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La méthode française de dimensionnement Honoré GOACOLOU Eurovia
fournissent un premier outil d’analyse du mode de fonctionnement et des éventuels désordres des chaussées existantes et déterminent les modifications à apporter aux structures (enlèvement, retraitement, apport de matériaux).
Jean-Michel PIAU Laboratoire central des Ponts et chaussées (LCPC)
Jean-Maurice BALAY LCPC
Hugues ODÉON Laboratoire régional des Ponts et chaussées (LRPC) Strasbourg
Jean-Claude PETITGRAND Laboratoire régional de l’Ouest parisien (LROP)
Rolf KOBISCH
R D
LRPC Saint Brieuc
Michel PAILLARD LRPC Autun
Emmanuelle FRÉNÉAT Scetauroute
Patrick LERAT Service technique des bases aériennes (STBA)
Finalité et définition des méthodes de dimensionnement des chaussées Historique Les chaussées (routières, (routières, ferroviaires ferroviaires,, aéroportuaires,, de tramway, aéroportuaires tramway, industrielles industrielles,, etc.) sont des structures composites, composites, multicouches,, plus ou moins complexes, multicouches conçues pour résister sur l’ensemble de leur durée de vie aux multiples sollicitations mécaniques (liées principalement au passage de charges lourdes) et climatiques (cycles de température, pluie, gel, UV UV,, etc.), qui l’une l’une après après l’autre, l’autre, sapent imperceptiblement imperceptibleme nt les performances initiales des matériaux et de leurs interfaces. L’objectif premier des méthodes de dimensionnement des chaussées est de fixer les règles qualitatives et quantitatives permettant à l’ingénieur de choisir et concevoir le profil vertical des structures de chaussée, chaussée, compte tenu des données des projets (durée de vie, traficc annue trafi annuel,l, clim climat, at, contr contrainte aintess de réalisation, etc.) et de la politique politique économique des maîtres d’ouvrage (investissement (investisse ment initial, budget d’entretien/renforcement). Dans le cas de chaussées neuves, les méthodes de dimensionnement des chaussées favorisent la préconisation des différentes solutions techniques admissibles et, pour chacune d’entre elles, elles, le scénario prévisible d’entretien. Le choix de la solution incombe, au final, au maître d’ouvrage. d’ouvrage. Dans le cas des études de renforcement, les méthodes de dimensionnement
Les méthodes en vigueur peuvent se classer principalement en deux catégorie catégoriess : > Les méthodes de type empirique, empirique, basées sur l’observation en grand nombre du comportement de chaussées existantes (dont certaines construites spécifiquement en vue de l’élaboration de la méthode) et induisant des corrélations entre conditions de trafic et climatiques à supporter et type de structure, épaisseurs des couches à adopter. > Les méthodes de type semi-empirique ou « ratio rationnel nnel », qui ne saura sauraient ient se dispense dispenserr de l’apport l’apport « terra terrain in », mais qui reposent aussi pour une certaine part sur l’utilisation de modèles « mécan mécanisti istiques ques » de comportement comportement des matériaux et structures de chaussées. Cette double approche sert non seulement au dimensionnement des projets, mais est également utilisée dans la phase même d’élaboration de la méthode afin de réduire la part d’observations de terrain à réaliser. L’importance allouée aux modèles varie d’une méthode à l’autre, l’autre, même si, final finalement ement,, beaucoup de ces méthodes se rejoignent par l’utilisation de modèles multicouches élastiques. Les méthodes de dimensionnement intègrent également un corpus de règles techniques et recommandations portant sur les conditions de construction et réalisation des chaussées (contraintes technologiques,, profils transversaux, technologiques dévers, etc.) et font référence référence pour les chaussées routières aux règles de tracé en en long, qui relèvent d’un ensemble d’autres documents documents.. Dans le domaine routier, routier, le besoin de méthodes de dimensionnement dûment explicitées s’est véritablement fait ressentir avec la forte expansion économique des pays d’Amérique du Nord et d’Europe de l’Ouest, l’Ouest, qui a suivi la Seconde Guerre mondiale et qui se révélait indissociable de l’amélioration et du développement des réseaux routiers pour le transport des biens et des personnes.
Leur élaboration s’est faite de façon progressive aux échelons nationaux, souvent sur la base de principes distincts d’un pays à l’autre, l’autre, et leur amélioration est toujours d’actualité.
Retraçons brièvement cet historique pour la France. Jusqu’aux années 50, les structures de chaussée routière utilisées en France étaient peu diversifiées ; la quasi-totalité d’entre elles étaient à assises granulaires et dimensionnées le plus souvent de façon empirique par analogie avec les chaussées existantes,, plus rarement en utilisant existantes la méthode américaine CBR (Californian Bearing Ratio). Ratio). Le dimensionnemen dimensionnementt des rares chaussées en béton s’inspirait des règles américaines fondées sur le modèle de Westergaard (1927). En 1959, MM. Jeuff Jeuffroy roy et Bachelez Bachelez publient une série d’abaques correspondant au fonctionnement de structures tricouches élastiques selon une méthode proche de celle de Burmister. Les chaussées se diversifient avec l’introduction, l’introduction, notamment, de couches d’assises traitées aux liants hydrauliques pour faire face à l’augmentation du trafic. Sous cette impulsion, impulsion, l’Administration oriente, dans les années 60, la doctrine doctrine française vers une démarche rationnelle qui profite, profite, d’une part, du développement développement des moyens d’essais sur matériaux de chaussée et de leur approche performantielle (module d’élasticité, module complexe, complexe, essai de fatigue) fatigue) et, d’aut d’autre re part, des moyens moyens d’auscultation (déflectographe Lacroix et extensomètres notamment), permettant une meilleure compréhension du fonctionnement des structures et du rôle fonctionnel de chaque couche. Dans le même temps, temps, la Direction des routes entreprend de standardiser les matériaux utilisés sur le réseau national en publiant, publiant, en 1968, des directives et recommandations précisant leurs formulations et méthodes de mise en œuvre. En 1971, paraît un premier Catalogue Catalogue des structures types de chaussées neuves, dimensionnées sur sur un critère de poinçonnement du sol et un allongement limite dans les couches liées.
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La méthode française de dimensionnement
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Le développement de l’informatique facilite l’usage des modèles multicouches élastiques, notamment au travers du programme Alizé, reposant sur le modèle de Burmister (développé au Laboratoire central des Ponts et chaussées - LCPC -, dès 1964). La méthode des éléments finis complète l’approche pour les structures rigides par le calcul des facteurs de concentration de contrainte, dans les zones de discontinuités géométriques. Ceci déboucha sur une nouvelle version du Catalogue, publiée en 1977, avec des structures pré-calculées. La méthode avait été, entre-temps, affinée en introduisant la notion de plate-forme et de risque de rupture de la chaussée, et une méthode de prise en compte du gel/dégel avait été définie. Depuis lors, cette méthode, ainsi que l’approche performantielle des matériaux qui va de paire, n’ont pas été remises en cause et sont adoptées en France sur l’ensemble des réseaux routiers, avec des cadres d’application spécifiques à chacun d’entre eux. En 1994, sous l’impulsion de Jean-François Corté, sont réunies et explicitées à l’intérieur d’un même guide l’ensemble des règles de la méthode de dimensionnement [1] et, en 1998, est publié un nouveau catalogue des structures de chaussée [2]. Le plus récent document en la matière est le Guide des variantes SETRA/LCPC [3], entré en vigueur en 2002, qui fixe les règles de prise en compte dans les marchés publics de l’Etat des solutions proposées en variantes aux solutions de base.
Description de la méthode française de dimensionnement Les principes de la méthode La démarche française de dimensionnement des structures de chaussées repose depuis plus de trente ans sur une méthode rationnelle qui permet de déterminer une structure de chaussée en deux étapes successives. La première étape, de type mécanique, consiste à vérifier par le calcul qu’une structure choisie a priori suffit à supporter le trafic qui devra circuler
sur la chaussée pendant sa durée de vie sur un sol donné. La démarche consiste à choisir un type de structure, à retenir les matériaux constitutifs des différentes couches et à en fixer les épaisseurs respectives, puis à calculer : > Les sollicitations induites dans cette structure au passage d’un essieu représentatif du trafic poids lourd (l’essieu isolé à roue jumelée de 130 kN, dit « essieu de référence ») à l’aide du modèle multicouche élastique linéaire de Burmister. > Les sollicitations jugées admissibles par les matériaux, en fonction de leur position dans la structure, du trafic cumulé devant circuler sur la chaussée pendant sa durée de vie et de leur mode de dégradation (rupture par fatigue pour les matériaux liés ou par cumul de déformation permanente pour les matériaux non liés). La structure convient si les sollicitations induites au passage de l’essieu de référence restent inférieures ou égales aux sollicitations admissibles, pour chaque couche sollicitée mécaniquement. Le choix de la structure finale se fait par calculs itératifs intégrant, d’une part,une optimisation du fonctionnement mécanique et, d’autre part, les contraintes de faisabilité en phase de construction. La seconde étape consiste à vérifier que cette structure issue du calcul mécanique peut supporter sans désordre majeur un cycle de gel/dégel. Dans le seul cas où le sol est gélif, la vérification permet de s’assurer que le sol ne sera pas (ou que peu) atteint par le gel lors d’un hiver d’intensité donnée. Pratiquement, on compare : > L’indice de gel caractéristique de l’hiver contre lequel le maître d’ouvrage souhaite protéger la chaussée (dit « hiver de référence »), issu de données météorologiques. > Et l’indice de gel admissible par la chaussée, qui intègre la gélivité du sol en place, la nature et l’épaisseur des différentes couches de la chaussée (couche de forme et structure). La structure convient si l’indice de gel admissible est supérieur ou égal à l’indice de l’hiver choisi comme référence. A défaut, l’on peut modifier la première étape du dimensionnement en changeant le type de structure retenu initialement ou en augmentant l’épaisseur de la couche de forme, ou choisir de limiter le trafic poids lourd lors d’une période de gel/dégel (par la pose des barrières de dégel).
Les fondements de la méthode Cette démarche rationnelle s’inscrit plus largement dans un contexte technique afin, d’une part, de garantir la représentativité de la méthode et, d’autre part, de recaler les inévitables écarts résultant d’une approche purement calculatoire. La méthode repose sur le choix d’un modèle de calcul représentant de façon satisfaisante, dans le cas de chaussées neuves et continues plus particulièrement, le comportement réel des matériaux et de la structure dans son ensemble, en recourrant à un nombre limité de paramètres. Le modèle aujourd’hui retenu dans la méthode française est celui de Burmister. Celui-ci décrit la structure de chaussée comme une superposition de couches élastiques linéaires, homogènes et isotropes, dont les interfaces sont soient collées, soient glissantes ; les couches sont infinies en plan et la couche la plus profonde est d’épaisseur infinie. La charge appliquée en surface, représentative de l’empreinte du pneumatique sur la chaussée, est un disque de rayon r exerçant une pression uniforme q. Le modèle restitue en tout point la structure définie a priori , les tenseurs des contraintes et déformations. D’autres modèles pourraient également être utilisés, abordés plus loin. Cette approche est complétée, dans le cas des structures rigides ou semi-rigides présentant des discontinuités géométriques, par l’utilisation de facteurs de concentration de contrainte pré-établis et issus de calculs aux éléments finis. Le calcul des valeurs admissibles s’appuie pour sa part sur le comportement en fatigue des matériaux liés, traduisant la rupture d’une éprouvette en laboratoire pour l’application d’un grand nombre de sollicitations, et sur le caractère « plastique » des matériaux non liés, expliquant l’apparition de déformation permanente. Ces comportements sont traduits au travers de lois d’évolution et cumul de dommage de type Woehler-Miner, dont il est fait abondamment usage dans la méthode française de dimensionnement des chaussées pour simplifier, dans les calculs courants et pour un contexte donné, les descriptions statistiques du trafic et des variations climatiques.
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Celles-ci sont, en effet, ramenées aux notions de coefficient d’agressivité du trafic et de température équivalente, qui moyennent, au sens de ces lois de dommage, la complexité du réel. Ce modèle théorique nécessite donc une caractérisation mécanique des matériaux constitutifs des différentes couches. Ainsi, la plate-forme conçue sur la base d’une approche empirique [4] fait l’objet de mesures de contrôle de portance, restituant un module de rigidité global. Les matériaux utilisés dans la construction de la structure de chaussée elle-même sont, pour leur part, encadrés par un corpus technique (hier réglementaire, aujourd’hui normatif) qui standardise leurs caractéristiques performantielles. La désignation normalisée d’un matériau donné garantit ainsi l’obtention de performances minimales, validées par la réalisation d’essais en laboratoire plus ou moins nombreux (compactage, module de rigidité, fatigue) selon le niveau de fiabilité requis.
ensuite être soumises à une circulation continue, simulant un trafic routier de plusieurs années, afin d’évaluer l’évolution de leur comportement sous circulation. Des structures expérimentales en site réel font également l’objet de suivis spécifiques, soit de façon ponctuelle, soit à plus
Structures types Souples Bitumineuses épaisses Semi-rigides Rigides Mixtes Inverses
Surface Bitumineuse
de structures actuellement utilisées en France sur le réseau routier et autoroutier (tableau 1). La méthode de dimensionnement y est détaillée sous tous ses aspects. Les points principaux qui la caractérisent concernent la prise en compte : Nature des couches Base Fondation Matériaux granulaires Matériaux bitumineux
Matériaux traités aux liants hydrauliques (MTLH) Béton de ciment MTLH ou (avec ou sans dispositif de liaison) béton de ciment Matériaux bitumineux MTLH Grave non traitée Bitumineuse MTLH (12 cm) Bitumineuse
Tableau 1 Principales familles de structures de chaussées
Main pavement structures
Les hypothèses du modèle et ses résultats sont validés par des expérimentations conduites sur chaussées réelles ou expérimentales. Ainsi, les conditions de collage entre couches résultent des observations faites sur carottes réalisées in situ . Le comportement des structures elles-mêmes et leurs dégradations sous trafic sont analysés en vraie grandeur et comparés à celui prédit par la méthode. En ce qui concerne les chaussées expérimentales, le LCPC dispose d’un outil privilégié : le manège de fatigue (photo 1). Des chaussées instrumentées de forme annulaire (rayon moyen de 20m) y sont soumises à la circulation de charges correspondant à des demi-essieux de poids lourds. On peut ainsi étudier le comportement de ces structures sous différentes configurations de charges, vitesses de circulation et/ou conditions de température ; les chaussées peuvent
grande échelle (cas des chaussées en béton armé continu - BAC -, par exemple). La comparaison entre comportement réel et prédiction du modèle aide à « recaler » la méthode et de définir des coefficients dits « de calage » par famille de matériaux. C’est ainsi que de nouveaux matériaux ou types de structures peuvent être intégrés en quelques années dans la démarche de dimensionnement.
Guide technique conception et dimensionnement des structures de chaussées neuves
C’est le cas des propriétés en fatigue des matériaux mais aussi des épaisseurs des couches. Ces deux paramètres présentent un caractère aléatoire, source d’incertitude importante sur la détermination de la durée de vie réelle des structures. Cela conduit à raisonner en termes probabilistes ; ainsi, à la durée de vie d’une structure de chaussée est associé un risque qui correspond à la probabilité d’apparition de dégradations structurelles sur une surface ou un linéaire donnés. > Du trafic
Cette méthode française appliquée au cas des chaussées neuves est décrite dans le Guide technique conception et dimensionnement des structures de chaussées neuves [1]. Le guide s’applique aux six principales familles R D
Photo1 Manège de fatigue du LCPC, un outil de validation des structures
LCPC (French TR labs) fatigue test track, a structural validation tool
> Des dispersions par une approche probabiliste
Le trafic à prendre en compte pour le dimensionnement des structures est à considérer sous trois aspects : > Le trafic cumulé devant circuler sur la chaussée pendant sa durée de vie, dont seul le nombre de poids lourds (NPL) est à retenir. > L’essieu isolé à roues jumelées de 130 kN, dit essieu de référence, servant, d’une part, à représenter la charge lors du calcul mécanique et, d’autre part, à évaluer le trafic cumulé sous forme d’un nombre équivalent (NE) de passages par l’intermédiaire des coefficients d’agressivité déterminés pour les différentes classes de poids lourds. > La classe de trafic Ti (tableau 2) utilisée d’une part pour choisir le risque associé
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La méthode française de dimensionnement
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Classes Centres(MJA) Limites (MJA)
T5
T4
T3 85
T2 200
T1 T0 TS TEX 500 1 200 3 000 300 750 2 000 5 000
> la déformation verticale en surface des couches en GNT et du sol.
à la durée de vie (en général, plus le trafic est élevé et plus le risque retenu est faible), d’autre part pour spécifier les classes de matériaux ou de granulats à retenir.
est faite en terme de rigidité par une valeur du module de Young représentative de l’état hydrique le plus défavorable à l’exclusion des périodes de dégel (tableau 3).
Les limites admissibles sont calculées à partir des trois formules générales suivantes : > Déformation admissible des matériaux bitumineux : εadm = ε6 (10°C;25 Hz) x k θ x (NE/10 6)b x kr x ks x kc Les coefficients k permettent de tenir compte, respectivement, de la température, du risque, de la qualité de la portance du support, du comportement réel observé in situ . > Contrainte admissible des matériaux traités aux liants hydrauliques : σadm = σ6 x (NE/106)b x kδ x kr x ks x kc > Déformation admissible des matériaux granulaires non liés : εadm = ε1 x (NE) –0,222 avec ε1 = 12 000 sauf pour les faibles trafics ou ε1 = 16 000.
> Des conditions climatiques
> Des matériaux
Les outils généraux de calcul
Le comportement des structures est influencé directement ou indirectement par les conditions climatiques. La température affecte les caractéristiques mécaniques des matériaux bitumineux (module élastique et tenue en fatigue). Elle génère aussi des cycles d’ouverture/fermeture des fissures de retrait des matériaux traités aux liants hydrauliques. Enfin, elle est à l’origine des cambrures des dalles des chaussées rigides. Les conséquences de ces phénomènes sont prises en compte soit directement en retenant pour les matériaux bitumineux les caractéristiques mécaniques correspondant à la température équivalente de service, soit indirectement par un coefficient correcteur (kd pour les structures rigides et semi-rigides). De plus, l’incidence des périodes de gel/dégel fait l’objet d’une vérification particulière. Enfin, l’environnement hydrique des sols est pris en compte à travers le choix de la portance de la plate-forme support de chaussée.
Il s’agit essentiellement de familles de matériaux codifiés par des normes, mais le cas des matériaux non normalisés ou non conformes est aussi abordé. Les règles pour fixer les valeurs des paramètres nécessaires au dimensionnement sont explicitées famille par famille. Elles portent, pour les matériaux liés, sur : > le module élastique et le coefficient de Poisson, > les paramètres de la droite de fatigue ( σ6 ou ε6 ; -b la pente ; SN l’écart type).
25
50
150
Tableau 2 Définition des classes de trafic journalier
Definition of daily traffic classes
Classes de plate-forme Module (MPa)
PF1
PF2
PF3
PF4
20
50
120
200
Tableau 3 Classes de portance à long terme de la plate-forme support
Long-term roadbed bearing capacity classes
> De la plate-forme support de chaussée
Les règles de caractérisation des sols support et de choix des matériaux utilisables en couche de forme sont celles définies par le Guide technique réalisation des remblais et des couches de forme (GTR). La caractérisation mécanique du sol support et de la couche de forme
> De la détermination des sollicitations admissibles
La ruine de ces différentes chaussées sous l'effet du passage répété des charges est due à l'un ou l'autre (parfois aux deux) des phénomènes suivants : > la rupture par fissuration des couches liées, attribuée à la fatigue de ces matériaux rigides reprenant les efforts dus au trafic par traction/extension en flexion ; > la déformation permanente des couches non liées (grave non traitée GNT - ou sol support) due au cumul de déformations non réversibles observé en surface de ces matériaux. Par suite, les critères sur lesquels va porter l’analyse mécanique sont : > la déformation en extension à la base des couches bitumineuses ; > la contrainte en traction à la base des couches en matériau traité aux liants hydrauliques ;
Les logiciels de calcul des structures Les logiciels de calcul des structures sont en général basés sur la solution semi-analytique de Burmister (Alizé [5], Ecowin [6], etc.), mais des logiciels aux éléments finis peuvent aussi être utilisés. Les paramètres d’entrée sont : > pour chacune des couches, l’épaisseur, le module de Young et le coefficient de Poisson, > les conditions d’interface (collée-glissante), > les caractéristiques des charges (rayon de l’aire de contact, pression de contact, dispositions géométriques). Les résultats fournis sont : > les contraintes et déformations en partie haute et basse des couches, > la déflexion et le rayon de courbure. Au fil des années, ces logiciels ont connu une évolution continue, parallèlement à celle des possibilités de traitement numérique offertes par l’informatique puis la micro-informatique. Actuellement, certains logiciels ont intégré l’ensemble de la procédure de dimensionnement (calcul de structures, calcul des limites admissibles, vérification au gel/dégel, etc.) [5, 6, 7, 8] Ils présentent de plus une interface homme-machine d’une grande convivialité, tant pour ce qui concerne la saisie des données de calcul (figure 1), que la consultation
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Figure 2 Application de CÉSAR-LCPC aux chaussées de béton de ciment Modélisation des effets des gradients verticaux de température dans le béton Application of the CÉSAR-LCPC method to cement concrete pavements Modelling of vertical temperature gradient effects in concrete
Figure 1 Ecran de saisie des caractéristiques de la structure de chaussée
Pavement structure data input screen
et l’édition des résultats, des différentes aides et des bibliothèques de matériaux.
La méthode de calcul aux éléments finis Le modèle classique de calcul des contraintes et déformations s’avère trop simpliste dans un ensemble de situations où les hypothèses du modèle multicouches, continu, élastique et linéaire se justifient mal. Il est parfois nécessaire de disposer de modélisations permettant d’introduire pour les matériaux des lois de comportement autre que l’élasticité, d’avoir en tant que de besoin une représentation tri-dimensionnelle de la géométrie et une prise en compte des discontinuités du problème étudié, enfin de simuler de manière plus fidèle les chargements appliqués et les effets de bords. Ces préoccupations ont amené à développer, dans le domaine des chaussées, des modélisations relevant pour leur calcul de la méthode aux éléments finis (CÉSAR-LCPC [7]). Le développement des méthodes numériques et la puissance de calcul des ordinateurs permettent actuellement de traiter correctement : > le caractère tridimensionnel associé aux géométries non infinies en plan (ex : chaussées rigides), > les non-linéarités éventuelles liées à la modification des conditions de contact unilatérales entre couches du fait des sollicitations appliquées : gradient hydro-thermique dans le béton, poids propre, trafic (figure 2),
> la réponse sous charges roulantes de structures comportant des matériaux ayant un comportement viscoélastique, > l’élasticité non-linéaire des matériaux non traités, > le caractère tridimensionnel associé à la géométrie ou à la configuration des charges de certains problèmes.
La vérification au gel/dégel La démarche de vérification au gel/dégel, par comparaison de l’indice de gel admissible (IA) à l’indice de gel de référence (IR), comporte trois phases de calculs (figure 3) : > La première consiste à déterminer la quantité de gel admissible au niveau de la plate-forme (Q PF) en fonction des caractéristiques du sol et de la couche de forme.
> La deuxième calcule l’indice de gel de surface (IS) en fonction de Q PF et des caractéristiques géométriques et thermiques du corps de chaussée. > Enfin, la troisième permet d’aboutir à IA connaissant IS. La deuxième phase nécessite des calculs relativement complexes de propagation de la chaleur qui doivent être réalisés par un logiciel particulier, comme Gel1D du LCPC [8]. Il repose sur le modèle de Fourier, résolu sur la base d’une méthode aux différences finies. La structure y est décrite par l’épaisseur de ses couches et les caractéristiques thermiques des matériaux qui la constituent (tableau 4).
Figure 3 Schéma de la méthode de calcul de l’indice de gel admissible
Diagram of permissible frost index calculation method
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La méthode française de dimensionnement
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Matériau BB GB3 GC GL Sol A
γ (kg/m3)
2350 2350 2250 2150 1300
w (%) 1 1 3 4 32
λ ng (W/m2.°C)
λ g (W/m2.°C)
2 1,9 1,8 1,4 1,1
2,1 1,9 1,9 1,5 1,8
Documents d’application aux routes et autoroutes
Tableau 4 Caractéristiques thermiques de quelques matériaux de chaussées Thermal characteristics of some pavement materials
La méthode de calcul suppose la structure soumise à un refroidissement type. Les conditions initiales de température imposent un profil de température variant continûment, de 1°C en surface de chaussée, à 14°C à 10 m de profondeur, puis restant constant au-delà. La température de surface décroît alors dans le temps selon une loi exponentielle pour tendre progressivement vers - 5°C, provoquant la pénétration de l’isotherme 0°C dans la structure de chaussée. Le logiciel en déduit l’indice de gel en surface et à la base de la structure de chaussée.
> Catalogue des chaussées neuves sur le réseau routier national
Les documents d’application de la méthode française de dimensionnement La doctrine générale de dimensionnement des chaussées préalablement exposée
La maîtrise d’ouvrage Etat publie périodiquement un Catalogue des structures types de chaussées neuves pour son réseau national. La dernière version de ce document date de 1998 [2]. Les structures figurant dans ce catalogue sont calculées à l’aide de la méthode
Calcul des limites admissibles EME de classe 2
Type de Voie (VRS ou VNRS) Classe de trafic cumul trafic journalier (PL/j) nb de jours par an durée (année) croissance linéaire TRAFIC CUMULÉ (million) CAM EME 2 (agressivité) CAM Sol (agressivité) TRAFIC Equivalent EME 2 (million) TRAFIC Equivalent Sol (million)
Calculs des limites admissibles Les règles de calcul des limites admissibles comportent de nombreux coefficients qui offrent la possibilité de tenir compte de tous les facteurs considérés dans la méthode de dimensionnement. Le calcul peut s’effectuer dans le cadre d’une feuille Excel (figure 4) ou être intégré au logiciel de calcul de structures.
500 365 30 0,050 9,581 0,80 1 7,665 9,581 20 200 16 000
epsilon 6 (10°C-25Hz)(10 E-6) pente de la droite de fatigue : b
130 -0,175
risque (%) t coefficient Kt (temp rature) : (E(10¡C)/E(15¡C))^0,5 coefficient KT (trafic) : (Neq/10^6)^b Delta coefficient Kr (risque) coefficient Kc (calage) coefficient 1/Ks (rigidité de la couche support)
0,35
0,28 2,5
5 -1,645 1,124 0,70 0,40 0,77 1,0 1,0
EPSILON T admissible (10 E-6)
78,5
EPSILON Z admissible (10 E-6)
338,3
Paramètres choisis par l’utilisateur Paramètres définis automatiquement Résultats intermédiaires Limites admissibles Figure 4
Exemple de feuille de calcul des limites admissibles Example of permissible limit calculation data sheet
VRS TC5
E(10°C)(MPa) E(15°C)(MPa) Coefficient de Poisson
écart-type sur la loi de fatigue : sigma N écart-type sur les épaisseurs : sigma H
Ces logiciels spécialisés assurent les contrôles nécessaires pour une application correcte des règles définies par le Guide technique 1994 ou par les différents guides et catalogues. Ils sont indispensables pour optimiser les épaisseurs en fonction des caractéristiques propres du projet ou encore pour calculer des structures alternatives à la solution de base lors d’appels d’offres ouverts aux variantes. Ces outils permettent aussi de calculer une valeur admissible pour tout autre paramètre que les contraintes ou les déformations. En pratique, pour une structure donnée, ils aident à calculer un trafic, une durée de vie ou encore un risque admissible. Cette démarche est préalable au calcul d’une structure alternative par simple équivalence avec une structure de référence.
se décline de différentes façons en fonction de la nature des réseaux considérés et de la politique des diverses maîtrises d’ouvrage. Elle donne ainsi lieu à différents documents d’application succinctement présentés ci-après.
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décrite précédemment, avec des hypothèses propres au réseau national. Ainsi, traditionnellement, l’Etat adopte pour son réseau une logique d’investissement initial élevé, associé à de longues durées de vie des structures et un entretien réduit. Cette hypothèse a été maintenue dans la dernière version. Fait nouveau, le réseau a été classé en deux catégories de voies : > les voies du réseau structurant (VRS), à caractère autoroutier ; > les voies du réseau non structurant (VRNS), correspondant aux autres routes.
Les premières adoptent une durée de calcul des structures de 30 ans et des valeurs élevées des coefficients d’agressivité du trafic lourd ; les secondes une durée de calcul de 20 ans et des coefficients d’agressivité moindres. Ces hypothèses distinctes conduisent à des structures différentes, présentées dans deux jeux de fiches différents. Chaque fiche récapitule pour un type de structure donné et des matériaux d’assise fixés (par exemple GB3/GB3, (figure 5) les épaisseurs à mettre en œuvre pour un ensemble de couples classe de plate-forme/classe de trafic
donné, et propose des abaques permettant de vérifier la conformité de la structure au gel/dégel. Cette nouvelle édition du catalogue innove en retenant : > Trois classes de plate-forme : PF2, PF3 et PF4, encourageant ainsi le recours à des plates-formes de qualité élevée (et en abandonnant les PF1, jugées trop médiocres). > Sept classes de trafic cumulé, couvrant ainsi un spectre de trafic allant de quelques centaines de milliers de poids lourds (TC2) à plusieurs dizaines de millions (TC8). Au total, ce sont 25 fiches pour les VRS et 27 pour les VRNS décrivant autant de structures différentes qui sont proposées au projeteur. > Guide des variantes
Un guide variantes est paru depuis 1998 [3], qui définit les règles de conception des solutions variantes dans le cadre des appels d’offres pour les marchés publics de l’Etat. Il est destiné à la maîtrise d’œuvre et aux entreprises. Ces variantes peuvent porter sur : > les couches de surface (matériaux et épaisseurs) ; > les couches d’assise (matériaux, épaisseurs, combinaison base/fondation) ; > la couche de forme (matériaux et épaisseurs), et > sur les matériaux : >> ayant soit fait l’objet d’un avis technique SETRA/LCPC, soit d’un certificat technique dans le cadre de la Charte de l'innovation routière ; >> appartenant sinon aux classes de matériaux normalisés, mais avec possibilité de valoriser dans certaines limites et sous certaines conditions des performances supérieures aux valeurs normalisées.
Figure 5 Exemple de planche de structures du catalogue du réseau routier national Example of national roadnetwork catalogue of structures
Les propositions de variante doivent, par ailleurs, respecter les choix du maître d’ouvrage spécifiés dans le document de consultation des entreprises (DCE). Les hypothèses de dimensionnement qui auront conduit à la solution de base devront être explicitées. Un appel d’offres sera d’autant plus riche que la consultation sera lancée en amont, afin que les différents acteurs maîtrisent bien toutes les données d’une éventuelle modification du projet de base.
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La méthode française de dimensionnement
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> Document spécifique aux autoroutes
Le Manuel de conception des chaussées d’autoroutes, conçu et édité par Scetauroute est un exemple d’application dédié aux structures autoroutières. Il s’inscrit dans le cadre de la méthode française de dimensionnement, avec des hypothèses spécifiques à ces grands chantiers. Compte tenu du niveau de service élevé visé sur autoroutes et du caractère industriel des travaux, la conception des chaussées d’autoroutes tient compte des particularités suivantes : > exigences élevées sur les caractéristiques de surface (uni, adhérence, profil en travers, bruit, etc.), > minimalisation de la gêne aux usagers liée aux travaux d’entretien, > régularité de la qualité des travaux (compacités, épaisseurs), > valorisation des matériaux locaux du tracé, > conception globale et réalisation coordonnée des ouvrages de terrassements et de chaussées. Ce contexte implique des choix et des hypothèses particulières qui diffèrent de celles présidant à la conception des routes traditionnelles. La gamme de trafic est étendue vers le haut et ouverte, pour des dimensionnements à l’étranger, sur l’essieu européen de 115 kN. Les classes de plate-forme sont adaptées au trafic chantier lourd et intense, avec des critères de réception à court et long terme spécifiques. La prise en compte de la qualité des travaux et de sa régularité se traduit directement en terme de dimensionnement par des dispersions minimisées. La durée de vie est adaptée à chaque type de structure (15 ans pour les structures souples et tout bitume, 20 ans pour les structures mixtes, 25 ans pour les structures en béton), et assortie d’une stratégie d’entretien préventif. Le manuel propose, en outre, une méthode de vérification au gel simplifiée, qui intègre la protection mécanique apportée par les couches de forme traitées. Enfin, le manuel définit des structures pour aires de service et de repos, et donne les grands principes de conception des revêtements pour ouvrages d’art.
> Chaussées à faible trafic
Les chaussées à faible trafic, de 0 à 150 poids lourds/jours par sens de circulation, nécessitent une approche différente due à leurs caractéristiques spécifiques par rapport aux réseaux routiers et autoroutiers nationaux. Elles se caractérisent par : > Une stratégie de dimensionnement et d’entretien variable d’une maîtrise d’ouvrage à l’autre (collectivités locales, départementales, etc.), qui se traduit par des durées de vie de calcul pouvant varier de 10 à 50 ans (cas de la Ville de Paris) et, en général, des niveaux de risque plus élevés (jusqu’à 45 %). > Une politique de valorisation des matériaux locaux, voire des déchets, produits par la collectivité elle-même. La palette des matériaux utilisables est donc très large : aux matériaux normalisés s’ajoutent les matériaux locaux et les déchets valorisables en technique routière. > Une prise en compte des problèmes de gel/dégel moins contraignante au plan structurel dans la mesure où la pose de barrières de dégel peut être envisagée pour des hivers de rigueur non exceptionnelle. En conséquence de ces spécificités, le « Manuel de conception des chaussées neuves à faible trafic » est plus un guide pour la conception et le dimensionnement qu’un catalogue de structures pré-calculées comme le catalogue 1998 de la Direction des routes. Il s’adresse aux spécialistes en charge d’établir des catalogues locaux ou régionaux évoqué plus loin, mais peut aussi être utilisé pour définir des structures par simple lecture des abaques d’application qu’il contient. Actuellement en cours de révision, ce manuel verra privilégié son rôle de guide pour la réalisation de catalogues régionaux. La méthode et les paramètres de dimensionnement, en conformité avec le Guide technique de 1994, seront largement explicités pour les grandes familles de structures de chaussées (souple, bitumineux, semi-rigide et rigide) les plus adaptés au faible trafic. > Guide de renforcements
Les études nécessaires à la mise en place des programmes de renforcements coordonnés des années 1968 à 1985 ont conduit à une évolution des connaissances
et pratiques synthétisées par le réseau technique dans les documents ci-après : > Guide d’auscultation des chaussées [9], > Guide pour l’auscultation des chaussées à assise traitée aux liants hydrauliques [10], > Guide technique de dimensionnement des chaussées souples [11]. Depuis cette période, les structures rencontrées sur les réseaux routiers ont changé. Il y a eu une réduction du linéaire de chaussées à structures souples au profit des linéaires de structures bitumineuses épaisses, de structures semi-rigides et de structures mixtes. Les moyens de reconnaissance se sont améliorés, d’une part, au niveau des paramètres mesurables par les appareils à grand rendement (rayon de courbure et bassin de déflexion en complément de la déflexion) et, d’autre part, grâce à un nouveau matériel tel que le déflectographe avec inclinomètre, le curvimètre, le Falling Weight Deflectometer (FWD ) pour la déformabilité ou encore le RADAR pour la connaissance de l’homogénéité de la structure, etc. Il en est de même des moyens de traitement et d’analyse des données avec les banques de données routières et les logiciels de calcul et de modélisation du comportement des structures comme Alizé, Ecoroute ou encore CÉSAR pour les structures discontinues. Ces évolutions ont été accompagnées par une codification des pratiques sous forme de normes, méthodes d’essais ou d’études LCPC. De ces évolutions, on notera les documents les plus récents ci-après : > « Actualisation du guide de dimensionnement des renforcements des chaussées souples » [12], > « Aide à la gestion de l’entretien des réseaux routiers - volet chaussées » avec ses 5 méthodes (M1 : connaissance des réseaux routiers, M2 : évaluation et suivi des réseaux routiers, etc.) [13], > « Guide d’entretien des chaussées béton » [14]. Actuellement, une opération de mise à niveau et d’actualisation des documents des années 70-80 est en cours, sous l’égide du Comité français pour les techniques routières (CFTR). Ce futur document, provisoirement baptisé « Dimensionnement des renforcements de chaussées Méthodologie », doit être conçu
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comme une référence méthodologique, d’une part, pour l’auscultation et le diagnostic des chaussées et, d’autre part, pour la conception des solutions d’entretien. Il s’appuiera sur les connaissances actuelles et l’expérience des experts, et devrait être applicable sur toutes les chaussées sauf les chaussées en béton. > Les catalogues régionaux
La parution du manuel de conception « Chaussées neuves à faible trafic » de 1981 avait suscité le besoin de catalogues de structures régionaux (Ouest - 1981 -, Ile-de-France - 1984 -, Midi-Pyrénées - 1985 -, Centre - 1990) et locaux (Communauté urbaine de Lille, départements de Seine-Maritime et de Saône-et-Loire). L’arrivée (1998) du catalogue des structures types de chaussées neuves pour le réseau routier national fut un élément déclenchant pour une refonte des catalogues régionaux. Ainsi le club d’échanges d’expériences sur les routes départementales Ouest a publié une nouvelle version en 2002 intitulée « Guide pour la construction des chaussées à faible trafic - Bretagne, Pays-de-la-Loire » et le catalogue des structures de chaussées Ile-de-France est en cours de publication. Pour des facilités d’emploi, ces catalogues régionaux présentent des structures types fonction des classes de plate-forme et de trafic, directement applicables par les projeteurs. Qualification de la portance de PST (1)
Pourquoi des catalogues de structures régionaux ou locaux ? Essentiellement pour prendre en compte les politiques techniques des maîtrises d’ouvrage locales ou départementales. Ainsi, la stratégie de dimensionnement des structures de chaussées retient des durées de calcul qui influent sur les dépenses d’entretien. Les durées de calcul retenues par la maîtrise d’ouvrage des régions Ouest furent de 12 ans pour la rase campagne et de 20 ans pour le milieu urbain en présence de bordures de trottoir. Ces durées étaient jugées satisfaisantes compte tenu des niveaux faibles de trafic et des cycles d’entretien généralement appliqués sur ces types de voies. Même pour de faibles linéaires, la maîtrise des coûts des travaux passe par une reconnaissance géotechnique adaptée. Ainsi, une démarche simplifiée d’application du GTR est utilisée dans le guide Ouest. Ce sont les expériences régionales, par la spécificité des sols rencontrés, les différentes mesures de portance sur chantier et les comportements dans le temps des structures qui ont conduit à : > Ecarter la classe de portance PF1 qui posait problème. > Diviser la classe PF2 en PF2- et PF2+, cette dernière étant caractéristique des couches de forme granulaires qui présentent fréquemment un module de rigidité compris entre 80 et 120 MPa (tableau 5). > Retenir la classe PF3 pour les couches de forme traitées.
Contexte de réalisation Déblai sans drainage
Sols déformables à très déformables
Sols peu déformables mais sensibles à l’eau Sols très peu déformables insensibles à l’eau
Déblai avec drainage profond
Epaisseur de couche de forme pour une classe de plate-forme PF20,75 m (0,20 m de 0/63 + 0,55 m de 0/150) ou 0,60 m (0,20 m de 0/63 + 0,40 m de 0/150) sur géotextile 0,60 m (0,20 m de 0/63 + 0,40 m de 0/150) ou 0,50 m de 0/63 sur géotextile
Déblai sans drainage
0,45 m de 0/63
Remblai ou déblai avec drainage
0,30 m de 0/63
Remblai ou déblai
Couche de réglage de 10 cm
d’épaisseur de 0/31,5 ou 0/20
Tableau 5 Exemple d’adaptation du GTR : décomposition de la classe PF2 en PF2- et PF2+ Epaisseurs des couches de forme en matériaux granulaires nécéssaires
Example of adaptation GTR (Road Earthworks Guide): Breakdown of Class PF2 into PF2- and PF2+ Required thickness of granular material subgrade layers
La nature de la couche de roulement reste stratégique pour les maîtres d’ouvrage. Elle traduit un niveau de service pour les usagers et le confort des riverains (dans le cas d’emploi d’enrobés phoniques). Ainsi, les enrobés sont généralement appliqués pour les zones en agglomération et les trafics les plus agressifs, les enduits retenus pour les faibles trafics en rase campagne (en zone peu urbanisée).
La voirie urbaine L'application aux chaussées urbaines de la méthode de dimensionnement se trouve confrontée aux spécificités du contexte urbain qui imposent des contraintes particulières. Ces contraintes sont liées à la prise en compte : > de l'aspect multifonctionnel de la voirie urbaine (photo 2). La voirie urbaine se caractérise par la multiplicité des fonctions à assurer vis-à-vis d'un grand nombre d'usagers : automobilistes, poids lourds, transports en commun, deux roues, piétons, riverains. La hiérarchie des objectifs assignés aux liaisons routières est modifiée : outre les objectifs de solidité, de confort et de circulation des véhicules, les préoccupations d'esthétique, d'intégration dans un projet d'aménagement et de limitation des nuisances peuvent devenir prépondérantes. > des paramètres économiques et, en particulier, ceux liés à l'entretien
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Epaisseur de couche de forme pour une classe de plate-forme PF2+ 1,00 m (0,20 m de 0/63 + 0,80 m de 0/150) ou 0,85 m (0,20 m de 0/63 + 0,65 m de 0/150) sur géotextile 0,80 m (0,20 m de 0/63 + 0,60 m
de 0/150) 0,60 m (0,20 m de 0/63
+ 0,40 m de 0/150) 0,45 m de 0/63 Couche de réglage de 20 cm
d’épaisseur de 0/31,5 ou 0/20 Si EV2 > 120 MPa obtention de PF3
PST : plate-forme supérieure de terrassement (1)
La méthode française de dimensionnement
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> Des durées de vie adaptées Le choix de la durée de vie se fonde sur les principaux points suivants : >> le taux de renouvellement réel des structures basé sur la tenue d'un historique et de statistiques sur les surfaces reconstruites ; >> l'occupation du sous-sol par différents réseaux. Le choix de la durée de vie doit prendre en compte la fréquence des interventions sur ces réseaux : par exemple 10, 20, ou 30 ans pour, respectivement, des interventions très fréquentes, fréquentes et très peu fréquentes. >> l'existence d'un règlement de voirie fixant les procédures des interventions sous chaussées ; >> l'évolution de l'urbanisme et l'importance des projets de requalification de la ville.
Photo 2 La voirie urbaine : la multiplicité des fonctions
Urban roadways: multiplicity of functions
et aux réparations. La capacité de réparation est un point important pour les chaussées urbaines qui font l'objet de travaux liés à la présence de réseaux enterrés. Ils doivent se faire avec un triple souci de rapidité, de simplicité et de faisabilité avec des matériaux disponibles en petite quantité. > du contexte d'environnement et d'aménagement spécifique. Des considérations d'ordre esthétique ou visuel peuvent imposer une couche de roulement spécifique ou de couleur claire, ou d'aspect particulier, par exemple pavage en pierre naturelle pour s'intégrer au mieux à proximité d'un monument historique. > de la réduction des nuisances sonores qui passe par le choix de revêtements peu bruyants, > de la possibilité de réalisation des chantiers généralement sous circulation, > etc.
>> la réhabilitation de chaussées existantes, avec contraintes d'épaisseur. Dans ce cas le niveau final de la chaussée est fixé, la desserte des immeubles devant être assurée dans les mêmes conditions qu'auparavant ; l'épaisseur de la chaussée à réaliser dépend directement de celle en place. Pour résoudre ce problème un choix judicieux des matériaux en fonction de leurs performances permet d'obtenir l'adéquation entre les contraintes calculées et celles admissibles par les matériaux.
D'autres aspects, en revanche, sont plutôt favorables vis-à-vis de la durabilité des chaussées urbaines comme l'agressivité du trafic nettement plus faible que celle sur routes nationales, la portance élevée du sol support des anciennes chaussées qu'il sera important de préserver dans le cas d'une reconstruction, ainsi que l'imperméabilisation des chaussées qui est en général soignée, etc. Le dimensionnement des chaussées urbaines doit également tenir compte d’un certain nombre de paramètres spécifiques : > Des règles particulières de conception En milieu urbain, la conception d'une structure de chaussée se présente suivant trois contextes bien distincts : >> la réalisation de chaussées neuves, sans contraintes d'épaisseur dans les zones en extension ou en rénovation d'urbanisme (ZAC, lotissements),
> Des conditions climatiques moins sévères. Le contexte urbain se traduit pour le corps de chaussée par moins d'eau et moins de froid. Le gel n’est pas souvent facteur de dimensionnement. > Guides, catalogues et logiciels pour voirie urbaine
Des documents spécifiques à la voirie urbaine ont été établis à l’intention des projeteurs. Au niveau national, on peut citer le Guide de dimensionnement des structures des chaussées urbaines du Centre d’étude sur les réseaux, les transports, l’urbanisme et les constructions publiques (CERTU) ainsi que le Guide pratique de la voirie urbaine [15]. Ils sont complétés par deux logiciels spécifiques : Struc-Urb pour le dimensionnement des structures de chaussées urbaines (CERTU) et VoiriB. pour le dimensionnement et la mise en œuvre des chaussées revêtues de pavés ou de dalles en béton (CERIB).
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Au niveau local, comme les qualités recherchées en voirie urbaine sont nombreuses et leur hiérarchisation variable d’une maîtrise d'ouvrage à l’autre, un certain nombre de grandes métropoles ont souhaité disposer de catalogues de structures types leur pour répondre plus spécifiquement à leurs besoins. Cette démarche permet une simplification et une standardisation des types de structures y compris en terme d'épaisseurs des couches à mettre en œuvre.
Cette formule fournit une épaisseur réelle pour un massif homogène constitué d’une GNT, concassée et bien graduée, ayant un module de déformation de 500 MPa reposant sur un support défini par son CBR. > Chaussées rigides aéronautiques
Le critère de dimensionnement des chaussées rigides est la contrainte admissible σa de traction par flexion dans la dalle de béton.
aéronautiques). Celui-ci permet de dimensionner des chaussées souples ou rigides à partir d’un trafic plus ou moins complexe. > Les documents d’application
Les documents d’application sont regroupés en trois volumes [16]. Le volume 1 présente de manière détaillée les règles de dimensionnement ; le volume 2 est un manuel pour l‘utilisateur qui comporte
Les chaussées aéronautiques Le contexte des chaussées aéronautiques a toujours eu une dimension plus internationale que celui des chaussées routières. Aussi la méthode de dimensionnement des chaussées aéronautiques utilisée en France restet-elle fortement inspirée de la méthode américaine de type semi-empirique, qui prévaut dans le monde. Signalons toutefois que l’ouverture au trafic d’aéronefs de plus en plus lourds, pour la prise en compte desquels la méthode actuelle se heurte à des difficultés d’extrapolation, a récemment relancé un certain nombre de travaux de recherche expérimentaux et théoriques en vue d’une évolution vers une méthode rationnelle plus élaborée et plus apte à intégrer les évolutions du secteur.
Figure 6 Abaques de dimensionnement des structures aéronautiques Structural design charts for airfield pavements
> Chaussées souples aéronautiques
Le dimensionnement des chaussées souples aéronautiques repose sur la méthode CBR (California Bearing Ratio ) du Corps of Engineers . Le complexe formé par le sol support et la chaussée est assimilé, dans un premier temps, à un massif semi-infini, homogène isotrope de type Boussinescq. Le critère retenu pour le dimensionnement des chaussées souples est celui de la contrainte verticale σz au niveau du sol support. La formule CBR permet de calculer l’épaisseur e de chaussée pour laquelle est admissible la contrainte verticale produite par une charge P appliquée 10 000 fois avec une pression q uniformément répartie sur l’aire a d’un cercle.
Le moment de flexion de la dalle est calculé par la méthode de la Portland Cement Association (PCA) avec les hypothèses de Westergaard (le sol se comporte comme un liquide dense, il est caractérisé par son module de réaction K, la théorie des plaques est appliquée à la dalle, les charges sont situées au centre d’une dalle infinie). Les abaques de dimensionnement permettant de calculer les moments de flexion pour tous les types d’atterrisseurs ont été élaborés par Ray et Pickett de la PCA. Ils ont été construits en s’appuyant sur une relation entre la charge appliquée, le module de réaction K0 du sol support, l’épaisseur de la dalle et la déformation de celle-ci.
des abaques relatifs aux avions ; enfin, le volume 3 est consacré aux charges admissibles par les pistes. A titre d’exemple (figure 6), dans le cas des chaussées souples, on détermine pour un avion donné en fonction de la charge P0 et du CBR du sol support, l’épaisseur équivalente à mettre en œuvre. En fonction de cette épaisseur déterminée, on utilise un deuxième abaque qui donne l’épaisseur équivalente de matériaux bitumineux à mettre en œuvre. Le passage des épaisseurs équivalentes aux épaisseurs réelles est possible par l’introduction de coefficients d’équivalence entre le matériau réel mis en œuvre et la grave de référence.
> Les outils
Les autres chaussées spécifiques
Ces différents abaques ont été informatisés dans les logiciels Souplex et Rigix qui ont, par la suite, été regroupés sous le logiciel DCA (Dimensionnement des chaussées
> Les chaussées réservoir
Elles sont en fait des chaussées multifonctions (figure 7).
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La méthode française de dimensionnement
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En ce qui concerne le support, la mise en place d’une étanchéité sous la couche de fondation permet la prise en considération des caractéristiques habituelles des sols à travers des indices de plate-forme (Pfi). Dans le cas d’une infiltration sous chaussée, la perte de portance des sols doit être prise en compte et conduit à une surépaisseur de la couche de base. > Les infrastructures de transport en commun
La méthode de calcul par éléments finis a ouvert de nouvelles perspectives au dimensionnement assez largement empirique des infrastructures pour tramways sur rails. L’une des particularités de ce problème tient à la présence du rail, de son montage sur des traverses avec des pièces d’appui intermédiaires. Des applications plus récentes concernent le nouveau concept de tramway guidé sur pneus, comportant en partie centrale un rail de guidage reprenant des efforts appréciables de basculement et de soulèvement. Dans les deux cas, les structures ne peuvent être représentées que par des modèles tri-dimensionnels (figure 8). Moyennant la transposition au domaine ferroviaire de la démarche de dimensionnement rationnelle des structures routières, ce type de modèle a été appliqué pour l’étude du dimensionnement des infrastructures de divers projets de tramways, notamment avec la RATP et Semaly.
Figure 7 Structures types de chaussées réservoir Typical reservoir pavement structures
A la fonction de base qui est d’assurer la circulation et le stationnement des véhicules viennent s’ajouter : > une fonction hydraulique de régulation des eaux de ruissellement, > parfois, une fonction acoustique de réduction des nuisances phoniques générées par la circulation des véhicules, > souvent, une fonction de dépollution car les matières en suspension contenant des éléments dangereux sont en partie retenues dans les matériaux filtrants. Un double dimensionnement est à réaliser. D’abord, un calcul hydraulique pour définir les besoins de stockage en eau, puis après avoir choisi un type de structure, un calcul de mécanique des chaussées pour déterminer l’épaisseur de la couche de base.
>> Dimensionnement hydraulique Les éléments nécessaires pour calculer un projet sont : > Le rapport de la surface imperméabilisée à la surface de la chaussée réservoir (Si/Sr). La surface des espaces verts est généralement exclue mais pas celle des constructions dont on souhaite aussi stocker les eaux de pluie. > Les caractéristiques de l’averse de référence. Il s’agit, en général, de l’orage décennal. >> Dimensionnement strcturel La tenue mécanique de la structure est assurée en dimensionnant la couche de base, en tenant compte des caractéristiques mécaniques des matériaux utilisés : enrobé drainant, enrobé à haut module, béton poreux, etc.
> Les chaussées de plates-formes industrielles
Le dimensionnement de ces structures de chaussées doit tenir compte de leurs spécificités liées essentiellement aux caractéristiques des engins, de leur plan de circulation et des stocks qui les solliciteront : > charge par roue souvent très élevée ; plusieurs dizaines de tonnes (photo 3), > des chargements répétés en nombre parfois faible (quelques milliers de passages) et plus ou moins canalisés selon les plans de circulation mis en oeuvre. Il en résulte des paramètres de dimensionnement, en particulier ceux liés à la fatigue des matériaux, en limite du domaine de validité de la méthode. > pression de contact roue-revêtement élevée (2 à 10 MPa) ou présence de charges statiques nécessitant
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un choix de matériaux résistants au poinçonnement, > charges caractérisées par des vitesses de déplacement faibles de quelques km/h, voire nulles (engins à l’arrêt) qui influent, pour des matériaux viscoélastiques, sur la rigidité à prendre en considération dans les modèles de calcul, > engins à essieux multiples nécessitant l’emploi de logiciels permettant leur prise en compte simultanée ; > exposition aux sollicitations climatiques différente de celle des routes dans le cas d’aires abritées (variations de température moindre, absence de pluie et gel, etc.). Le dimensionnement de ces chaussées se révèle encore problématique, notamment lorsque celles-ci peuvent également servir d’aires de stockage. Il faut alors concilier les approches de dimensionnement de chaussées avec celles de dimensionnement de dallage pour charges statiques, qui ne relèvent pas, en l’état actuel des documents, des mêmes approches.
Développements et perspectives La tendance générale dans le monde est aujourd’hui à l’infléchissement des méthodes de dimensionnement vers des approches de type rationnel et à leur amélioration, ceci en combinaison avec le développement de méthodes performantielles de caractérisation des matériaux. Dans le domaine aéronautique, la principale motivation pour une telle évolution tient à l’augmentation du trafic aérien et à l’avènement de porteurs de plus en plus lourds (tel que prochainement l’A 380) vis-à-vis desquels l’extrapolation des méthodes empiriques ou semi-empiriques traditionnelles n’est pas garantie. Dans le domaine routier, les motivations sont multiples et plus ou moins explicites. Citons les principales : > Nécessité de pouvoir prendre en compte l’émergence de solutions techniques (matériaux, structures) de plus en plus nombreuses, souvent alternatives aux solutions classiques et pour lesquelles les méthodes anciennes
Figure 8 Tramway de Strasbourg, vue de la voie en cours de montage et du modèle EF-3D CÉSAR
Strasbourg tramway. View of track during setup, and CÉSAR EF-3D model
de caractérisation des matériaux ne s’appliquent pas toujours, ni les méthodes empiriques de dimensionnement jugées trop longues à fournir des réponses (même s’il ne sera jamais possible dans ce domaine de faire l’économie d’essais en vraie grandeur avec des durées d’observation suffisamment longues). > Souhait de parvenir au niveau international à des normes performantielles homogénéisées, sur la base d’essais jugés réellement pertinents vis-à-vis du comportement des structures. > Généralisation de l’utilisation d’outils de gestion pour l’entretien des chaussées (Pavement Management System), qui nécessitent de s’appuyer sur des lois d’évolution fiables d’état des chaussées et de règles performantes d’aide à la décision d’entretien des chaussées. Les progrès réalisés en mécanique des chaussées dans les moyens d’essai en laboratoire ou in situ, les modèles et les méthodes de calcul rendent a priori ces objectifs de plus en plus réalistes. Néanmoins, il est important ici de relativiser l’impact potentiel de ces progrès sur les méthodes de dimensionnement stricto sensu. Si, en effet, les facteurs de progrès mentionnés plus haut ont des apports directement tangibles et valorisables en tant que tels sur l’étude et la modélisation du comportement des matériaux et structures de chaussées, il reste toujours difficile d’en faire bénéficier les méthodes de dimensionnement. Les raisons à cela sont profondes.
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Photo 3 Elévateur à bateaux équipé de 16 roues pouvant être chargées à 70 t chacune
Boat lift equipped with 16 wheels, each with a loading capacity of 70 t
Les méthodes de dimensionnement de chaussées comportent par nature tout un ensemble de données « floues », à distributions statistiques plus ou moins connues au stade d’un projet, liées aux incertitudes sur les matériaux en place, à la réalisation de l’ouvrage, à la description du trafic, aux conditions environnementales et à leurs variations ; ce qui, d’une part, rend particulièrement complexe le problème à traiter et, d’autre part, « lisse » et relativise toute précision apportée sur la connaissance et la description du comportement des matériaux et des structures.
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La méthode française de dimensionnement
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C’est sans doute l’une des raisons pour lesquelles la plupart des méthodes rationnelles en restent actuellement au stade des modèles multicouches élastiques, leurs évolutions consistant à déterminer les valeurs des paramètres (modules, déformations admissibles, coefficient de calage, etc.) associées à chaque nouveau matériau ou technique de construction. Néanmoins, l’on peut tenter de dégager sans donner de calendrier certaines perspectives d’évolution sur le fond de ces méthodes, sur la base de travaux engagés en France comme à l’international, notamment aux Etats-Unis dans le cadre du programme Superpave.
Matériaux granulaires non liés (sols, graves) et chaussées souples Les comportements génériques réversibles de ces matériaux, de type élasticité non linéaire et anisotrope pour la gamme usuelle des sollicitations routières ( < 1 0-3), sont aujourd’hui bien connus, grâce notamment aux études en laboratoire sur cellules triaxiales à chargements répétés (TCR) [17]. La programmation de telles lois de comportement à l’intérieur de modèles aux éléments finis tri-dimensionnels ou à symétrie de révolution permet ainsi de mieux appréhender au cas par cas (à matériau fixé et à teneur en eau donnée) le comportement des chaussées souples au passage de poids lourds. En raison des difficultés mentionnées (diversité des matériaux non liés, variabilité de leur comportement en fonction de la teneur en eau, etc.), ces travaux n’ont pas donné lieu pour l’instant à de nouvelles règles de calcul des chaussées souples, mais on est en droit de penser que ce sera là une évolution assez prochaine des méthodes de dimensionnement. Les recherches actuelles portent sur la prédiction des déformations permanentes dans les couches de sols et GNT, et plus spécifiquement sur le passage des résultats d’essai TCR au terrain, en s’intéressant cette fois à la partie irréversible du comportement des matériaux non liés. La démarche reste encore à finaliser et à valider dans le cas
d’essais sous conditions de trafic et teneur en eau contrôlées, avant d’envisager de possibles transpositions à l’intérieur de méthodes de dimensionnement.
Bétons bitumineux et chaussées bitumineuses épaisses Les travaux menés ces dernières années ont confirmé la pertinence et la quasi-universalité du modèle de Huet & Sayegh (1963) [18, 19]. comme mode de description du module complexe des bétons bitumineux en fonction de la fréquence et de la température. La pertinence du modèle et sa plus grande justesse comparées aux modèles élastiques a également été démontrée à l’échelle de structures de chaussée routière et aéronautique, par des comparaisons entre mesures de déformation au passage de charges roulantes et résultats de calcul visco-élastique aux éléments finis [20, 21, 22, 23]. L’introduction du modèle de Huet & Sayegh à l’intérieur d’un programme semi-analytique de calcul de multicouches viscoélastiques est en cours au LCPC. Il permettra d’obtenir des résultats en un temps nettement inférieur à celui des modèles aux éléments finis et de mieux évaluer l’apport potentiel de ce type d’outil pour le dimensionnement des chaussées, en comparaison aux modèles élastiques actuels. De multiples études et recherches, dont certaines sont en cours, restent par ailleurs nécessaires dans le domaine du dimensionnement des chaussées bitumineuses et de prédiction de leur évolution. Citons parmi celles-ci : > La comparaison entre les phénomènes d’endommagement par fatigue des enrobés bitumineux se produisant en laboratoire au cours des essais de fatigue usuels et ceux se produisant sur le terrain, compte tenu des temps de repos entre véhicules, des capacités d’autoréparation du matériau, de la création avérée de fissures, etc. > La prédiction du phénomène d’orniérage (une démarche analogue à celle menée sur les déformations permanentes des matériaux non traités semble possible). > La prise en compte des enrobés à froid dans le dimensionnement des couches
structurantes, étant donné les propriétés fortement évolutives de ces matériaux sur la durée de vie des chaussées.
Chaussées rigides, chaussées spéciales Un besoin important dans ce domaine concerne l’accélération des temps de calcul des modèles aux éléments finis, qui sont généralement utilisés pour l’analyse de ces structures, à géométries discontinues et comportement non linéaire (du fait de conditions de contact unilatérales). Plusieurs voies sont examinées dans ce sens au LCPC, notamment à l’aide d’éléments finis de type nouveau, à géométrie plane (2D au lieu de 3D) et cinématique enrichie. Il est attendu également que l’utilisation de tels éléments fournisse un moyen d’analyse rapide des phénomènes de fissuration dans les chaussées et permette ainsi de dégager et mieux comprendre les lois d’évolution de ce type de pathologie sur chaussée neuve ou renforcée.
Approches probabilistes explicites Le dimensionnement des structures est inéluctablement environné d’une notion de risque, liée au caractère statistique ou probabiliste de nombreux de paramètres en jeu. Un certain nombre de travaux tendent aujourd’hui à opérer explicitement sur les distributions statistiques relatives aux données du problème et à restituer les résultats de calcul, telle que la durée de vie de l’ouvrage en fonction de son dimensionnement, sur le même mode. Ce type d’approche rend compte par principe de la sensibilité des résultats vis-à-vis des nombreuses données à caractère aléatoire du problème et présente l’intérêt pour le projeteur de quantifier et illustrer concrètement le risque lié au choix d’un dimensionnement.
Chaussées à longue durée de vie Mentionnons pour finir ce bref tour d’horizon, non exhaustif, sur les études en cours dans le domaine du dimensionnement des chaussées,
RGRAN°823 décembre 2003
quelques réflexions et recherches connexes portant sur les chaussées à très longue durée de vie structurelle (à condition d’un entretien de surface adapté). L’origine de ces travaux provient en partie de la constatation faite dans certains pays de l’existence de chaussées, notamment de type bitumineuse épaisse, à durées de vie avérées, en trafic cumulé, bien supérieures aux valeurs de projet. D’où un certain nombre d’études visant à expliquer les écarts observés, à modifier en conséquence les méthodes de dimensionnement et à expliciter les règles de conception et construction de telles chaussées. Parmi les explications recherchées figure celle de l’existence d’un seuil en fatigue des enrobés bitumineux, sous sollicitation réelle de trafic - distincte des sollicitations entretenues souvent utilisées en laboratoire - ou encore l’effet du vieillissement des liants bitumineux en couche de base, dont l’augmentation bénéfique de module, et donc de diminution des déformations, l’emporterait sur l’effet négatif de fragilisation du matériau et d’abaissement de ses performances en fatigue.
Conclusion Le dimensionnement des chaussées reste une discipline ouverte face à : > l’évolution du contexte d’exploitation des ouvrages, > la diversité croissante des matériaux et techniques offerts à la construction, > l’avènement des méthodes performantielles de caractérisation des matériaux. L’orientation des méthodes de dimensionnement vers des approches de type rationnel est aujourd’hui la voie généralement suivie par l’ensemble des pays pour répondre à ces défis. Toutefois, l’évolution sur le fond de ces méthodes, afin d’augmenter leur caractère prédictif et pouvoir diminuer la part d’essais in situ, reste une tâche techniquement ardue, qui ne peut résulter que de multiples progrès amonts en mécanique des chaussées. Pour clore ce chapitre, nous voudrions insister à la fois sur le contenu pédagogique généralement riche des manuels et méthodes de dimensionnement des chaussées,
qui par nature sont le lieu de convergence d’un grand nombre de savoirs, mais aussi sur le besoin de les lire et de les mettre en œuvre en gardant à l’esprit les notions générales de mécanique, telles que tenseurs de contrainte et de déformation, lois de comportement écrites sous forme tensorielle, interprétation des états de contrainte dans le plan de Mohr-Coulomb, etc. La vocation des méthodes de dimensionnement à être opératoire conduit en effet souvent à afficher les résultats sous une forme réductrice, qui risque d’obérer la vision d’ensemble du comportement des ouvrages calculés et de faire oublier les hypothèses et limites des modèles théoriques manipulés.
Bibliographie
[1] « Conception et dimensionnement des chaussées neuves », guide technique SETRA-LCPC, 1994 [2] Catalogue des structures types de chaussées neuves, SETRA-LCPC,1998 [3] « Construction des chaussées neuves sur le réseau routier national - Spécifications des variantes », guide technique SETRA-LCPC, 2203 [4] Guide technique pour les terrassements routiers, LCPCSETRA, 1992 [5] Alizé - LCPC: logiciel de dimensionnement des chaussées, diffuseur ITECH [6] Ecowin :logiciel de dimensionnement des chaussées,diffuseur Ponts Formation Editions [7] Progiciel CÉSAR-LCPC,modules de calcul ainsi que de préet post-processeurs graphiques spécifiques aux applications routières, diffuseur ITECH [8] Gel1D : logiciel LCPC de calcul thermique dans les chaussées, diffuseur LCPC [9] Guide d’auscultation des chaussées souples (sous la direction R. SAUTEREY et P. AUTRET), Collection du LCPC, éditions Eyrolles, 1977 [10] Guide pour l’auscultation des chaussées à assise traité aux liants hydrauliques - éditions LCPC, 1979 [11] Guide technique de dimensionnement des chaussées souples,SETRA/LCPC, 1978 [12] Actualisation du guide de dimensionnement des renforcements des chaussées souples, SETRA/LCPC, 1988 [13] « Aide à la gestion de l’entretien des réseaux routiers volet chaussées », SETRA/LCPC,2000 [14] «Guide d’entretien des chaussées béton», SETRA/LCPC, 2002 [15] Collection des Guides pratiques de la voirie urbaine,19992000, éditions RGRA [16] « Instruction sur le dimensionnement des chaussées d’aérodromes et la détermination des charges admissibles », Direction générale de l’Aviation civile [17] Balay J.,Gomes Correia A., Hornych P., Jouve P., Paute J.L., « Etude expérimentale et modélisation du comportement mécanique des graves non traitées et des sols supports de chaussées», Bulletin de liaison des LPC n° 216,pp 3-18, 1998 [18] Huet C., « Etude par une méthode d’impédance du comportement viscoélastique des matériaux hydrocarbonés », thèse de docteur ingénieur, Faculté des sciences de l’Université de Paris, 1963 [19] Sayegh G., « Contribution à l’étude des propriétés viscoélastiques des bitumes purs et des bétons bitumineux», thèse de docteur ingénieur, Faculté des sciences de Paris, 1965 [20] J. Petitjean, J.-M. Balay, C. Fabre,« Le dimensionnement des chaussées aéronautiques », RGRA n°800, novembre 2001 [21] Piau J.-M., Heck J.-V., Gramsammer J.-C., Odéon H., «Modélisation viscoélastique des chaussées et comparaison avec le comportement observé sur manège routier », compte-rendu du congrès EC’97 « Comparaison entre résultats expérimentaux et résultats de calcul », Strasbourg, 22-23 mai 1997 [22] Hornych P., Kazai A., Piau J.M. (1998), « Study of the resilient behaviour of unbound granular materials, processions », 5 th Conference on Bearing Capacity of Roads and Airfields ,Trondheim, Norvège,juillet 1998 [23] Heck J.V., Piau J.M., Gramsammer J.C., Kerzreho J.P., Odéon H., « Thermo-visco-elastic modelling of pavements beha- viour and comparison with experimental data from the LCPC test track », Proceedings BCRA’98 ,Trondheim,Norvège,juillet 1998
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