ’adhérence, de lisibilité, d ’étanchéité ’étanchéité (éventuellement) (éventuellement) et contribue à l’uni (si épaisseur suffisante).
Les grandes familles de chaussées Bitumineuse épaisse
Souple
Semi-rigide
BB ou ES
BB
GNT
GB ou EME2
BB MTLH MTLH
PF
PF
PF
Inverse
Mixte BB GB3 MTLH PF
Rigide - béton
BB GB3 GRH MTLH PF
Domaine d’utilisation usuel :
• chaussée souple : trafic faible à moyen • chaussée rigide : trafic moyen à fort • autres : tous trafics
BCng, BCg ou BAC BM ou MTLH PF
Chaussées souples Chaussées comportant une couverture bitumineuse mince < 15 cm, parfois réduite à un enduit sur chaussées à très faible trafic, reposant sur une ou plusieurs couches de matériaux granulaires non traités (20 à 50 cm).
BB
GNT
PF
Matériau d’assise : tout venant, hérisson, macadam à l’eau, GNT ou GRH
L’épaisseur globale de la chaussée est généralement comprise entre 30 et 60 cm.
Chaussées souples : endommagement • Sollicitations dues au trafic • faible rigidité des matériaux granulaires et des couches bitumineuses efforts
verticaux transmis au sol support
risque
de déformation permanente Sig v
v, v Eps v Eps v Permanente
Chaussées souples : endommagement • Faible rigidité BB+GNT les efforts verticaux créés par le trafic sont directement transmis et supportés par le sol support risque de déformation permanente ; orniérage grand rayon. • Influence des conditions d ’environnement :forte sensibilité aux variations hydriques du support chute de portance en période humide, et dessication en période sèche. • Mode d ’endommagement développement d’ornière à grand rayon, flaches et affaissements. BB: fissuration par fatigue faïençage infiltration d’eau, épaufrure des fissures, nids de poule.
Chaussées souples : démarche de calcul • Critère à vérifier: au sommet de la plate-forme: z <
zadm
BB GNT
Calculée au passage d’un essieu de référence (Alizé)
PF Déterminée à partir de la loi de valeurs admissibles = ’’loi de fatigue’’ de la PF (par abus de langage)
zmax
Chaussées souples : démarche de calcul • Expression de la déformation verticale admissible (sommet plate-forme) : z,ad m
avec:
A
NE
0,22 2
A = 12 000 si trafic cumulé NE > 250 000 A = 16 000 si trafic cumulé cumulé NE < 250 000 000
Nota: – Le facteur ’’risque’’ ’’risque’’ est non-explicité non-explicité dans l’expression de zadm – Cependant la valeur A= 12 000 pour les trafics NE> 250 000 traduit de plus fortes exigences de niveau de service que pour les faibles trafics.
Prise en compte du comportement non linéaire des GNT Variation du module d’Young à travers l’épaisseur de la couche: EGNT = K x E couche sous-jacente avec Elim = valeur intrinsèque Trois catégories de GNT (fonction caractéristiques et emploi) : Catégorie K Elim (MPa)
1
2
3
3
2,5
2
600
400
200
Chaussées souples : Modules et coeff. Couche de base : épaisseur NE < 100 000
Hbase = 15 cm
NE > 100 000
Hbase = 20 cm
Couche de base : modules catégorie 1
E = Elim = 600 MPa
catégorie 2
E = Elim = 400 MPa
catégorie 3
E = Elim = 200 MPa
Couche de fondation : modules sous-couches de 25 cm depuis le bas EGNT
≤ E Base
EGNT(J) = K x EGNT(j-1) EGNT(1) = K x E plate-forme
Coeff. de Poisson : valeur unique
= 0.35
Chaussées souples : Modules et coefficient
BB ou ES CdBase15 ou 20 cm 25 cm maxi Hcouche de fondation: ’’inconnue’’ du problème
En ≤ Elim
25 cm
E2 = K x E1
25 cm
E1 = K x EPF
Plate-forme support PF
EPF
Coeff. K: selon catégorie de la GNT
Coeff. Poisson: = 0.35 (toutes couches)
Chaussées souples : démarche de calcul Exemple : BB/GNT Mat
h(m)
BBSG 0,08
E(MPa)
Nu
Interface
5400
0,35
Collée
GNT
0,15
600
0,35
Collée
GNT
0,25
150
0,35
Collée
PF2
infini
50
0,35
Calcul de z : Alizé
Chaussée bitumineuse épaisse Couche de roulement: - bitumineuse BB (4 à 8 cm) Couches d’assise: - matériaux traité aux liants hydrocarbonés (GB ou EME) épaisseur 15 à 40 cm, réalisées en une ou de deux couches (base et fondation), voire trois. Epaisseur globale: - généralement comprise entre 20 et 50 cm.
BB GB ou EME2
tmax
PF
zmax
Chaussée bitumineuse épaisse : endommagement
• Sollicitations dues au trafic rigidité des matériaux bitumineux : efforts verticaux transmis au sol support fortement diminué reprise des efforts en traction-flexion par couches bitumineuses
t z
Chaussée bitumineuse épaisse : endommagement • Sollicitations dues au trafic Rigidité des matériaux bitumineux : efforts verticaux transmis au sol support fortement diminué reprise des efforts en traction-flexion par couches bitumineuses
• Influence des conditions d ’environnement forte sensibilité aux variations hydriques du support + orniérage (à petit rayon) des couches de surface
• Mode d ’endommagement Remontée de la fissuration depuis les couches d’assises dégradations de surface Développement de fissures longitudinales dans les bandes de roulement faïençage L’eau s’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule ruine rapide de ma chaussée en l’absence d’intervention très rapide
Chaussée bitumineuse épaisse : Critères de dimensionnement
• Vérifier : – Assise GB ou EME: t < t,adm – PF support de chaussée z <
Calculée au passage d ’un essieu de référence
z,adm
t
z
Déterminée à partir de la loi de fatigue GB ou EME2 + coefficients Kr, K , Ks, Ks
Chaussées bitumineuses: calcul des sollicitations au sein de la structure • Exemple : GB3/GB3 Mat
tmax zmax
h(m)
E(MPa)
Nu
Inter
BBSG 0,08
5400
0,35
Collée
GB3
h1
9300
0,35
Collée
GB3
h2
9300
0,35
Collée
PF2
infini
50
0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé
Chaussées bitumineuses: valeurs admissibles Matériaux hydrocarbonés GB et EME2:
NE t ,adm
avec
6
10
6
b
x K x Kr x Ks x Kc
loi de fatigue issue des essais de fatigue en laboratoire
K =
E(10 C) : correction de la loi de fatigue en température E(15 C)
Kc = Coefficient de calage attaché au matériau
Chaussées bitumineuses: valeurs admissibles Matériaux hydrocarbonés GB et EME2: kr : coefficient de risque kr = 10 -ub Avec
u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue : écart type épaisseur/fatigue : écart type épaisseur/fatigue
SN
2
c Sh b
Sn : écart type sur la loi de fatigue Sh : écart-type sur l’épaisseur des assises ; Sh = 0,01 m si hassise < 0,10 m 0,01+0,3x(hassise-0,10) si 0,10< <0,15m 0,025 m si h assise > 0,15 m
2
Chaussées bitumineuses: valeurs admissibles Matériaux hydrocarbonés GB et EME2: ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 1/1,2
PF2 1/1,1
PF3 et PF4 1
Plate-forme support : z,adm
12000
NE
0,222
Chaussée semi-rigide Structure comportant une couche de roulement bitumineuse (6 à 12 cm) sur une assise en matériaux traités aux liants hydrauliques disposée en une ou deux couches (15 à 50 cm) dont l ’épaisseur totale est de l ’ordre de 20 à 60 cm.
Chaussée semi-rigide : endommagement • Sollicitations dues au trafic forte rigidité des matx traités aux liants hydrauliques : => efforts verticaux transmis au sol support très faibles => reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides
• Influence des conditions d ’environnement – au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale => remontée à travers la CdSurf (pontage au bitume) => fissures franches qui se dégradent ( ramification, dédoublt) – pénétration de l ’eau aux fissures : => dégradation des interfaces, attrition des bords de fissures + orniérage (à petit rayon) des couches de surface
Chaussée semi-rigide : endommagement • Mode d’endommagement – dégradations de surface – ramification des fissures transversales – dévelopt de fissures longitudinales (par fatigue) dans les bandes de roult => faïençage (chaussée # pavage) – l ’eau s ’infiltre : épaufrure des fissures, nids de poule
• Dispositions constructives particulières : – complexes anti-fissures pour ralentir la remontée des fissures à travers la CdRoulement : couches de sable bitume, membranes épaisses, grilles – préfissuration des couches d ’assises (CdBase) pour contrôler la fissuration de retrait
Chaussée semi-rigide : préfissuration
Procédé Craft Joints actifs
Procédé Olivia
Chaussée semi-rigide : préfissuration
•
Vérifier : – CdBase – CdFondation
t <
t,adm
t <
t,adm
décollé
– PF support de chaussée z <
Calculée au passage d ’un essieu de référence
z,adm
Déterminée à partir de : - loi de fatigue - trafic NE - risque - support
Chaussée semi-rigide : calcul des sollicitations
• Exemple : GC/GC Mat
h(m)
BBSG 0,08
E(MPa)
Nu
Inter
5400
0,35
Collée
GC3
h1
23000
0,25
Glis.
GC3
h2
23000
0,25
Collée
PF2
infini
50
0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé
Chaussée semi-rigide : calcul des valeurs admissibles
Couche de base NE t,adm
6
avec
10
N t
6
10
6
6
b
kc kr
b
: loi de fatigue du matériau
NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=N PLxCAM) kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10 -ub où u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue : écart type épaisseur/fatigue SN
2
c
Sh
b
2
Chaussée semi-rigide : calcul des valeurs admissibles Couche de base (suite) NE t,adm
6
10
6
b
kc kr ks kd
avec ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènes d ’augmentation de contraintes près des bords GCV 0,80
Chaussée semi-rigide : calcul des valeurs admissibles Couche de fondation NE t,adm
6
avec
10
N t
6
10
6
6
b
kc kr ks kd
b
: loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10 -ub
ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 PF2 PF3 1/1,2 1/1,1 1 kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)
Chaussées rigides en béton Structure comportant une couche de béton de ciment de 15 à 40 cm (DE), éventuellement recouverte par un BBTM , reposant : soit sur une fondation en béton maigre ou en grave ciment , Béton Dalles Dalles Dalles armé goujonnées discontinues épaisses continu: ::DE BAC :BCg BC sur GB3 ou GC3 ou Bm
soit sur une couche de réglage fin en BB ou en GB, soit sur une couche drainante (dalle épaisse).
Chaussées rigides en béton
Chaussées rigides en béton : endommagement
• Sollicitations dues au trafic forte rigidité des bétons : => efforts verticaux transmis au sol support très faibles => reprise des efforts en traction / flexion par couches rigides retrait de prise : joints transversaux ou armatures (BAC) => augmentation des contraintes en bord de dalles
• Influence des conditions d ’environnement – au jeune âge : retrait de prise => fissuration transversale => sciage de joints transversaux + garnissage – variations saisonnières de température : L dalles – variations journalières : gradient de température => cambrure – infiltration d ’eau : attrition des bords de fissures, pompage
Chaussées rigides en béton : endommagement
Cambrures des dalles béton dues aux gradients thermiques verticaux
Chaussées rigides en béton : endommagement
• Mode d ’endommagement – dalles discontinues : • fissuration par fatigue près des bords (sur-largeurs) • pompage près des joints : mise en escalier – BAC : • processus encore mal connu (décollement du BAC de son support après quelques années de fonctt)
• Dispositions constructives particulières : – matériaux peu érodables en fondation (BC3) – drainage aux interfaces – surlargeurs
Chaussées rigides en béton : démarche de calcul •
Vérifier : – CdBase – CdFondation
t <
t,adm
t <
t,adm
– PF support de chaussée z <
Calculée au passage d ’un essieu de référence
z,adm
Déterminée à partir de : - loi de fatigue - trafic NE - risque - support
Chaussées rigides en béton : calcul des sollicitations • Exemple : BC5/BC3 Mat
h(m)
BC5
h1
35000
0,25
Glis.
BC3
h2
23000
0,25
Collée
PF2
infini
50
0,35
Calcul (modèle de Burmister) : Alizé
E(MPa)
Nu
Inter
Chaussées rigides en béton : valeurs admissibles Couche de base NE t,adm
6
avec
10
N t
6
10
6
6
b
kc kr
b
: loi de fatigue du matériau
NE : nb de passages de l ’essieu de référence (=N PLxCAM) kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10 -ub où u : valeur de la variable aléatoire associée au risque R choisi par le M Ouvrage b : valeur de la pente de la droite de fatigue : écart type épaisseur/fatigue c Sh SN
2
b
2
Chaussées rigides en béton : valeurs admissibles
Couche de base (suite) NE t,adm
6
10
6
b
kc kr ks kd
avec ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase)
kd : coefficient de discontinuité, intégrant les phénomènes d ’augmentation de contraintes près des bords BC BCg/BAC 1/1,70 1/1,47
Chaussées rigides en béton : valeurs admissibles
Couche de fondation NE t,adm
6
avec
10
N t
6
10
6
6
b
kc kr ks kd
b
: loi de fatigue du matériau
kc : coefficient de calage attaché au matériau kr : coefficient de risque kr = 10 -ub
ks : coefficient tenant compte des hétérogénéités de portance du support (ks = 1 pour la CdBase) PF1 PF2 PF3 1/1,2 1/1,1 1 kd : coefficient de discontinuité (kd = 1 pour CdFondation)
Chaussées rigides en béton : cas de la structure innovante BAC/GB3 Calcul en deux phases phase 1
t1
Collée
t2
Glissante
NE2 adm
NE1 adm NPL1
phase 2
+
NPL2
< NPL total
Chaussées rigides en béton : cas de la structure innovante BAC/GB3 t,adm
t2 t1
NE2
NE1 NE
Dommage
d1=1/NE1 d2=1/NE2
Nb passages
Chaussée mixte Structure comportant une couche de roulement et de base en matériaux bitumineux d ’une vingtaine de cm, sur une fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (15 à 30cm).
Le rapport de l’épaisseur de matériaux bitumineux à l’épaisseur totale doit être de l ’ordre de 1/2.
Cas de la structure mixte: démarche de calcul Calcul en deux étapes étape 1
Collée t1
La structure est saine Seule la couche de fondation travaille en traction
étape 2 t2
Glissante
E/5
La structure est dégradée Seule la couche de base travaille en extension
Cas de la structure mixte : démarche de calcul 1ère étape : – CdBase – CdFondation
Collée t <
t,adm
– PF support de chaussée z <
Calculée au passage d ’un essieu de référence
z,adm
Déterminée à partir de : - loi de fatigue, trafic NE, risque, support
On détermine le nombre NE 1 tel que :
t adm =
t
Cas de la structure mixte : démarche de calcul 2ème étape : – CdBase – CdFondation
t <
Glissante t,adm
E/5
– PF support de chaussée z <
Calculée au passage d ’un essieu de référence
z,adm
Déterminée à partir de : - loi de fatigue, trafic NE, risque, support
On détermine le nombre NE 2 tel que :
t adm =
t
Cas de la structure mixte : démarche de calcul
étape 1
étape 2
Collée
Glissante
E/5
t1
NE2 adm
NE1 adm NPL1
t2
+
NPL2
> NPL total ?
Dégradations des chaussées: 3 grandes familles Trois grandes familles de dégradations : • les déformations : ornière à grand et petit rayon, affaissements, gonfle, bourrelet, tôle ondulée (pb matériaux, mise en œuvre ou structurel) ; • les fis s ures : longitudinales, transversales, en coin, en dalles, faïençage, de joint, d ’adaptation (pb matériaux, mise en œuvre ou structurel) ; • les arrachements : glaçage, plumage, peignage, désenrobage, pelade, nids de poule (pb matériaux)
Les déformations Ornière à grand rayon (sol et assise granulaire)
Ornière à petit rayon (couche de roulement)
Affaissements
Bourrelet en rive
Les fissures Transversales Longitudinales
Faïençage
Fissure d ’adaptation
Fissures de joint
Les arrachements et autres Désenrobage Nids de poule Pelades Ressuages
Désordres d ’origine structurelle Principaux paramètres influant sur le comportement d ’une structure de chaussée et sa durée de vie : • l ’épaisseur ; • le collage des couches ; • le module des matériaux ; • le comportement en fatigue ; • la portance du sol support et de la plate-forme.
Illustration : facteurs d’influence Cas d ’une structure bitumineuse type : structure du catalogue en GB3, TC5-PF3 BBTM + 6cm BBSG
85,4 déf
2 couches de 8cm de GB3 plate-forme PF3
Durée de vie théorique : 20 ans en T1 (500 PL/j/sens)
Facteur 1 : l ’épaisseur Cas de la GB3 ( 6 = 90 déf) h (m)
Durée de vie (ans)
0,2
40 hmoyen = 0,16 m Ecart type = 0,013 m
0,175 0,15
35 30
0,125
25
0,1
20
0,075
15
0,05
Epaisseur
0,025
Durée de vie
0 1
4
7
10 5 0
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 x (m)
Facteur 2 : le collage des couches Si problème de collage (révélé au carottage) : 118,9 118déf 137,3 déf 124,4 déf
BBSG : 5 ans GB3 (fond) : 4 ans
77,2 déf
GB3 (base) : 2 ans GB3 (fond) : 30 ans
Facteur 3 : le module Module = f(compacité) Durée de vie (ans)
35 30 25 20 15 10 5 0 -4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Variation de la compacité
Facteur 4 : le comportement en fatigue Cas d ’une GB2 ( 6 = 80 déf) h (m)
Durée de vie (ans)
0,2
40 hmoyen = 0,16 m Ecart type = 0,013 m
0,175 0,15
35 30
0,125
25
0,1
20
0,075
15
0,05
Epaisseur
0,025
Durée de vie
0 1
4
7
10 5 0
10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 x (m)
Facteur 5 : la portance du support Portance de la plate-forme : 118
118
118
103,8 déf
93,9 déf
80,6 déf
PF2 E = 50 MPa
PF2 E = 80 MPa
PF3 E = 150 MPa
GB3 : 5 ans
GB3 : 9 ans
GB3 : 26 ans
NB : épaisseur plus important que module Cas d ’une sous-épaisseur : quel remède ?
BBTM + 6cm BBSG
96,5 déf
14 cm de GB3 plate-forme PF3
Durée de vie théorique : 12 ans en T1 (500 PL/j/sens)
Rechargement à l ’état neuf:
118
118
118
118
88,9 déf
77,6 déf
70,2 déf
66,2 déf
14Cas cm1 : GB3 Cas 2 : Cas 3 : Cas 4 : fraisage 12 ans+ rechargement rechargement rechargement 8cm BBME
4cm BBM
6cm BBSG
6cm BBME
17 ans
30 ans
45 ans
56 ans
Rechargement après 5 10ans: ans
118
118
118
118
88,9 déf
77,6 déf
70,2 déf
66,2 déf
14Cas cm1 : GB3 Cas 2 : Cas 3 : Cas 4 : fraisage 12 ans+ rechargement rechargement rechargement 8cm BBME
4cm BBM
6cm BBSG
15/12 ans 15 ans
23 ans 23/15 ans
30/18 ans 30 ans
6cm BBME 41/21 ans 41 ans
