EXPERTISE DE CHAUSSEES

Auscultation dynamique et diagnostic de réparation avec un déflectomètre à charge tombante

MAIRIE DE ROSIERS D’EGLETONS

Plateforme Technologique TP 2

Expertise de chaussées Sommaire 2007

SOMMAIRE

A. PRESENTATION GENERALE .......................................................................................................3

A.1. INTRODUCTION .........................................................................................................................3

A.2. PRESENTATION DE LA CHAUSSEE..........................................................................................3

A.2.1 PLAN DE SITUATION ......................................................................................................................3

A.2.2 CARACTERISTIQUES GENERALES ....................................................................................................4

A.3. OBJECTIFS DE L’ETUDE ...........................................................................................................4

B. PRESENTATION DES ESSAIS EFFECTUES ................................................................................4

B.1. GENERALITES SUR LE FWD ............................................................................................................4

C. MESURES IN SITU ........................................................................................................................5

C.1. CONDITIONS DE L’INTERVENTION ...........................................................................................5

C.2. METHODOLOGIE .......................................................................................................................5

C.2.1. DEFINITION DE LA METHODOLOGIE APPLIQUEE SUR LE PROJET .........................................................5

C.2.2. PRESENTATION DES RESULTATS D’UN ESSAI ...................................................................................5

D. EXPLOITATION DES RESULTATS ...............................................................................................6

D.1. HYPOTHESES ............................................................................................................................6

D.2. DEFLEXIONS .............................................................................................................................6

D.3. CALCUL DES MODULES ...........................................................................................................7

D.4. CALCUL DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE..........................................................................8

D.4.1. CALCULS PRELIMINAIRES .............................................................................................................8

D.4.2. CALCULS DE DUREE DE VIE RESIDUELLE A L’AIDE D’ALIZE .................................................................8

D.4.3. SOLUTION DE REPARATION ...........................................................................................................8

E. SYNTHESE ET CONCLUSION ......................................................................................................8

H. TABLE DES ILLUSTRATIONS ......................................................................................................9

Plateforme Technologique TP 3

Expertise de chaussées Présentation générale 2006

A. PRESENTATION GENERALE

A.1. INTRODUCTION La plateforme technologique travaux publics du Limousin rapproche les entreprises et les centres de formation aux métiers des travaux publics. Elle met à la disposition des collectivités, des entreprises régionales, et notamment des PME les ressources (humaines, matérielles, documentaires, d’informations diverses8) dont disposent les établissements de formation et de recherche constituant le dispositif. Elle est constituée de six établissements : le lycée Pierre Caraminot, le centre AFPA d’Egletons, le CFC d’Egletons, L’EATP, EFIATP, le lycée des métier Marcel Barbanceys et l’IUT d’Egletons. Le défléctométre à charge tombante permet de mesurer les déflexions d’une chaussée et de proposer des solutions de travaux durables. La demande de la mairie de Rosiers d’Egletons s’est faite dans ce cadre là. Souvent, on préfère attendre le dernier moment, celui qui précède l’accélération de la dégradation de la chaussée, pour entreprendre des travaux. Au contraire, la plateforme technologique, grâce au défléctométre à charge tombante, peut proposer un diagnostic entraînant un entretien préventif moins coûteux. C’est ce qui a été fait ici.

A.2. PRESENTATION DE LA CHAUSSEE

A.2.1 Plan de situation

La portion de voie privée dont nous avons fait l’étude relie le hameau de Seugnac et le hameau de Verriéres et se prolonge jusqu’à la limite de la commune de Rosiers d’Egletons.

Figure 1 : Tronçon étudié

Chaussée soumise à notre étude

A 89

Verrièress

Plateforme Technologique TP 4

Expertise de chaussées Présentation générale 2006

A.2.2 Caractéristiques générales

La chaussée soumise à notre étude est constituée à priori de deux couches :

• Une couche de roulement en enduit superficiel de type bicouche d’environ 20 mm d’épaisseur fortement dégradée.

• Une couche de forme réalisée en GNT de 200 mm d’épaisseur environ. A la vue de l’état général de la chaussée et de son emplacement, nous pensons que sa structure peut varier le long du tronçon. Il est a signaler que suite à la réalisation de l’A89, la partie du tronçon proche du hameau de Seugnac a déjà été renforcée .

A.3. OBJECTIFS DE L’ETUDE L’étude menée comporte trois objectifs principaux :

• La détermination des caractéristiques mécaniques de la chaussée.

• La détermination de la durée de vie résiduelle de la chaussée citée ci dessus.

• La proposition de solutions de réparations si la chaussée le nécessite.

B. PRESENTATION DES ESSAIS EFFECTUES

B.1. Généralités sur le FWD Phase de mesures in situ : Le défléctométre à masse tombante ou FWD (Falling Weight Deflectometer) est conçu pour mesurer le bassin des déflexions provoqué par une masse tombante sur une plaque (Φ30 cm). Il se compose :

• d'une remorque tractée de 850 kg environ transportant les éléments de mise en charge et les neuf capteurs de déplacement,

• d'un système de pilotage automatique, d'acquisition et de traitement de l'information, embarqué dans le véhicule tracteur.

Après la mise en station de la remorque au droit du point de mesure, la masse est libérée d'une hauteur pouvant varier de 2 à 40 cm provoquant une force variable de 7 à 135 kN. La hauteur de chute et la force appliquée sont fixées en fonction de la nature de la structure testée. La transmission de la charge se fait par un ressort dont la constante permet de définir la durée du chargement. Les 9 capteurs (dont un est au centre de la plaque) enregistrent la déformée longitudinale sur 2 mètres environ du point d'application de la charge. Pour les structures routières, les caractéristiques de chargement sont réglées de manière à obtenir une impulsion correspondant à la durée de charge d'un PL circulant à une vitesse d'environ 70 km/h.

Au droit de chaque station, 9 déflexions sont enregistrées par les 9 capteurs répartis le long d'une poutre. Le premier capteur est situé au centre de la plaque de chargement, et le dernier à 1,80 m environ dans l'axe longitudinal. A ce stade, on dispose de la demi déformée (voir figure 2) provoquée par un demi essieu standard, ainsi que de tous les paramètres nécessaires à l'exploitation future des résultats.

Figure 2 : Principe de fonctionnement du FWD

Phase d’exploitation des mesures : Si les données de la superstructure le permettent (épaisseurs connues des bétons bitumineux8) la durée de vie résiduelle de la chaussée testée peut être calculée soit en terme de centimètres de renforcement nécessaire soit en terme de nombre d'années disponibles sans renforcement. En effet, au droit de chaque station de mesures, grâce au logiciel Elmod nous procédons selon deux phases qui sont les suivantes :

• validation des mesures de déflexions,

• calcul des modules élastiques Ei des couches. Après avoir introduit les épaisseurs (ei) des différentes couches de la structure et compte tenu d'une part du module moyen défini et, d'autre part, des valeurs mesurées lors de l'essai, le module de chacune des couches est calculé (calcul inverse) ainsi que les contraintes et déformations correspondantes

Plateforme Technologique TP 5

Expertise de chaussées Présentation des essais effectué 2007

A la fin de cette première phase d'exploitation des mesures, les données suivantes, qui sont les réponses in-situ de la structure, sont disponibles au droit de chaque point testé :

Après cette partie analytique, il reste à interpréter les résultats en terme de "résistance globale à la portance" vis à vis du trafic futur prévu. Pour cela nous utilisons le logiciel Alizé qui nous permet de déterminer la durée de vie résiduelle et les éventuelles solutions de réparation à apporter.

C. MESURES IN SITU

C.1. CONDITIONS DE L’INTERVENTION • Dates : 27 Avril 2007

• Equipe : Bertrand BREYSSE et Khaled YAHYOUI

• Moyens : FWD et véhicule de traction de la remorque.

• Conditions atmosphériques : temps nuageux, température de l’air : 18°C environ.

C.2. METHODOLOGIE

C.2.1. Définition de la méthodologie appliquée sur le projet

Pour la chaussée auscultée, nous avons fait un point de mesure tous les 100m. Avant chaque série d’essais, un essai d’étalonnage du FWD est réalisé afin d’obtenir les chargements désirés en fonction du type de chaussée étudié. A chaque point de mesure, nous avons effectué 6 chargements :

• 2 chargements de mise en place de la plaque,

• 2 chargements de 200 kPa sur la chaussée,

• 2 chargements de 300 kPa sur la chaussée,

• 2 chargements de 400 kPa sur la chaussée. Le dernier des 2 chargements pour chaque palier de chargement a fait l’objet d’enregistrement des mesures de déflection sur les 9 géophones ainsi que la mesure de force sous la plaque. En parallèle sont enregistrés, le chaînage, l’heure, la température de l’air et la température de surface de la chaussée.

C.2.2. Présentation des résultats d’un essai

L’étude est menée en deux parties : la première pendant laquelle on réalise les mesures in situ grâce au logiciel FWDWIN (cf. figure 4) et la deuxième pendant laquelle on exploite les données avec ELMOD (cf. figure 5).

Figure 3 : Enregistrement in situ sous FWDWIN

Ae1

Ae2

∞

Plateforme Technologique TP 6

Expertise de chaussées Synthése et conclusion 2007

On retrouve ci dessous les déflections directement enregistrées par les 9 géophones du FWD ainsi que la contrainte sous la plaque (logiciel ELMOD).

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

temps en ms

dép

lacem

en

ts e

n m

icro

ns

.

-100.00

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

co

ntr

ain

te e

n k

Pa .

Géophone 1

Géophone 2

Géophone 3

Géophone 4

Géophone 5

Géophone 6

Géophone 7

Géophone 8

Géophone 9

Contrainte

contrainte

Figure 4 : Exploitation des résultats sous ELMOD

D. EXPLOITATION DES RESULTATS

D.1. HYPOTHESES La modélisation de la structure des chaussées suivante a été choisie : *Données fournies par le guide technique « Conception et dimensionnement des structures de chaussée », SETRA, LCPC, décembre 1994.

Les épaisseurs de couches ont des valeurs fixes et invariables. Le module de la couche de roulement varie avec la température de chaussée. Les calculs sont effectués par analyse inverse du rayon de courbure sur les lâchés 4, 6 et 8. Les essais ont été réalisés avec une plaque de 45 cm de diamètre pour pallier la souplesse de la chaussée.

D.2. DEFLEXIONS

On retrouve ci-dessous le graphe de déflections mesurées tout au long du tronçon étudié. Le chaînage est indiqué en abscisses (unité le km), sur l’axe des ordonnées de gauche on retrouve les déflections en microns et sur celui de droite la contrainte sous la plaque en kPa.

∞

Bicouche

GNT

e = 20 mm

e = 200 mm

PFT

E = 3000 Mpa*

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Expertise de chaussées Synthése et conclusion 2007

Measured deflections and load

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

Stress

Defl

ecti

on

(M

icro

ns)

Str

ess (

kP

a)

0

500

1000

1500

2000

0

100

200

300

400

-0.1

0

-0.1

9

-0.2

9

-0.3

8

-0.4

8

-0.5

8

-0.6

7

-0.7

7

-0.8

6

-0.9

6

-1.0

6

-1.1

5

-1.2

5

-1.3

4

-1.4

4

-1.5

4

-1.6

3

-1.7

3

-1.8

2

-1.9

2

-2.0

2

-2.1

1

-2.2

1

-2.3

0

-2.4

0

0.0

0

0.1

0

0.1

9

Figure 5 : Graphe des déflections – lâché 6 (64 KN, 400 kPa)

D.3. CALCUL DES MODULES A partir des déflections précédentes et des caractéristiques des chaussées (épaisseur de couche et module de certaines couches), on obtient le module de chacune des couches. Les modules indiqués ci-dessous sont les modules moyens de l’ensemble du tronçon étudié.

Elastic Moduli

E1

E2

E3

Mo

du

li (

MP

a)

100

1000

10000-0

.10

-0.1

9

-0.2

9

-0.3

8

-0.4

8

-0.5

8

-0.6

7

-0.7

7

-0.8

6

-0.9

6

-1.0

6

-1.1

5

-1.2

5

-1.3

4

-1.4

4

-1.5

4

-1.6

3

-1.7

3

-1.8

2

-1.9

2

-2.0

2

-2.1

1

-2.2

1

-2.3

0

-2.4

0

0.0

0

0.1

0

0.1

9

Figure 6 : Modules d’élasticité des différentes couches le long du tronçon

On obtient donc les modules moyens suivant sur l’ensemble du tronçon :

Modules d’élasticité en MPa (E, MPa) Lâché 2 Lâché 6 Lâché 8

Bicouche 3017 3017 3017

GNT 353 398 443 PFT 37 35 34

Figure 7: Modules d’élasticité des différentes couches le long du tronçon

Plateforme Technologique TP 8

Expertise de chaussées Synthése et conclusion 2007

Les modules calculés précédemment sont des modules « moyens » calculés sur l’ensemble du tronçon. Néanmoins, à la vue des déflections et des modules des différentes couches le long du tronçon (visibles au D.2. et au D.3.), on peut voir que l’ensemble du tronçon, en dehors de la zone renforcée côté autoroute, possède des caractéristiques homogènes pour les 3 couches le constituant ; la plateforme (sol) ne présentant qu’un module relativement faible (< 50 MPa soit un classement PF1).

D.4. CALCUL DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE En fonction des modules calculés avec Elmod, on utilise Alizé pour définir une durée de vie résiduelle. Tous les calculs ont été faits à partir des mesures réalisées le 27 avril 2007.

D.4.1. Calculs préliminaires

La première opération consiste à utiliser le logiciel Alizé en y insérant la structure qui a été mise en œuvre ainsi que les modules moyens calculés par ELMOD. Pour plus de précision dans les calculs qui vont suivre, nous allons nous appuyer sur la méthode de conception et de dimensionnement. Nous aboutissons à la structure de calcul suivante :

Enduit 0,02 m E= 3000 MPa

GNT 0,20 m E=353 MPa

PF1 Infini E=37 MPa

D.4.2. Calculs de durée de vie résiduelle à l’aide d’Alizé

L’étude de la réponse de la chaussé telle que définie ci-dessus avec le logiciel ALIZE donne :

• εt = -80 mdef à la base de la couche d’enduit responsable de la fissuration

• εz = 2466 mdef au niveau supérieur de la plateforme responsable de l’orniérage

Ces sollicitations combinées aux caractéristiques moyennes retenues pour les matériaux laissent espérer une durée de vie résiduelle de 6 ans pour une classe de trafic T5 avec une moyenne journalière annuelle de 5 PL ; Cette limite étant imposée par l’orniérage de la plate-forme.

D.4.3. Solution de réparation

La solution qui nous semble la mieux adaptée consiste à :

- Raboter l’enduit superficiel existant - Compacter la couche GNT déjà en place - Mettre en œuvre une couche de 15 cm de GNT2 - Exécuter un enduit superficiel du type bi-couche

L’ensemble de ces travaux permettent d’espérer une durée de vie de l’ensemble de la chaussée supérieure à 20 ans pour une classe de trafic T5 (soit une moyenne journalière annuelle de 5 PL) avec une augmentation annuelle du trafic de 5%.

E. SYNTHESE ET CONCLUSION La chaussée étudiée présente des caractéristiques propres à lui assurer une durée de vie résiduelle de 6 ans dans les conditions d’exploitation prévisibles. Un renforcement tel qu’indiqué ci-dessus s’avère nécessaire en vue d’amener l’ensemble du tronçon à une durée de vie de 20 ans au moins.

Plateforme Technologique TP 9

Expertise de chaussées Table des illustrations 2007

H. TABLE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1 : Tronçon étudié .................................................................................................................................................................. 3

Figure 2 : Principe de fonctionnement du FWD ............................................................................................................................. 4

Figure 3 : Enregistrement in situ sous FWDWIN ............................................................................................................................ 5

Figure 4 : Exploitation des résultats sous ELMOD ........................................................................................................................ 6

Figure 5 : Graphe des déflections – lâché 6 (64 KN, 400 kPa) ...................................................................................................... 7

Figure 6 : Modules d’élasticité des différentes couches le long du tronçon ............................................................................. 7

Figure 7: Modules d’élasticité des différentes couches le long du tronçon .............................................................................. 7