JOURNÉESTECHNIQUES ROUTES

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ORNIERAGE DES CHAUSSEES SOUPLES – EXEMPLE DES ASSISESEN CALCAIRES TENDRES

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INTRODUCTION – RECHERCHES SUR LES CHAUSSEES A FAIBLE TRAFFIC

ETUDE EN LABORATOIRE DES DEFORMATIONS PERMANENTES DES GNT

METHODE DE PREDICTION DE L’ORNIERAGEEXEMPLES – COMPARAISONS AVEC DES

MESURES SUR CHAUSSEES

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INTRODUCTION

Besoin d’améliorer la méthode de dimensionnement des chaussées à faible trafic, à assises non traitées, très empirique

• Les modules des GNT sont définis à partir de critères empiriques (dureté, angularité, propreté des granulats)

• Seul critère de dimensionnement : limitation des déformations verticales élastiques εz sur le sol support :

N : nombre d’essieux de référence A, B paramètres indépendants du matériau !

Bz NA −⋅≤ε

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OBJECTIFS DES RECHERCHES SUR LES CHAUSSEES A FAIBLE TRAFFIC • Développer des méthodes d’essai pertinentes pour caractériser le comportement mécanique des GNT

Comportement élastique

Résistance à l’orniérage• Développer une méthode de calcul pour les chaussées à assises non traitées

Comportement élastique

Déformations permanentes Application au dimensionnement

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ENJEUX :• Développer une approche performantielle pour la caractérisation des GNT , basée sur des essais mécaniques, applicable à tous les matériaux, quelque soit leur origine • Faciliter l’utilisation de matériaux non traditionnels (matériaux locaux, recyclés, sous-produits industriels..) • Améliorer la durabilité des chaussées à faible trafic (optimiser les performances des matériaux et le dimensionnement)

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EXEMPLE D’APPLICATIONEvaluation des possibilités d’utilisation en chaussées à faible traffic de GNT issues de calcaires tendres locaux

Etude en partenariat avec le Service Technique des Infrastructures de Charente Maritime.

Matériaux : GNT B calcaires 0/20 mmDureté de granulats E ou F (Los Angeles de 36 à 54)• Etude en Laboratoire au triaxial• Chantier expérimental (RD 739) 5 planches dont 2 instrumentées Trafic T3

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p

p

q = F / S

CHOIX D’UN ESSAI MECANIQUE POUR LES GNT

Caractéristiques des GNT : Matériaux discontinus, de faible cohésion.Leur comportement dépend essentiellement :• des contraintes appliquées (confinement)• de la granulométrie, des caractéristiques

des grains (forme, dureté..)

Essai mécanique adapté ?Essai triaxial – chargement :• pression de confinement p• contrainte verticale q = F / S

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PRINCIPE DE L’ESSAI TRIAXIAL CYCLIQUE

σ

temps

σ1σ

3

1

σ3

σ

Application de chargements cycliques à grand nombre de cycles, simulant les chargements routiers

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UTILISATIONS DE L’ESSAI TRIAXIAL CYCLIQUE

Etude • du comportement élastique • des déformations permanentes

• Module d’élasticité caractéristique Ec,• Déformation permanente caractéristique A1c

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 70

Déformation axiale ε1 (10-4)

Con

trai

nte

axia

le (k

Pa) 1 - 5 5000200cycles : 20000

Déformation permanenteDéformationréversible

Cycle N

50 60

Classification des GNT suivant deux paramètres :

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EXEMPLES DE RESULTATS POUR LES GNT CALCAIRES TENDRES DE CHARENTE

Ec (MPa)

Ec A1c(MPa) (10-4)

S 924 60G 841 80C 817 56A 936 136P 1312 29

Très bonnes performances à ρd = 0,97 ρd OPM et w = wOPM – 2 %, surtout valeurs de module

A1c(10-4)

0

500

1000

1500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

120

300

C1 C2 C3 C4P

SA

CG

QUARTZITEGRANITE

GRANITE-MYLONITEGNEISS

CALCAIRES TENDRES

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COMPORTEMENT SUR LE CHANTIER

Orniérage Moyen (planche A)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

nov-01 mai-02 déc-02 juin-03 janv-04 août-04 févr-05 sept-05Date

Orn

ière

(mm

)

Sens 1Sens 2

Déflexion Moyenne (planche A)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

nov-01 mai-02 déc-02 juin-03 janv-04 août-04 févr-05 sept-05Date

Déf

lexi

on (

mm

/ 10

0)

Sens 1Sens 2

Bonne concordance avec résultats au triaxial : Déflexions très faiblesOrniérage moyen, quelques valeurs > 10 mm

Sol argileux

GNT

Couche de forme traitée

31 cm

50 cm

6 cmStructure

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RESULTATS D’ESSAIS DE DEFORMATIONS PERMANENTES ( CALCAIRE TENDRE A)

0

50

100

150

200

250

300

0 50000 100000 150000 200000

Nombre de cycles

ε 1p (1

0 -4

)Δq/Δp = 1

Δq/Δp = 2

Δq/Δp = 2,5

modèle

p = (σ1+2σ3) q = 2/3 (σ1-σ3)

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400

1

22,5

p (kPa)

q (kPa)

Chargements Cycliques Evolution des déformations permanentes

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MODELISATION DES DEFORMATIONS PERMANENTES

Choix de 2 Approches :

Loi empirique d’évolution des déformations axiales :

)q,p(g).N(f)N( maxmaxp =ε 1 Gidel (2001)

N nombre de cycles, pmax, qmax contraintes maximales

• Modèle simplifié

• Modèle de comportement incrémental, plus réaliste : Modèle élastoplastique cyclique de Chazallon (2000) Approche issue de la mécanique des sols

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PROGRAMME ORNI POUR LA PREDICTION DE L’ORNIERAGE

Méthode de calcul choisie : éléments finis (module de CESAR-LCPC)Avantages : simulation réaliste de la géométrie de la chaussée et des charge (2D ou 3D)Possibilité d’utiliser différents modèles de comportement

Complexité du problème : nécessité de simuler toute l’histoire de chargement de la chaussée : • Grand nombre de cycles. • Charges, températures, teneurs en eau, caractéristiques des matériaux variables….

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PRINCIPE DU MODULE ORNI : Principale hypothèse : pour un cycle

Calcul en 3 étapes(5) Calcul des contraintes dans la chaussée, en 3 D, pour les

différentes conditions de chargement, en considérant uniquement le comportement réversible (elastique ou visco-elastique)Utilisation du module CVCR de CESAR-LCPC

(2) Utilisation des champs de contraintes pour calculer les déformations permanentes en différents points de la chaussée, en 2D

(3) Calcul structurel des déplacements (orniérage)

ep ε< <εδ Simplification : Modélisation séparée du comportement élastique et des déformations permanentes

Actuellement, seul l’orniérage des GNT est modélisé

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CALCUL A PLUSIEURS ECHELLES DE TEMPSLa durée de vie de la chaussée est découpée en saisons, où les caractéristiques des matériaux sont constantes.Chaque saison est divisée en jours.Chaque jour est divisé en périodes, à température constante.Pour une période, on calcule un incrément moyen de déformation permanente en considérant une distribution statistique des charges (types de charges, vitesses, positions latérales).

Gain en temps de calcul, en évitant un calcul cycle par cycle

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Enrobé bitumineux – élastique linéaire

GNT : élastique non linéaire (Boyce) + Modèle empirique de déformations permanentes

Sol : élastique linéaire + Modèle empirique de déformations permanentes Chemins de contraintes dans la GNT

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250p (kPa)

q (k

Pa)

z = -0.18 m

z = -0.43 m

6,6 cm

50 cm

220 cm

GNT

SOL

Mai

llage

CVC

RC

haus

sée

PREMIERE APPLICATION : EXPERIENCE MANEGE

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• 1 seule charge : 1/2 essieu à roues jumelées de 65 kN• Pas de balayage latéral• Température constante;• Simulation de l’orniérage de la GNT /du sol

Exemple de profil d’ornière après 1 million de cycles(T = 23 °C)

PREMIERES SIMULATIONS AVEC ORNI

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0

2

4

6

8

10

12

14

0 500000 1000000 1500000 2000000Nombre de cycles

Orn

ière

(mm

)

minMoyenne expériencemaxORNI - T=23°ORNI - T=27°ORNI - T=35°

PREMIERES SIMULATIONS AVEC ORNI

ORNIERAGE DE LA GNT SEULE

ORNIERAGE DE LA GNT ET DU SOL

0

2

4

6

8

10

12

14

0 500000 1000000 1500000 2000000Nombre de cycles

Orn

ière

(mm

)

minMoyenne experiencemaxORNI - T=23°ORNI - T=27°ORNI - T=35°

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Developpement d’une approche complète pour la prédiction de l’orniérage des GNT, du laboratoire au calcul de structure de chausséePremières comparaisons avec des mesures sur chaussées encourageantes

PERSPECTIVES• Validation détaillée d’ORNI : numérique / comparaison avec des expériences sur chaussées • Application au chantier de Charente Maritime• Prise en compte de l’orniérage des enrobés • Méthode de calcul simplifiée pour le dimensionnement en développement (calcul 1D, limité aux déformations verticales)

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Application au chantier expérimental de Charente Nécessité de prendre en compte les variations des charges, des températures, des conditions hydriques ..

Température GNT (planche A)

-10

0

10

20

30

40

50

sept-01 déc-01 mars-02 juin-02 oct-02 janv-03 avr-03 août-03

Date

Tem

péra

ture

° C

Teneur en eau GNT- (planche A)

456789

10111213

sept-01 déc-01 mars-02 juin-02 oct-02 janv-03 avr-03 août-03Date

W (%

)

S8S10

Besoins : • identifier les paramètres les plus influents• prendre en compte de façon simplifiée leurs variations