BITUME QUÉBEC BITUME QUÉBEC 8e Congrès annuel

22 mars 2012, QuébecLouis D’Amours, ing., M.Sc.A.Vice-président, développement des affairesGroupe Qualitas inc. (division de SNC-Lavalin)

LA CONCEPTION DE CHAUSSÉES EN MODE PPP

L’EXEMPLE DU PROJET DE L’AUTOROUTE 25

CONTENU DE LA PRÉSENTATION

1. Introduction

2. Contexte (les PPP)

3. Le projet de l’autoroute 253.1 Les faits3.1 Les faits3.2 La géologie du profil3.3 Les critères de performance

4. Approche conceptuelle pour la chaussée4.1 Influence des critères de performance4.2 Protection contre le gel4.3 Conception structurale4.4 Analyse du coût sur le cycle de vie (LCCA)

5. Conclusion

1) INTRODUCTION

L’EXPÉRIENCE DE QUALITAS EN PPP

PROJET SERVICES RENDUSDATE

D’OUVERTURE

L’autoroute Fredericton-Moncton (200 km), MRDC,

• Évaluation de la performance de la chaussée depuis 2002.

Complété en 2000

Moncton (200 km), MRDC, Nouveau-Brunswick

depuis 2002. 2000

Autoroute Transcanadienne, Route 2 (200 km), Nouveau-Brunswick

• Conception de chaussée (2005)• Surveillance de la construction (2006-2007)• Évaluation de la performance de la chaussée (2008)

Complété en 2007

Autoroute 25, de Montréal à Laval, Québec

• Étude géotechnique (structures et routes)• Conception de la chaussée• Contrôle de la qualité des matériaux• Évaluation de la performance de la chaussée (2012)

Complété en mai 2011

Autoroute 407 East, extension project, Toronto

• Recommandations géotechniques• Conception de la chaussée

Octroi complété en mars 2012

2) CONTEXTE DES PPP

TRANSFERT DE RESPONSABILITÉS :

• Financière• Conception• Construction• Opération• Entretien• Réhabilitation

2) CONTEXTE DES PPP

TYPE D’ACTIFS

• Routes• Ouvrages d’art• Système électrique• Emprise• Sécurité• Drainage• Système de péage automatisé

2) CONTEXTE DES PPP

RESPONSABILITÉS + RISQUE=

RÉMUNÉRATION

• Durée des contrats : 35 ans pour conception / • Durée des contrats : 35 ans pour conception / construction / entretien (pour A-25)

• Conditions d’opération• Spécifications de performance

2) CONTEXTE DES PPP

• ≠ la meilleure chaussée ou la plus durable

• = la chaussée avec la valeur actualisée nette (du p rix coûtant présent) la plus basse sur la durée du cont rat → Analyse du coût sur le cycle de vie (LCCA)Analyse du coût sur le cycle de vie (LCCA)

• Un dollar investi en 2043 (dans 32 ans) ne vaut que 0,13 $ en dollars aujourd’hui (avec 6,5 % de taux d’escompte)

3) LE PROJET – LES FAITS

AUTOROUTE 25 ENTRE MONTRÉAL ET LAVAL

• PPP (4 années de design-construction, 31 années d’entretien)

• 7,2 km d’autoroute à 4 voies• 11 ponts et 2 échangeurs• 11 ponts et 2 échangeurs• 1 pont majeur au-dessus de la rivière des Prairies • Concessionnaire : MacQuarie• Ingénierie – Construction : Kiewit-Parsons• Sous-consultant : Genivar• Géotechnique et chaussées : Groupe Qualitas inc.• Entretien : Groupe Miller (Talon-SEBQ)

3) LE PROJET – LA GÉOLOGIE DU PROFIL

LE PROFIL PROJETÉ DE L’AUTOROUTE

• Grande quantité de roc à excaverCoupe du roc sur 1,3 km (2,5 à 8,9 m)

• Coupe profonde dans l’argile• Coupe profonde dans l’argile• Coupe dans l’argile sur 1,7 km (0 à 9,8 m) exposant une

argile grise avec lL = 0,9 à 1,1

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

AUTOROUTE 25 – MONTRÉAL-LAVAL

CRITÈRES DE PERFORMANCE

IRI (m/km) < 2,2 m pour section de 100 mIRI (m/km) < 2,2 m pour section de 100 m

Orniérage < 8 mm pour section de 100 m

Dégradation de surface< 75 m de fissures (> 25 mm) pour section de 100 m

Adhérence CFT > 55 pour section de 100 m

Gélivité IRI (hiver) < 3,0 pour section de 100 m

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

SPÉCIFICATIONS DU PPP

• Chaque section « non performante » de 100 m :• 4 points de « non-performance » pour IRI• 8 points de « non-performance » pour orniérage• 8 points de « non-performance » pour orniérage

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

POINTS DE « NON-PERFORMANCE » VS DÉDUCTION

POINTS DE NON-PERFORMANCE

DÉDUCTION ($ / POINTS / JOUR)

NON-PERFORMANCEPAR JOUR

($ / POINTS / JOUR)

0-15 0

16-25 250

26-50 375

51-75 500

> 76 750

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

DÉDUCTION

• 2 sections non performantes pour orniérage• 4 sections non perforantes pour IRI• 1 pour orniérage et 1 pour IRI

4 000 $ / j• 1 pour orniérage et 1 pour IRI

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

TRAITEMENT DES NON-PERFORMANCES

• 2 à 4 sections non performantes sur 210 sections ≈ 1 %

Correction sur section Difficile à faire sans avoir

• Approche globale → resurfaçage sur une section de 1 à 2 km

Correction sur section de 100 m (pour orniérage ou IRI)

=Difficile à faire sans avoir une influence sur les sections adjacentes

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

VARIATION DES INDICATEURS DE PERFORMANCE

• Distribution selon loi normale

X Max (1 %) = Critères de performance – (2,38 x écart- type)

Ornière moyenne max. du réseau (1 %) = 8 mm – (2,38 (0,9 mm))= 5,8 mm

X

3) LE PROJET – LES CRITÈRES DE PERFORMANCE

FIGURE N°°°° 1 -DISTRIBUTION NORMALE

40%

50%

60%

Ornière moyenne du réseau = 8,0 mm Écart-type = 0,9 mm

5,80%

10%

20%

30%

40%

4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0

ornière (mm)

Fré

quen

ce

x - 2,38 µ

4) APPROCHE CONCEPTUELLE

1) Influence des critères de performance2) Protection contre le gel3) Conception structurale

• Chaussée flexible• Chaussée rigide

4) Analyse du coût sur le cycle de vie (LCCA)

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

RÉSULTATS DE RELEVÉS (EN 2006)

(CHAUSSÉE FLEXIBLE)

IRI Ornières (mm)

section emplacement route voielongueur

(m)année

DJMA(2002)

moyenneÉcart-type

99% moyenneÉcart-type

99%∆ornière/

année

chaussée d’asphalte

11 Montréal A25 droite 1 100 7 50 000 1,29 0,40 2,2 3,7 0,7 5,3 0,53

12 Montréal A25 gauche 1 100 7 50 000 1,27 0,27 1,9 3,7 0,6 5,0 0,52

13 Repentigny A40 droite 3 481 4 65 000 0,96 0,18 1,4 7,4 1,5 11,0 1,86

14 Repentigny A40 gauche 3 476 4 65 000 0,96 0,13 1,3 4,7 0,5 5,8 1,19

15Nouveau-Brunswick - droite 200 000 4 5 500 1,07 0,18 1,5 4,2 0,8 6,1 1,06

16Nouveau-Brunswick - droite 200 000 6 5 500 1,22 0,23 1,8 5,6 1,6 9,3 0,94

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

CONCLUSION DES RELEVÉS (CHAUSSÉE FLEXIBLE)

• Les sections auscultées sur l’autoroute 25 montrent que la limite de 8 mm pour l’orniérage sera atteinte su r certaines sections de 100 m (< 1 %) en une période de certaines sections de 100 m (< 1 %) en une période de 12 ans

• Les valeurs obtenues sur l’autoroute 25 existante montrent que la limite de performance de 2,2 pour l ’IRI sera atteinte dans une période de 8 ans, pour quelq ues sections de 100 m.

Intervention (de type resurfaçage) prévue aux 8 ans .

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

RÉSULTATS DE RELEVÉS (EN 2006)

(CHAUSSÉE RIGIDE)

section emplacement route voielongueur

annéeDJMA

IRI Ornières (mm)

∆ornièresection emplacement route voielongueur

(m)année

DJMA(2002)

moyenneÉcart-type

99%IRI/

annéemoyenne

Écart-type

99%∆ornière

/année

chaussée rigide

1 Montréal A15 Droite 2 953 12 150 000 1,77 0,22 2,3 0,055 4,0 0,7 5,6 0,34

2 Montréal A15 Centre 2 961 12 150 000 1,56 0,31 2,3 0,038 5,2 1,2 8,0 0,43

3 Laval A440 Droite 3 764 9 100 000 1,31 0,32 2,1 0,023 4,1 1,0 6,6 0,46

4 Laval A440 Centre 3 766 9 100 000 1,26 0,24 1,8 0,018 5,1 1,2 7,9 0,56

5 Vaudreuil A40 Droite 3 640 11 60 000 1,29 0,43 2,3 0,017 3,6 0,5 4,8 0,32

7 Montréal A40E Droite 3 720 7 125 000 1,44 0,14 1,8 0,049 3,4 1,0 5,7 0,49

8 Montréal A40E Centre 3 716 7 125 000 1,33 0,16 1,7 0,033 5,3 1,2 8,1 0,76

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

CONCLUSION DES RELEVÉS (CHAUSSÉE RIGIDE)

• OrnièreTaux d’évolution : 0,42 mm / an (voie lente)Écart-type : 1,1 mmÉcart-type : 1,1 mm1 % des sections non conforme → 12 ans

• IRI• Taux d’évolution : 0,027 / an• Écart-type : 0,22• 1 % des sections non-conforme → 12 ans

Intervention de meulage prévue aux 12 ans• Pas tout à fait → Analyse statistique pour intervention

uniquement sur section non conforme

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

PROGRAMME D’ENTRETIEN PRÉVU (CHAUSSÉE RIGIDE)

AN MEULAGE PRÉVU

1220 % de voie lente (ornière)2 % de toutes les voies (IRI)

16 80 % de voie lente (ornière)

2420 % de voie lente (ornière)13 % de toutes les voies (IRI)

2880 % de voie lente (ornière)5 % de toutes les voies (IRI ou ornière)

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

CRITÈRES DE L’ADHÉRENCE

CFT moyen pour 100 m > 55Aucune valeur individuelle < 40

Critère sévère pour le béton

4.1) INFLUENCE DES CRITÈRES DE PERFORMANCE

CRITÈRE SÉVÈRE POUR LE BÉTON

Friction index

-25,0

-20,0

INTERVENTION DE MEULAGE PRÉVUE AUX 2 À 4 ANS

• $$$

A-25

A-25

-15,0

-10,0

-5,0

0,0

0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000

AADTs/lane

δδ δδC

FT

/ ye

ar

syenite limestone Linéaire (syenite)A-25

A-25

4.2) PROTECTION CONTRE LE GEL

LE CRITÈRE DE PERFORMANCE SUR LE CONFORT AU ROULEAU (IRI) EST SÉVÈRE

• L’action du gel sur une argile fraîche (grise) restructurera les particules argileuses (consolidat ion) qui occasionnera des tassements qui affecteront l’I RI qui occasionnera des tassements qui affecteront l’I RI (été)

• Le soulèvement dû au gel affectera l’IRI (hiver)

Pour maintenir IRI < 2,2, les sols d’infrastructured’argile (I L > 0,8) doivent être protégés

4.2) PROTECTION CONTRE LE GELSOLUTIONS

MATÉRIAUX CAS 1 CAS 2

Enrobé mm 220 220

Fondationmm 300 300

matériau MG-20 MG-20

mm 600 600

• Cas 1 a été retenu pour le design final• Isolant a été regardé mais n’était pas économique

Sous-fondationmm 600 600

matériauMG-56, MG-112

(pierre concassée)MG-56, MG-112

(pierre concassée)

Surexcavation et remblaimm 860 1250

matériauTill compacté(sable silteux)

MG-112

Total mm 1980 2370

Pénétration du gel (1/32 ans) mm 1967 2371

4.3) CONCEPTION STRUCTURALE

INTRANT IMPORTANT : LE TRAFIC DE CONCEPTION

• Plusieurs valeurs en cours de route en relation ave c les études de trafic

Design initial Design final

AADT 2010 : 46 058 51 505AADT 2010 : 46 058 51 505

AADT 2021 : 50 618 57 463

Période de design : 32 ans 32 ans

Nombre de jour/année : 287 260

Taux d’accroissement : 0 à 1 % 1 %

« Truck factor » : 1,2 1,2

% de la voie : 75 % 75 %

% de direction : 50 % 50 %

% de camion : 10 % 13 %

Total d’ÉCAS 21 039 000 29 373 000

4.3) CONCEPTION STRUCTURALE

AUTRES INTRANTS

TYPE DE SOLS MODULE M R

Till (SM FIN) 48 MPa

CONCEPTION DE CHAUSSÉE

• Flexible : logiciels chaussée 1 (2006) et 2 (2007)• Rigide : Winpas

Roc (GP, GW) 90 MPa

4.3) CONCEPTION STRUCTURALEÀ LA PHASE PROPOSITION, ÉVALUATION DE 5 CONCEPTIONS

AVEC PROTECTION CONTRE LE GEL :

• Sous-fondation fixée à 600 mm• Fondation fixée à 300 mm

ÉPAISSEUR DU TYPE DE CHAUSSÉE

ÉPAISSEUR DU REVÊTEMENT

Chaussée flexible conventionnelle (32 ans) 240 mm

Chaussée flexible « longue vie » avec base résistante à la fatigue

205 mm

Chaussée flexible avec rechargement structural en enrobé à l’an 8

210 mm +50 mm (8 ans)

Chaussée rigide avec assise en béton drainant 245 mm

Chaussée rigide sans assise en béton drainant 250 mm

4.3) CONCEPTION STRUCTURALE

CONCEPTION PAR ÉTAPE (STAGED CONSTRUCTION)

• Compte tenu qu’une intervention est prévue à 8 ans, pourquoi pas renforcer la chaussée à cette étape !!

TRAFICS ADMISSIBLES (ÉCAS) EN FONCTION DE L’ÉPAISSE UR D’ENROBÉ (SELON CHAUSSÉE 2-MTQ) (SELON CHAUSSÉE 2-MTQ)

ÉPAISSEUR D’ENROBÉ

220 mm 280 mm

Trafic permissible (ÉCAS)

13 267 000 57 822 000

COMPARAISON AU TRAFIC DE CONCEPTION TOTAL

Trafic de conception6 491 000(0-8 ans)

22 882 000 (8-32 ans)

29 373 000(0-32 ans)

% d’utilisation 49 % 45 % 94 %

4.4) ANALYSE DU COÛT SUR LE CYCLE DE VIE (LCCA)

ÉVALUATION DES 5 DESIGNS INITIAUX MAIS SEULEMENT BA SÉE SUR LA PERFORMANCE DE L’IRI ET DES ORNIÈRES, INCLUANT LES COÛTS DE :

• Construction• Entretien (meulage ou planage, resurfaçage, scellem ent

de fissures ou des joints)• Gestion de la circulation• Gestion de la circulation

COÛT DES 5 DESIGNS

TYPE DE CHAUSSÉECOÛT DE

CONSTRUCTIONVAN

Chaussée flexible conventionnelle 10 180 904 $ 12 409 343 $

Chassée flexible avec rechargement structural en enrobé

9 601 792 $ 11 813 767 $

Chaussée flexible « longue vie » 9 833 075 $ 12 045 051 $

Chaussée rigide avec assise en béton drainant 11 608 321 $ 12 664 951 $

Chaussée rigide sans assise en béton drainant 10 626 524 $ 11 683 154 $

4.4) ANALYSE DU COÛT SUR LE CYCLE DE VIE (LCCA)

ÉVALUATION DE 2 TYPES DE CONCEPTION (PHASE « DESIGN FINAL »)

TYPES DE CONCEPTION ÉPAISSEUR DE REVÊTEMENT

Chaussée flexible avec rechargement structural en enrobé à l’an 8

220 mm + 60 mm (8 ans)

NOTE : SURÉPAISSEUR NÉCESSAIRE POUR OPÉRATION DE ME ULAGE

enrobé à l’an 8

Chaussée rigide sans assise de béton drainant

280 mm

4.4) ANALYSE DU COÛT SUR LE CYCLE DE VIE (LCCA)

ÉVALUATION DE 2 DESIGNS À LA PHASE « DESIGN FINAL » B ASÉE SUR LA PERFORMANCE DE L’IRI, L’ORNIÉRAGE ET L’ADHÉRENCE

TYPE DE CHAUSSÉECOÛT DE

CONSTRUCTIONVAN

Chaussée flexible avec rechargement structural 14 832 244 $ 18 195 590 $

LE CHOIX EST ÉVIDENT !!!

Chaussée flexible avec rechargement structural en enrobé à l’an 8

14 832 244 $ 18 195 590 $

Chaussée rigide sans assise en béton drainant 17 060 519 $ 21 898 320 $

4.4) ANALYSE DU COÛT SUR LE CYCLE DE VIE (LCCA)

Chaussée flexible avec rechargement structural en enrobé à l’an 8(coût en dollars 2008)

Année Construction

Rechargement 60 mm(pleine

largeur)

Planage/ revêtement 50

mm(voies de

Planage/ revêtement 50

mm(accotements)

Scellement des fissures

Gestion de la circulation

Taux d'actualisation

(6,5%)Total actualisé

largeur)circulation)

(accotements)

0 14 832 244 $ 1.000 14 832 244 $

2 94 593 $ 20 000 $ 1.134 101 032 $

8 2 720 147 $ 60 000 $ 1.655 1 679 852 $

10 94 593 $ 20 000 $ 1.877 61 047 $

16 1 617 203 $ 50 000 $ 2.739 608 688 $

18 94 593 $ 20 000 $ 3.107 36 886 $

24 1 617 203 $ 1 119 143 $ 60 000 $ 4.533 616 880 $

26 94 593 $ 20 000 $ 5.141 22 288 $

31 1 617 203 $ 50 000 $ 7.044 236 674 $

32 7,502

VAN 18 195 590 $

5) CONCLUSION

NOUVEAUX BESOINS :

• Très bonne connaissance de l’évolution de la performance des chaussées

• La variation des indicateurs de performance• Bonne compréhension de l’approche statistique• Bonne compréhension de l’approche statistique

FIGURE N°°°° 2 -ÉTUDE DE CAS -DISTRIBUTION DE L’IRI (RÉSEAU A)

14%

16%

18%

20%

Âge : 6 ansÂge : 6 ans

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

IRI <

0.7

0.7 ≤ IRI < 0.8

0.8 ≤ IRI < 0.9

0.9 ≤ IRI < 1.0

1.0 ≤ IRI < 1.1

1.1 ≤ IRI < 1.2

1.2 ≤ IRI < 1.3

1.3 ≤ IRI < 1.4

1.4 ≤ IRI < 1.5

1.5 ≤ IRI < 1.6

1.6 ≤ IRI < 1.7

1.7 ≤ IRI < 1.8

1.8 ≤ IRI < 1.9

1.9 ≤ IRI < 2.0

2.0 ≤ IRI < 2.1

2.1 ≤ IRI < 2.2

2.2 ≤ IRI < 2.3

2.3 ≤ IRI < 2.4

2.4 ≤ IRI < 2.5

2.5 ≤ IRI

Pro

porti

on (%

)

2007 2008

Âge : 7 ansÂge : 7 ans

FIGURE N°°°° 3 -ÉTUDE DE CAS -DISTRIBUTION DE L’ORNIÉRAGE (RÉSEAU A)

25%

30%

6 ans6 ans

0%

5%

10%

15%

20%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > 20

Rut Depth (mm)

Pro

portion

(%

)

2008 2007

7 ans7 ans

FIGURE N°°°° 4 - ÉTUDE DE CAS -DISTRIBUTION DE L’ORNIÉRAGE (RÉSEAU B)

30%

35%

40%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > 20

Rut Depth (mm)

Pro

porti

on (%

) Âge : 3 ansÂge : 3 ans

ÉTUDE DE CAS

ATTENTION À L’APPROCHE STATISTIQUE

ÂGEORNIÈRE MOYENNE

ORNIÈRE (mm)

INTERVALLE DE CONFIANCE DE 99%

ÂGE MOYENNE (mm)

(mm)ÉCART-TYPE DISTRIBUTION

NORMALEFIGURE N°°°° 5

6 4.3 2.2 9,5 mm 11 mm

7 5.2 2.8 11,9 mm 14 mm

FIGURE N°°°° 5 - ÉTUDE DE CAS -DISTRIBUTION DE L’ORNIÉRAGE (RÉSEAU A)

25%

30%

6 ans6 ans

0%

5%

10%

15%

20%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > 20

Rut Depth (mm)

Pro

portion

(%

)

2008 2007

7 ans7 ans

(< 1 %)(< 1 %)

(< 1 %)(< 1 %)

5) CONCLUSION

PPP :

• Nouvelle façon d’aborder la conception de chaussées• LCCA

5) CONCLUSION

NOUVELLE DÉFINITION DE PPP :

• Lors de la phase proposition

PPPPPP

Prouve Professionnel Parfait

OU

Plan Préliminaire Pas d’argent

5) CONCLUSION

NOUVELLE DÉFINITION DE PPP :

• Gagne le projet → Période de conception

PPPPPP

Party Produire Pression

5) CONCLUSION

NOUVELLE DÉFINITION DE PPP :

• Design non terminé et construction débute

PPPPPP

Pédale Panique Paramedic

5) CONCLUSION

NOUVELLE DÉFINITION DE PPP :

• Durant la construction

PPPPPP

Proactif Pragmatique Professionnel

5) CONCLUSION

NOUVELLE DÉFINITION DE PPP :

• Fin de la construction, monitoring débute

PPPPPP

Preuve Performance Profit

MERCI !!!

QUESTIONS ???

DAMOURS.LOUIS@QUALITAS.QC.CA

QUESTIONS ???