Le patrimoine scientifique de l'Ifsttar · 2015-07-29 · La méthode française de dimensionnement...
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RAPPORTS DES LABORATOIRES
SÉRIE: CONSTRUCTION ROUTIÈRE CR-2
Communications des LPC à la V0 conférence internationale
sur le dimensionnement des chaussées souples
Delft {Pays-Bas) août 1982
Octobre 1983
MINISTtRE DE L'URBANISME ET DU LOGEMENT - MINISTËRE DES TRANSPORTS LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSÉES
·soMMAIRE
ISSN 0755-2297
Page
Pratique d'ALIZE III P. Autret, A. de Boissoudy, J.-P. Marchand 3
L'auscultation des chaussées: l'outil d'une politique d'entretien préventif d'un réseau routier M. Boulet, J. -c . Gramsammer 6 3
.Fissuration dans les couches de roulement J.-P. Marchand, H. Goacolou 133
Comportement des matériaux non traités sous chargements répétés et utilisation d'un modèle de structure. de chaussées à éléments finis J.-L. Paute, J. Martinez 17.3
Méthodologie de suivi des chaussées à couches de base bitumineuses épaisses M. Dauzats, R. Linder 189
Ce document est propriété de !'Administration et ne peut être reproduit, même par:iellement, sans l'autorisation du Directeur du Laboratoire central des Ponts et Chaussees
(ou de ses représentants autorisés).
©1983-LCPC
Publié par le LCPC, 58 bd Lefebvre - 75732 PARIS CEDEX J 5.sous le numéro 3506 Dépôt légal : octobre 1983
ISBN 2-7208-3506-4
PRATIQUE
n'ALIZE III
ou Cormnent introduire dans le modèle théorique de dimensionnement des valeurs expérimentales issues de l'observation du comportement in situ des matériaux et de leurs propriétés mécaniques mesurées en laboratoire.
Paul AUTRET
Antoine de BOISSOUDY
Jean-Pierre MARCHAND
- 3 -
- 4 -
Paul AUTRET Chef de la Division Structures et Caractéristiques des Chaussées des Chaussées
Antoine de BOISSOUDY Chef de la Section Mécanique des Chaussées
Jean-Pierre MARCHAND Ingénieur E.N.P.C. Section Mécanique des Chaussées
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Centre de Nantes - B .P. 19 - 44340 BOUGUENAIS
Résumé
Aujourd'hui, comme le programme de calcul ALIZE III du L.C.P.C. est diffusé librement dans les laboratoires et les entreprises ou les bureaux d'études qui en font la demande, il est apparu intéressant de compléter la présentation de la méthode française de dimensionnement des renforcements et des chaussées neuves en s'attachant particulièrement à donner les valeurs numériques utilisées en France compte tenu de l'expérience acquise par quinze années d'essais en laboratoire, de vérifications in situ, de dépouillement de notes de chantier, de suivi de section d'essais .•.
Cet article comporte cinq chapitres
- principe théorique d'utilisation du programme ALIZE,
- trafic : Le trafic est représenté par une charge type unitaire et une intensité d'application,
- matériaux : Les principaux matériaux standards français sont présentés sous forme de fiches résumant leurs propriétés mécaniques et physiques et les valeurs numériques expérimentales qui y sont attachées.
- application pratique : Ce chapitre décortique le processus d'un calcul et indique comment prendre en compte la dispersion des épaisseurs en place, la variation des propriétés mécaniques d'un matériau, ou encore le coefficient de calage à apporter aux essais de laboratoire compte tenu du comportement in situ ••• pour aboutir à un dimensionnement d'~e structure auquel se rattache une probabilité de satisfaire aux exigenc.es requises.
- exemple d'application et montrer également comment l'environnement français, un
Pour illustrer chacun des 3 précédents chapitres transposer la méthode à d'autres conditions que exemple concret est donné en application.
- 5 -
INTRODUCTION
La méthode française de dimensionnement des renforcements des
chaussées neuves du schéma directeur et des chaussées à faible trafic s'appuye
à la fois sur une approche théorique des dimensionnements faisant appel à une
méthode rationnelle de calcul et sur une vérification expérimentale des hypo
thèses et des paramètres pris en compte découlant de l'observation de la réali
sation et du comportement sous trafic d'une vingtaine de milliers de km de
route réalisés ces quinze dernières années et d'une quarantaine de sections
d'essais et de chantiers expérimentaux. Plusieurs communications ont déjà été
présentées à Ann Arbor sur ce sujet [ 13, 14, 21, 26, 28, 37] ; aujourd'hui,
~ù le programme ALIZE III du L.C.P.C. est diffusé librement dans les Labora
toires des Ponts et Chaussées, les entreprises ou les bureaux d'études qui en
font la demande, il est apparu intéressant de compléter la présentation de la
méthode en s'attachant particulièrement à donner les valeurs numériques utili
sées en France, déduites de l'expérience acquise.
Le principe du calcul consiste à modéliser une structure, que ce
soit une chaussée neuve ou une chaussée ancienne à renforcer, de manière à
calculer les contraintes ou déplacements provoqués par une charge type uni
taire. On recherche ensuite la contrainte maximale susceptible d'engendrer
la rupture de la structure et on la compare à la limite admissible du matériau
considéré p·our le trafic souhaité.
La fiabilité du calcul dépendra de la qualité des hypothèses qui
seront faites, tant sur les propriétés mécaniques des matériaux que sur leurs
caractéristiques physiques en place, c'est-à-dire épaisseur et dispersion, na
ture des liaisons entre couches et •.. C'est donc à cet endroit que devront se
rejoindra la science et l'art de l'ingénieur, les connaissances théoriques
sanctionnées par l'expérience de la pratique.
Dans cet article sont successivement abordés
- 6 ·-
- le principe du calcul,
- le trafic et sa modélisation,
les matériaux et les valeu-rs numériques liées à leurs pro
priétés mécaniques,
- la prise en compte de la réalité du chantier, c'est-à-dire
les dispersions des caractéristiques rooyennes et les écarts
de comportement entre le laboratoire et la nature,
- un exemple complet d'application.
- 7 -
GHAPITRE I - PRINCIPE D'UTILISATION
1) PRINCIPE THEORIQUE·
Le programme de calcul ALIZE 3 utilisé par le Laboratoire Central
des Ponts et Chaussées, permet de déterminer à partir d'un modèle multicouche
élastique fondé sur l'hypothèse de Burmister, les contraintes, déformations
et déplacements à différents niveaux et distances de charges représentées par
une empreinte généralement circulaire.
Le programme ALIZE ne fournit donc pas de réponse directe à un
problème de dimensionnement de chaussées. On pourrait imaginer un programme
dans lequel il suffirait d'introduire le trafic et la nature des matériaux
des différentes couches pour obtenir les épaisseurs respectives de chacune
d'entre elles : Ce n'est pas le cas d'ALIZE qui nécessite que le projeteur ait
d'abord modélisé la structure.
Le principe d'utilisation du programme est donc le suivant
- modélisation d'une structure, c'est-à-dire : choix du nombre de
couches, de leurs épaisseurs, de leurs liaisons entre elles, des caractéris
tiques des matériaux constitutifs (IIX>dule et coefficient de Poisson),
- recherche de la contrainte maximale susceptible d'engendrer la
dégradation d'une couche, pour la charge type,
- comparaison de cette contrainte à la valeur limite admissible
découlant de la loi de fatigue du matériau considéré, pour l'intensité d'ap
plication de la charge type, déterminée à partir du trafic supportable
souhaité.
8 -
Un calcul de chaussée effectué à partir d'ALIZE fait donc appel
à la fois à des données théoriques (calcul de contrainte) à des données
expérimentales (caractéristiques des matériaux) et à la connaissance de
l'ingénieur (choix du modèle, liaison, épaisseurs de base, e~c ..• ). Ceci
peut-être schématisé de la manière suivante :
modélisation de la structure
hl R9 hz
h3 CD 1
calcul de cr
l c:onrparaison cr et crad ·
N Lntensité
Nécessite une bonne connaissance pratique et expérimentale des chaussées et des matériaux pour aboutir à la définition d'un modèle plausible.
Calcul théorique des contraintes. Connaissance expéri~entale de la charge type engendrant cr cependant nécessaire.
Connaissance expérimentale des materiaux en laboratoire ou loi de comportemenr. in situ, nécessaire pour la déterminar.ionde "ad
Connaissance expérimentale du trafic nécessaire pour convertir Le trafic en N équivalent d'application de La charge unitaire.
Figure l Principe d'utilisation
- 9 -
2) DESCRIPTION ET PERFORMANCES D'ALIZE
Description du problème:
tl J a
ht
111111 t 11111 • EJ , VJ
hz Ez ' v2
hn+1• .. Figure 2 Modèle théorique
n couches horizontales d'épaisseur hi de module de déformation élastique Ei
et de coefficient de Poisson Vi, surmontent un massif semi infini. Cette
structure stratifiée peut être soumise à divers types de charge de révolution
(rayon a).
u et w sont les déplacements en 1 point P.
Principe de résolution - Méthode de Burmister
On recherche ' ' {
u w (r z)
1 O'r cre cr z et 'rz
Appelant ~ la fonction de tension, il suffira de résoudre le double
Laplacien ~2 ~ (r, z) = o et d'en déduire les exp~essions des déplacements et
des contraintes après introdl,lction des conditions aux limites choisies :
• en surface {
crz = q(r)
•rz = o
si r ~ a = qo 0 si r > a
y
- continuité des déplacements et des con
traintes si les couches sont collées,
. aux interfaces. continuité des déplacements verticaux si
les couches sont décollées.
La recherche des fonctions bi-hannoniques ~ est grandement faci
litée en se plaçant dans le plan de Hankel :
- 10 -
~ (r, z)
OO
Rn [~ (r, z)] = ~r Jn (mr) ~ (r, z) dr
0
Les intégrations correspondant à la transformation inverse sont
conduites numériquement.
Les paramètres d'entrée :
caractéristiques géométriques et mécaniques des différentes
couches composant la structure,
conditions d'interface à chaque interface, une même structure
peut comporter des couches co 11 ées ou non collées'·
• la charge, caractérisée par son rayon d'application, son in
tensité et son type.
Type
Type 2
pression normale uniforme p sur un cercle de rayon a,
charge normale tmiforme P sur le pourtour d'un cercle
de rayon a .
• les coordonnées des points à traiter.
Les paramètres de sortie
En chaque point, on détermine
- les deux déplacements (suivant r et z),
- les quatre contraintes de l'axisymétrie Ccrr cr6 crz et •rz),
- les quatre déformations correspondantes,
- le rayon de courbure de la déformée dans le plan (r, z),
- le rayon de courbure dans le plan (y, z) sous un jumelage
symbolisé par deux cercles chargés.
- 11 -
Les performances du programme :
Ecrit dans un langage Fortran standard le programme ALIZE 3
peut traiter des massifs comportant. jusqu'à 6 couches. Le nombre de points
est limité dans chaque couche à 10 suivant la verticale et à 20 suivant un
rayon (soit 200 points par couche). Pour ces limites, aisément modifiables,
la taille en mémoire centrale est de 15 Kmots.
Le temps calcul est proportionnel au nombre de points traités ;
il est fonction croissante du nombre de couches et du rapport * où a désigne
le rayon de charge et H la somme des n premières épaisseurs (la couche n + 1
a une épaisseur infinie).
A titre indicatif, le temps de calcul sur Iris 80 CII pour une
structure de 4 couches sous un jumelage est de 18 secondes.
3) RECHERCHE D'UNE EPAISSEUR
La modélisation d'une structure telle que définie précédemment
aboutit à la détermination d'une contrainte (ou allongement) que l'on peut
comparer ~ une limite admissible. (Le mode opératoire de l'essai de fatigue
L.C.P.C. utilise les contraintes pour les matériaux traités aux liants
hydrauliques et les allo~gements pour les matériaux traités aux liants
hydrocarbonés). Pour aboutir à l'épaisseur recherchée, on est conduit à ré
péter le même calcul pour différentes épaisseurs d'une couche, ce qui per-
·met de tracer une courbe indiquant la variation de la contrainte en fonction
de l'épaisseur, sur laquelle on--détermine l'épaisseur correspondant à crad·
(figure 3) :
Figure 3
cr
cr = f (h)
n modèles h (crad)
Recherche de l'épaisseur correspondant à la contrainte admissible.
h épaisseur n
- 12 -
Avec un peu de pratiqu~ on arrive aisément à encadrer h (a ad)
avec seulement 2 modèles mais ceci n'est pas forcément souhaitable car la
courbe a = f (h) donne une indication également intéressante concernant la
tendance de cette variation.
Sur la figure n°4 nous avons représenté la variation de la
contrainte de traction par flexion à la base d'une couche en fonction de
l'épaisseur de celle-ci, toutes choses étant égales par ailleurs.
:, i--
1 Oz --,----
Figure n° 4 a m f (h) 1 1
--r---~---1 1 1
- - - - - - 1- - - - l... - - -- -1- - - - ,- - - - t- - - - -, - -
1 àh 1 àh 1 6h 1 àh
h
Une courbe de ce genre indique qu'il est peut-être préférable
de se situer vers une épaisseur h4 où la contrainte varie peu avec ~h
plutôt que vers h1 où les sous dimensionnements inhérents à la disper
sion du chantier seront graves de conséquences parce qu'entraînant une forte
variation de a. De même chaque centimètre supplémentaire entre h1 et hz est
économiquement plus intéressant que dans la zone h4 hs où les augmentations
d'épaisseur n'entraînent plus de diminution significative de la contrainte.
Un exemple numérique de c,ette méthode que l'on appelle "courbe de tendance"
est indiqué dans le chapitre V (Exemples d'application).
- 13 -
CHAPITRE II - TRAFIC
1) - INTRODUCTION
L'introduction du trafic dans le prograrmne ALIZE suppose une
schématisation adaptée. Pour y parvenir dans le cas d'une charge quelconque
on suit le processus décrit ci-dessous, qui permet de choisir et d'ajuster
la charge de référence.
A cet effet, le principe de calcul fait appel à deux ~pproches
distinctes et complémentaires :
- La représentation de la charge de référence ou charge unitaire,
- La détermination du nombre d'application de cette charge ou
intensité du trafic N.
A partir de la charge unitaire, on effectue le calcul des con
traintes ou déforinations critiques pour la représentation géométrique de la
·structure routière. Le nombre N déterminant l'intensité du trafic sera uti
lisé pour établir le niveau des contraintes ou déformations admissibles en
utilisant .les courbes de fatigue des divers matériaux constituant les couches
de la chaussée (y compris le sol).
V- LA CHARGE UNITAIRE DE REFERENCE
2.1. Cas usuel d'un véhicule routier (figure ~
On considère en général le cas d'un demi essieu et l'on assimile
le pneumatique à un disque de rayon a chargé par une pression verticale uni
forme q0 de manière que sur chacune des roues le p~ids réel P soit schématisé
par P = ~a2q0 •
- 14 -
q~ 2 0,662 MPa 11 1 1 1 1 1 11 11111 1111
D • Ja • 37,5 cm
Figure 5 Schématisation type du jumelage français 6500 N
Si l'essieu comporte un jumelage, on utilise deux disques dont
les centres sont espacés de 3 a dans le cas le plus courant.
Le poi~s sur le jumelage est alors pris égal à 2P = 2~q0a 2 ~ 2q0 A.
2.2. Valeurs pratiques
L'essieu de référence est en France l'essieu à roues jumelées
de 130 000 N (13 t). La charge de référence est le jumelage de 65 000 N
(6,5 t) pour des pneumatiques dont la pression de gonflage est voisine de
o-:-8~-~œa.
Pour tenir compte de l'aire de contact réelle sur la chaussée,
un graphique a été établi qui indique la pression de contact J:OOyenne que
l'on peut adopter (figure 6) .
qo (MPa) 1 ,0
0,9
/ ';'
J
/ / V / roues jumel.ées /
/ J
0,8
J /
'I / / J
J / 0,7
/ V - -/ / roues simples
/ ';'
'I' I ,1
,,V V 0,6
_/'' V -:...-~
0,5 2 3 4 -
P (104 N)
Figure 6 Relation poids sur une roue et pression de concact adoptée pour les calculs.
- 1 S -
Ce graphique est fondé sur la bibliographie, les résultats de
calage trouvés pour diverses expérimentations, et il tient compte également
de la.variation de la pression nominale en fonction du poids nominal recom
mandé par les fabricants de pneumatiques. Cette relation moyenne est adoptée
en l'absence d'essais spécifiques.
La charge unitaire de référence est alors
Jumelage 65 000 N = 2P, q0 = 0,662 MPa, A = 0,04909 m2
a = 0, 125 m D = 3a = 0,375 m
- 16 -
2.3. Modification de la référence
Pour le cas d'une autre limite légale, l'utilisation du graphique
fournit instantanément les nouvelles valeurs à introduire dans ALIZE. Par
exemple pour un essieu de 100 000 N à roues jumelées on trouve q0 = 0,59 fila
a= 0,116 met D = 0,348 m, P = 25 000 N.
Dans la pratique, pour des raisons de comportement non linéaire
des matériaux dans les chaussées, les calculs doivent être faits avec la
charge maximale qui est en principe la charge limite autorisée pour un pays
considéré.
2.4. Autres actions
Si le plus souvent 1 'introduction de la charge uni.taire de réfé
rence cormne indiqué ci-dessus est suffisante, parfois on peut être conduit
à prendre en compte des effets complémentaires (répartitions différentes des
pressions sous pneumatiques, efforts horizontaux, charges multiples •.. ).
2.4.1. Eé2ar~itio!!_diff~!~~~-de~_E!~~si~E~i_fo~_ê._E~ti~~l~èr~~
~~L~~ei!!~~
L 1 effet de la réparti tian différente des pressions n'intéresse le
plus souvent que la partie supérieure de la chaussée. On en tiendra compte si
nécessaire à·l'aide d'un coefficient correcteur établi en utilisant une sché
matisation par un plus grand nombre de cercles représentatifs dont on addi
tionne les effets. (Figure 7) :
a) effet de flanc
25 cm 30
b) foriœ de 1 'empreinte
20 cm
Figure 7 Schématisation particulière du pneumatique.
Positif
25
Négatif
15
.rnII 0
- 17 -
On peut raisonner de même pour une forme différente de l'empreinte.
En général on peut évaluer cet effet en majorant et minorant les valeurs ex
trêmes, en prenant un cercle de diamètre égal à la plus grande dimension de
l'empreinte et un autre égal à la plus petite et en conservant le même poids P
sur la roue.
Ceci fournit la zone de variation et on constate que pour un jume
lage cet effet devient souvent du 2ème ordre.
- 18 =
On admet le principe de la superposition des charges. Une version
du programme ALIZE tient compte directement de cette superposition.
Des résultats d'équivalences ont été établis pour des véhicules
dans le cas d'un certain nombre de structures ou de camions types.
2.4.3. ~!!2nLh2.ri~!!E~ (figure 8)
En général les contraintes issues de ces effets s'atténuent très
vite avec la profondeur et n'intéressent que les quelques centimètres supé
rieurs de la chaussée, 4 à 8 cm avec en général une action opposée de celle
due à la flexion sous un effort vertical.
r= -~o
'
charge horizontale
Txx •Ta # O, 45 q0
Tyy • 0
P-rogramme EOLE
charge -radiale R
Tt" • TQ X a 0
R
si r < a
si r > a
Programme ALIZE
Figure 8: Représentati-On des efforts horizontaux
- 19 -
effo!t_ugi_d~r~c~i~nge! : ir~igage
Une version du programme ALIZE effectue directement le calcul.
La valeur pratique T 0 à introduire dans un calcul peut être prise
comme égale à 0,45 q0 en général.
~fioEt_r~d~a!,_g!i~s~m~n! ~e~ En~u~aEi~u~s
Le contact entre la chaussée et le pneumatique ainsi que les con
ditions de glissement lors du roulement introduisent des efforts horizontaux.
Dans le programme ALIZE cet effet peut être pris en compte par un
effort radial nul au centre maximum au bord.
Cet effort est dirigé vers l'extérieur (extension) s'il s'agit
d'un pneumatique à carcasse radiale, en sens inverse sinon.
La valeur T 0 maximum est de l'ordre de grandeur de q0 (0,5 à 1 q0 ).
Si on peut donc tenir compte de la diversité des types de charges
pour l'utilisation du programme ALIZE, la considération de l'essieu de réfé
rence est pour la majorité des cas suffisante.
Des études sont en cours pour déterminer l'influence des efforts
dynamiques qui sont actuellement globalement intégrés dans le coefficient de
calage décrit au chapitre IV.
3) - INTENSITE D'APPLICATION N
3.1. Principe
On suppose que l'on a choisi la charge unitaire comme indiqué
dans le paragraphe précédent.
On calcule le nombre N en déterminant le nombre d'essieux jour
naliers équivalent.Ne et en tenant compte d'une durée de calcul :
- 20 -
N = Ne x durée de calcul
durée de calcul = nombre de jours par an x nombre d'année x fac
teur de croissance.
3.2. Approche théorique de Ne (figure 9)
Le calcul de Ne nécessite un histogramme des poids d'essieux -
comportant en pourcentage le nombre ni d'essieux par tranche de poids Pi,
Pour chaque structure type, on calcule la contrainte cri pour chaque tranche
de poids Pi·
On additionne les dommages en utilisant la fréquence ni et la
courbe de fatigue du matériau pour le paramètre considéré (enfoncement ver
tical sur le sol Sz ; allongement de traction à la base des couches liées
€T ... ), en adoptant la loi de Miner.
%
ESSIEUX JUMELÉS 1197 .170 essieux contrôlés)
ESSIEUX SIMPLES iof (388.938 essieux contrôlés)
1Sj--15f------l
;, r-----~1-----
r----~'r--~-~ -,
w M ~ = = Q' ~------~
1 l & S • 1 1 ' 1• 11 12 12 1' 15 Il 17 Il li >Il 1 t l 4 S 1 1 1 1 Il t1 tJ: Il 1~ 1' 11 Il li 1t >11
a) Histogramme des essieux du réseau routier national (R.R.N.) français [37]
Log a t:.
b) Lois de fatigue de matériaux
LogN
c) Nombre moyen d'essieux par camion J, 1 (R.R.N.)
Figure 9· Données nécessaires pour le calcul de Ne
- 21 -
3.3. Application au cas Français (figure 10)
Les types de structures rencontrés et la nature des matériaux
utilisée permet de simplifier la méthode en faisant le calcul directement
sur Pi et en admettant la formule d'équivalence :
Ne = Elli
si le nombre de tranche est suffisant.
Pi tranche de poids
Pre poids de référence
Pour a on retient généralement a= 4 chaussées souples ou bitumineuses
o.s
Tous types de structures confondus
a.= 8 Il semi-rigides
Structures Neuves
Semi-rigide ---
Bitumineuse ---
o..___..___...._ ___ _,__ ___ ....._ _________ ~ 25 50 !OO ISO PL/j/sens
io<-----Faible trafic l~Reseau Routier National~ (R.R.N)
Figure 10 : Facteur d'équivalence du traÎic journalier J:!.e...
Npl
- 22 -
...
L'utilisation des résultats statistiques de comptage sur les
routes françaises conduit aux correspondances suivantes : \
Réseau routier national et routes à fort trafic
- Type assises traitées aux liants. h.ydrauliques
structures .neuves
renf orceiilPnt'~ · Neq _;::.. 1.$3 Npt > 5 CU
ot55_
- Type chaussées bitumineuses ~
structures neuves :. Neq = 1, 0 Np1 > 5
CU
renforcements o·,a
- Np1 >5 CU =Nombre de poids lourds de plus de S tonnes de charge
utile {CU) =Définition de 0
l'unité de aomptage des
poids lourds en ~urope.
Voiries secondaires, routes à circulation modérée.
On ne distingue pas les 2 types de chaussée, o.n prend une ex.;..
pression moyenne qui varie avec l'intensité du trafic compte tenu de la mo
dification des silhouettes.
Le coefficient de correspondance est indiqué sur la figure 10.
3.4, Principe du découpage en classes - le catalogue français
Lorsqu'on doit calculer le trafic d'une route, il est alors in
téressant de faire appel à la notion de classes identifiées car on peut im
plicitement y introduire des notions complémentaires de risques différents
suivant l'ampleur du trafic et le type de structures, la nature des matériaux,
les épaisseurs d'application et le type d'entretien usuel, la période de cal
cul.
En France, le catalogue des structures a fondé ses limites sur
un découpage de type logarithmique du trafic rencontré sur le schéma direc
teur de 1971 (Trafic T4 à T1). Les observations ultérieures, la croissance
- 23 -
du trafic (taux moyen 7 % an, entre 1970 et 1977), le changement de type de
structures (emplois préférentiels des structures traitées en 2 couches) et
le nouveau découpage administratif - Réseau routier national a conduit à re
tenir les classes ci-dessous
Classe 1:
Limites (MJA )(2 sens) Moyenne géométrique de calcul (MJA) Np1 > 5 CU ( 1 sens)
To 15 000 40 000 24 495 44 7 125
Tt 6 000 15 000 9 550 174 287
Tz 3 000 6 000 4 260 77 287
T3 1 000 3 000 1 730 31 572
Dans un autre contexte géographique et économique d'autres décou
pages s'imposeraient.
*MJA Moyenne Journalière Annuelle.
- 24 -
CHAPITRE III =MATERIAUX
1) MODELISATION ET DONNEES THEORIQUES
Dans un modèle mathématique de type Burmister la structure de
chaussée est schématisée
- d'une part géométriquement par des couches d'épaisseur h va
riables parallèles entre elles,
d'autre part par les caractéristiques mécaniques des matériaux
constitutifs des couches,
- enfin par la liaison entre les couches.
Les caractéristiques mécaniques retenues pour les matériaux sont
le module d'Young, le coefficient de Poisson et la résistance à la fatigue.
1;1. Module et coefficient de Poisson
module
Le module des matériaux traités aux liants hydrauliques est ob-
tenu lors des essais de traction directe 1 suivant le mode opératoire du L.C.P.C.,
à partir du module sécant au tiers de la rupture. Cette valeur correspond à la
plage des sollicitations de traction réellement exercées dans ce matériau.
Le module des matériaux traités aux liants hydrocarbonés est obte
nu à partir d'essais de laboratoire, normalisés au L.C.P.C., de type divers :
essais de relaxation, essais de traction, compression en flexion •.. En pratique
on distingue, les matériaux neufs pour lesquels on adopte la valeur trouvée en
laboratoire (et reportée sur les fiches suivantes) des matériaux anciens, ayant
subi un certain trafic pour lesquels on adopte un module situé entre celui
d'un matériau sain et celui d'un matériau non traité. Dans la pratique on adop
te généralement dans ce dernier cas une valeur de 2000 MPa, soit le 1/4 de la
valeur du matériau sain.
On utilise la courbe L.C.P.C. (figure n° 11)
o.s
o. 1.
\) o. 3 /
o. 2
0.1 0
V--/'
V
JO 20 30 1.0 50 8°C
Figure 11 Variation du coefficient de Poisson av.e.c 9_
Dans la pratique on adopte :
0,35 pour les matériaux bitumineux (6 = 15°)
0,25 pour les matériaux hydrauliques.
1.2. Résistance et fatigue
- 25 -
Pour les matériaux traités aux liants hydrauliques le paramètre
de rupture par fatigue est la contrainte de traction par flexion (crT) à la
base de la couche.
La limite admissible (crT) pour un nombre de cycles donné et un
risque choisi s'obtient à partir d'essais de laboratoire et de constatations
expérimentales. Pour tous ces types de matériaux, la démarche est identique
à celle présentée pour la grave ciment, présentée ci-après.
- 26 =
Dans le cas des matériaux traités aux liants hydrocarbonés, le
paramètre de rupture par fatigue est l'allongement relatif de traction par
flexion (ET) à la base de la couche. La limite admissible (Ë°T) à retenir
pour un nombre de cycle donné, une température fixée et un risque choisi
découle des essais L.C.P.C. en laboratoire et des valeurs observées sur les
sections d'essais.
La procédure du choix des valeurs est présentée au chapitre IV
et dans les fiches grave-bitume et béton-bitumineux.
1.3. Liaison entre couches
Les conditions de liaison introduites dans le programme ALIZE
sont un collage parfait ou un glissement total. Le cas de l'interface collé
est pris comme hypothèse générale sauf dans le cas particulier de liaison
entre matériaux bitumineux et matériaux traités aux liants hydrauliques. Le
glissement partiel est étudié en considérant successivement le cas collé et
le cas non collé, afin d'obtenir une sensibilité de la condition aux limites.
2) DONNEES NUMERIQUES
Les matériaux de chaussées utilisés en France font l'objet de di
rectives ou recommandations comportant des spécifications concernant leurs ca
ractéristiques physiques, leur mise en oe.uvre conduisant à des propriétés mé
caniques moyennes connues.
Nous avons choisi de présenter 3 matériaux types parmi les plus
utilisés en France : le béton bitumineux, la grave-bitume et la grave-ciment.
- 27 -L.C.P.C. FICHE MATERIAUX
B E T 0 N B I T U M I N E U X
Le matériau de cette fiche est un béton bitumineux dont la formulation
correspond aux spécifications de la directive L.C.P.C.-S.E.T.R.A. de septembre 1969.
Constituants
l. J. Grave
Granularité
Coupure granulométrique
Nature des granulats
Fines
Angularité - Indice de concassage
Dureté
Usage
Domaine d'utilisation (épaisseur)
1.2. Liant
Bitutœ
Pénétration à 25°C
Température B.A.
Indice de pénétrabilité
Point de Frass
1.3. Formulation.
5, 4 %
:93,6%
40/50
55°C
0
- 7°C
Dosage en liant
Compacité
Formule : semi- grenue
0/14
7 % - entièrement concassée
entièrement concassée
LA < 15 CPA > O, 50
couche de roulement - trafic élevé
6 à 10 cm
COUlll[ G•ANULOMETRIQU[
CAILLOUX GRA.Vl[RS 1 GROS $A81.[ 100
" 90 1 l 1 Il 1 i
90 1 :>
" 1 t:? 10
: 1 i \ 1 11 i go :.
1 Î 1 .. 50 ~ .. JI 11111 1 1 1 Il a
SAll.E
1
1
1 1 •O .. 1 1 1 N. r Limites du 1
" fuseau grenu c 30 z
1 1 Ill 1 ~ !- -l I 1 1 111 .. " 20 «
i \! 1 1 1 [1- 1 :> 0 r--.. 1 .. •O
Ill 1 ,J
200 <OO :lO 20 10 • • ' o~ o.• 0,1
Courbe granulométrique
FIN
1
. \
O,j)O O.ot
LaC.P.C. FICHE MATERIAUX
2 1 Module 1 3 1 Fatigue
70 5
1
li 1 ! Il
1
-100 - ' _i 1 1 1 1 i i OO
100 '
1 20" - 11 '
1 1 1 1 : '-- ' 1 1 ! 1
_ ..... 1 !--~ i . 30" --
-l.r.r 1 Ill 1 1
Ill 1
70 100 f(Hz)
Variation du module avec la fr~quence pour une température fixée.
4 1 Interprétation pour le calcul
4.1. Valeurs de laboratoire r~tenues
Module (f = 10 Hz, 6° = 15°)
Pente àe la droite de fatigue
Ecart type sur la loi de fatigue (en logarithme)
Allo~gement admissible à 106 cycles à 50 % de risque, e = 15°
a) allongement moyen d'un béton bitumineux
b) allongement trouvé pour le matériau lors des essais
N Loi de fatigue
EBB = 6000 MPa
b : 1/5
C"N = 0,4
e:6 = l so 10-6
c) allongement retenu pour le calcul e:s = 150 10-6
4;2. Valeurs de calcul retenues
Ecart type sur les épaisseurs (en cm)
ô = [cr2 + (~)2 cr2]1/2 N b H-
Liaison
BB - GB
BB - GC
(1) déduit de l'essai standard L.C.P.C.
crH = 1, 0
= 0,414
collée
collée
(2) déduit des campagnes de vérifications des épaisseurs en place (3) selon la tendance constatée lors du suivi des chantiers
1
108
(])
( 2)
(3)
l,C,P,C, FICHE MATERIAUX
5 1 Choix du coefficient de Poisson 1
o.s
\) o. 3 /
0.2
0.1 0
V--,/
/
70 20 30 1.0 50 8°C
6 1 Choix de la limite admissible 1
1 1 11 1
1 11 I Il
:--.._1 Ill 1 1
0.1 4 10
11 liitr-4+.. . 1 • ,, 1 ,,,
1 1 1 1
1
1
11111
111 1111
111
Ill
111
1
1 1
N
,, '
1 1
Il 1 ''
1111 1 ~.
1 1
1
Variation de ki avec le nombre de cycles
1-0
! 0.9
1 k3
o.a 1
1
Q.7 j i 0.61 0 0.1 0.2 0.3 0-4 0.5
Variation de k3 avec le risque
R o.so 0.45 0.40 0.35 a.JO 0.25 0.20
0.15
0.10
o.os
- 29 -
Variation du coefficient de Poisson avec la température
k2
( ;:)
2. ol 1--_,___.___:--""""'t 1
1s·~ ~--+~~+-~-+-~~
J.O li;;;::=~-_,...~-r----;
0.5 '-! _ __._ _ __,_ ___ ! _ ___. ' JO 15 20 25
8(°C) 30
Variation de kz avec La température
(x)L d~f· . . d ff' . ~ . ~ . h . I'T a e inition e ces coe icients est precisee au c.apitre 1 •
G R A V E B I T U M E
Le matériau de cette fiche est une grave=bitume -~ dont la formulation
correspond aux spécifications de la directive L.C.P.C.-S.E.T.R.A. de septembre 1972.
Constituants
1. !. Grave
Granularité
Coupure granulométrique
·Nature des granulats
Fines
Angulari té - Indice de concassage
Dureté
Usage
Domaine d'utilisation (épaisseur)
1.2. Liant
Bitume
Pénétration à 25°C
Température B.A.
Indice de pénétrabilité
Point de Frass
1 .3. Formulation
3,5 %
88 %
40/50
46
59°C
+ 1, 5
15°C
Dosage en liant
Compacité
Formule semi-grenue
0/20
3 fractions 0/4 - 4/10 - 10/20
calcaire
7 %
entièrement concassée
LA < 25 - Deval humide > 3,5
couche de base - trafic élevé
12 à 25 cm
Courbe granulométrique
l,C.P.C, FICHE MATERIAUX
2 1 Module 1
705
§~§§~~§§§§§§§~§§§ 1 !' ;:: i i 1 ! ;::: ; ·ij
10 100 f(Hz)
Variation du module avec la fréquence pour une température fixée.
4 l Interprétation pour le calcul
4. 1. Valeurs de laboratoire retenues
Module (f = 10 Hz, 90 = 15°)
Pente de la droite de fatigue
Ecart type sur la loi de fatigue (en logarithme)
Allongement admissible à 106 cycles à 50 % de risque, e = 15 °
a) allongement moyen d'une grave bitume
b) allongement trouvé pour le matériau des essais .
c) allongement retenu pour le calcul
4.2. Valeurs de calcul retenues
Ecart type sur les épaisseurs (en cm)
ô = [cr2 + (~)2 0 2]1/2 N b H
Liaison GB - BB
GB - GB
GB - PF j
(1) déduit de l'essai standard L.C.P.C.
3 I Fatigue
lors
N
-Loi de fatigue
EGB = 8000 MPa
b = 1/5, 25
crN = 0,4
e:5 = 90 10-6
e: 6 = 92 10-6
e:5 = 90 10-6
iJ'H = 2,5
= 0,478
collée
collée
collée
(2) déduit des campagnes de vérifications des épaisseurs en place (3) selon la tendance constatée lors du suivi des chantiers
- 31 -
1
708
( 1)
(2)
(3)
l.C,P.C, FICHE MATERIAUX
10
5 1 Choix du coefficient de Pois son 1
0.5 V- --
/
V , /
\) o. 3 1
o. 2
0.1 0 JO 20 30 ~o so
8°C
6 1 Choix de la limite admissible 1
1
r---1 1
1
1
' ' '' 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 Il 1 1
1 11 1111 1 1 1111
1 mtiit-H-LUI! ' ,, ' 1 1
i ! 1 1 1 ' ' 1 1 1 Il 1 1 1 1 1
1 1 11 1
11 1
'. '
'' ' ' 1 1 ! 1
1 1 1
11 11
1 1
106
N
' 1 1 1 1 1 1 1 1
Il 1 1
11 Il Il 1
! 1 Il 1111
• '1 1
'' ' 1 ! 1 Il 1 ·~
11!11
11111
111
Variation de kJ avec le nombre de cycles
R
1.0 ~~~~~§~;J::I~~ o.so ~ 0.1.5 0.1.0
0.9 F-+--~~~P--o::i..=....,,_.P--~~I 0.35
o.7 ,__..._ _____ __, ___ -!-'-...t-~
o.5 ..._....._~_._-__..__. __ .._ __ _ 0 0.1 o. 2 o.J 0.4 o.s
t Variation d~ k3 avec le- risque
a.JO o.25 0.20
0.15
0.10
o.os
Variation du coefficient de Poisson avec la température
(x)
2.01
J .s 1--1 -t---i--...___
75 20 25 er0 c;
JO
Variation de k2 avec la tempéra.ture
(-X)L d~f· . . d ff' . ~ . ~ a e inition e ces coe icients est precisee au chapitre IV.
- 33 -
L.c.r.c. FICHE ~ATERIAUY
G R A V E C 1 M E N T
Le matériau de cette fiche est une grave ciment dont la formulation cor~
respond aux spécifications de la directive L.C.P.C.-S.E.T.R.A. de septembre 1969
complétée en octobre 1975.
1 Constituants
1 . 1 • Granulats
Grave
Coupure granulométrique
Nature de la grave
Fines
Angularité - Indice de· concassage
Dureté
Usage
Domaine d'utilisation (épaisseur)
1 . 2. Formulation
Classe de ciment
Dosage en ciment
Teneur en eau
Densité sèche
Compacité
Essai à
CPA 325
3,5 %
WopH _! - 6 %
2' 16
OPM
90 j
0/20
3 fractions 0/4 - 4/ 10 - 10/20 ·
2 à 6 %
IC = 100
LA < 30 - DH > 3
couche de bd.se
15 à 25 - (28) cm
CDUltlE GAA,.ULOM(TAIQU(
C.&ILL.OUX j GR.t.Vl(1'5 GAO.S S.A8L.[ $Ail.( FIN
~ol:!:P:l:+m:èi:'.l=i::±m:+:;:i:i::i:iil::i::::!::;:)'.::=a!iri:~:::bq:I::~:r:i::::::i
~H+H-+++++++~!_'~1 .;.++!+;-!-..........,,__,~1~1-++""--"-l ........... ,l~I ................... ~ •O ~++++-il--H-l+r1 +++4+-~f+.-HI i+H+l-+-+-1 ..j..ll.111-+-+++i+I ~
: 10 Htttt~t-t'~' ttt+++++-'--1--+++H-++++++-'--'-I -+l!+;-.;++H-41 --"-1---4
~ so \ 11
: i 11 i' 1 1 1 ! il 1 1 1
l 1 1 i : ~o 1 11 1 111 ~ i 1· 1 1 1 11 1 ~.) 1 1 : 1: 11!11 ! 11' i 1!1111 1 1 lîl 1111 1
30 11 i 1 i 1 1111 ill I i }._ 111 . iii 1 1 !. Ili 11111111 1 1 to ! 1 1111 1 \ i 11 i 1 i 1111 ! 1 lî --L 111 !· 1 11 IT 1 i 111 •O 11111 1 i i Ili li Il 1 l\~µJ· !111111 1·
li 1 1 1 \11 11
1\ I ! 1 1 1 llifR 200 100 !O zo 10 ' 1 o~
Courbe granulométrique
l1C.P.C, FICHE MATERIAUX
2 1 Paramètres pour le calcul
2. 1. Valeurs de laboratoire retenues
Module . (~)
Pente de la droite de fatigue
Ecart type sur la loi de fatigue (en logarithme)
Résistance à la flexion cr o
a) résistance moyenne d'une grave ciment
b) résistance trouvée pour le matériau lors des essais
c) résistance retenue pour le calcul
2.2. Valeurs de calcul retenues
Ecart type sur les épaisseurs (en cm)
ô = [ crN2 + (!:.) 2 cr2] l /2 b H
Coefficient de Poisson
Liaison GC - BB
EGc = 20 000 MPa
b = l / 12
1. 0
cro = 1,4 MPa
cro = 1,69 MPa
cro = 1,69 MPa
3
] '232
\) "' 0' 25
collée
( 1)
(2)
GC - GC t (collée + décollée) (3)
GC - PFj collée
(x)pour 105 < N < 107 en représentation bilogarithmique
3 1 Choix de la limite admissible cr = (k1 - k3). k4 cro (x)
1.0.-...,-r-rr-rmi---..-rrTT'l'TT-,.....,...,...,..,..,.,,..,.-,--,...~..,.,,.,
o. 9 r--t-H-+-ttt++--+-t-++++H+-+-+++++1-4--1-+-..J...!..1~
ki = - s k3 = t b ô
k4 = 1 ,5
1 log N avec S=TI2
• k1
Q.8 ,__ ____ ~-+-'-!-f.
0-4 r--t-t-tt-+ttt+--H-++++tt+-+-++H~-'=1--4++.!H o. o. 0.1
0 ' 10
(1) déduit de l'essai standard L.C.P.C. (2) déduit des campagnes de vérification des épaisseurs en place (3) selon la tendance constatée lors du suivi des chantiers (~) la définition de ces coefficients est précisée au chapitre IV.
- 35 -
Remarques
. Sur ces fiches ne sont pas représentées ~es variations et les
tendances quand un ou plusieurs paramètres constitutifs du matériau varient.
Certaines de ces variations sont connues, d'autres en cours
d'étude au département des chaussées du L.C.P.C. [22, 23].
- 36 =
CHAPITRE IV - APPLICATION PRATIQUE
1) DE LA THEORIE A LA PRATIQUE
ALIZE calcule les allongements et les contraintes dans un espace
de n couches soumises à un chargement particulier ; mais ce n'est qu'un outil
de travail dont les résultats n'auront de valeur que dans la mesure où les
paramètres d'entrée seront justes. A titre anecdotique, rappelons que notre
surprise fut tout de même assez grande de constater lors des études de suivi
des sections d'essais, que certaines structures avaient supporté sans dommage
apparent, un trafic assez considérable, sous des contraintes bien supérieures
à la valeur que nous pensions être la limite admissible de rupture.
Par rapport à un calcul théorique, que se passe-t'il dans la
pratique ?
!~§E.ai~~~~E d'une· couche de chaussée n'est jamais constante quel
que soit le soin apporté à la mise en oeuvre. On constate parfois que l'épais
seur moyenne des matériaux en place est différente de l'épaisseur nominale de
la structure, et toujours que cette épaisseur en place varie dans une fourchette
plus ou moins grande selon la couche, le matériau, le matériel de mise en oeuvre.
!~LE.E2.E.!f.étés_més_~f,g,~~L~~~-!!!!S§Ei~~ sont également inéluctable~
ment entachées d'une certaine dispersion tant lors des essais de laboratoire
que lors des vérifications in situ ; les granulométries respectent un fuseau
de tolérance et non une courbe, les teneurs en liant, compacité, etc ... sont
variables à l'intérieur des spécifications.
!~_!!!2.~~-~~-~E.~~~in_~it~ n'est pas rigoureusement identique à
celui d'une éprouvette en laboratoire.
Le calcul de chaussée doit intégrer ces dispersions ou ces diffé
rences de comportement, ce qui nécessite obligatoirement une grande connais
sance expérimentale des matériaux et des structures ; cependant, il n'est pas
- 37 -
possible de prendre systématiquement en compte ces dispersions dans leur to
talité pour de simples raisons économiques d'où l'intérêt d'introduire un
coefficient de risque, attaché à une structure, qui traduit en quelque sorte
l'incertitude que l'on accepte entre le calcul théorique d'une structure et
le comportement in situ sanctionné par la pratique dans des cas analogues.
o o ou oo
Oad = k ON'
log N N nominal N' corrigé
lère étape prise en compte de la dispersion en épaisseur et en qualité, ainsi que d'un coefficient
de risque. log N' • log N + t ô t (risque)
ô (dispersion)
2ème étape prise en compte du comportement in situ par rapport au comportement en laborato~re
Oad = k ON'
Figure 12 : Prise en compte des dispersions.
On introduit (figure 12) la dispersion des épaisseurs en place et
des propriétés mécaniques des matériaux au niveau de la détermination du tra
fic pris en compte dans le calcul :
log N' = log N + t ô .
N' trafic corrigé (intensité d'application de la charge unitaire),
N trafic nominal,
t coefficient de risque,
8 paramètre lié à la dispersion d'épaisseur et de qualité des ma
tériaux.
- 38 -
Ceci revient donc à retenir sur la droite de fatigue du matériau,
une contrainte admissible crN' < crN qui prend en compte l'existence in situ de
zones d'épaisseur inférieure à l'épaisseur nominale que l'on adoptera et des
matériaux aux caractéristiques plus faibles que celles obtenues en moyenne en
laboratoire.
La différence de comportement entre le matériau type testé en
laboratoire et celui rencontré in situ, est prise en compte dans la détermi
nation de la limite crad à laquelle sera comparée à la valeur de la contrainte
fournie par ALIZE: crad k.crN'·
k étant/un coefficient de calage obtenu expérimentalement par
exemple lors du suivi des sections d'essais.
L'application pratique consiste donc à appliquer la formule
= au lieu de =
k et crN' étant des valeurs calées par l'expérience du comportement des maté
riaux in situ, et de leur mise en oeuvre usuelle dans le cadre de la légis
lation et de la pratique des marchés français.
2) VALEURS EXPERIMENTALES FRANCAISES DES DISPERSIONS
Lors des essais de fatigue à contrainte ou déformation imposée,
on constate une dispersion qui se présente sous la forme d'une variable aléa
toire centrée. On écrira donc la loi de fatigue
au lieu de
log cr = a - b (log N + y crN)
log cr = a - b log N
cr contrainte moyenne provoquant la rupture pour N cycles,
a et b : paramètre de la loi du matériau considéré
- 39 -
crN écart type de la loi de fatigue exprimé en logarithme déci
mal du nombre de cycles,
y variable aléatoire normale centrée réduite.
Expérimentalement lors des essais réalisés selon le mode opéra
toire du L.C.P.C., on a trouvé en rooyenne, les valeurs suivantes :
MATERIAU crN
grave bitume 0,4
grave liant hydraulique 1
sable liant hydraulique 0,8
grave latérique ciment 0,8
La dispersion des épaisseurs en place engendre localement un
surcroît de contrainte (ou de déformation). La variation de contrainte peut
s'écrire
log cr = log Z - c.x. crH
cr contrainte en place
Z contrainte dans la structure nominale
crH écart type de la loi de variation des épaisseurs en place
c coefficient numérique lié au matériau considéré
x variable aléatoire normale centrée réduite
crH dépend des matériaux, de leur épaisseur nominale, du matériau
et du mode de mise en oeuvre, du soin apporté au chantier et parfois égale
ment du type de contrôle prévu dans le marché de travaux. A l'issue de plu
sieurs campagnes de contrôle d'épaisseur portant sur les principaux chantiers
français, on a trouvé les valeurs suivantes :
~ 40 -
MATERIAU PLAGE D'EPAISSEUR crH
grave bitume de 12 à 20 cm 3 cm
grave hydraulique de 15 à 25 cm 3 cm
sable hydraulique de 15 à 25 cm 2,5 cm
béton bitumineux de 6 à 8 cm 1 cm
Il y a lieu de noter que ces valeurs qui peuvent paraître élevées
ne sont pas en infraction avec la législation qui régit les marchés de tra
vaux pub lies français ; ces valeurs pourront être modifiées le cas échéant,
en fonction des résultats constatés lors des contrôles de chantiers.
La valeur du coefficient c est obtenue à partir d'une étude de
sensibilité des contraintes de traction sous l'effet de'.la variation de l'é
paisseur. En utilisant les abaques bicouches pour différentes valeurs de
Ei/Ez et pour une variation constante de 5 cm de l'épaisseur, on calcule la
variation ~cr/cr de la contrainte et celle-ci exprimée en 19garithme décimal
est à peu près constante et de valeur égale à 0,02.
Par une combinaison des relations précédentes, on définit une
nouvelle variable aléatoire dont l'écart type o prend en compt~ les deux
dispersions précédentes :
0 = [cr2 N
2 1 Cf) ]2
Le nombre de cycles N' utilisé pour le calcul est une variable
aléatoire de moyenne log N (N étant le trafic cumulé nominal) et d'écart
type o.
Si le caractère aléatoire du dimensionnement d'une chaussée est
facilement appréhendable d'un point de vue mathématique, il reste à le tra
duire sous forme de risque :
- 41 -
Le problème est de savoir ce que représente un risque de 10 %
par rapport à un risque de 20 %, sachant que par hypothèse un risque de R %
représente le pourcentage de chaussée dégradée au bout de la durée de vie
choisie ; choisir un risque c'est essayer de mesurer le caractère aléatoire
du calcul d'une chaussée.
Considérons une variable aléatoire de loi normale centrée réduite
en se plaçant au centre, on accepte un partage égal entre la sécurité et la
possibilité de dégradations (figure 13) :
Figure 13 -
sécurité risque de dégradations
- OO 0 t + OO
Pour un risque donné, on calcule l'aire achurée entre t et
l'infini t, appelé fractile de la loi nonnale réduite centrée, est directe
ment lié au risque et s'exprime en fonction de l'écart type :
Risque Valeur en % de t
50 0
30 0,52
20 0,84
10 1, 28
5 1, 65
2 2,05
~ 42 -
Dans le catalogue de structures des chaussées françaises, on a
adopté les valeurs suivantes
CLASSE DE TRAFIC RISQUE t EN %
To 2,5 1. 96
T1 5 1, 645
T2 12 1, 1 75
T3 25 . 0,674
.
Un catalogue de structure perd une partie de son sens s'il n'est
accompagné d'indications sur la valeur du risque attachée à une structure.
Dans _le~_ différents catalogues français (chaussé.es neuves, renforcement,
chaussées à faible trafic) -on a adopté des risques différents selon le niveau
de trafic, c'est-à-dire selon l'importance économique de l'itinéraire.
Cette notion peut s'exprimer de deux façons
Soit indiquer pour chaque classe, la période P1 de référence atta
chée à un risque variable Ri ; soit indiquer pour un risque identique Rz, la
réduction de la période de référence P2/P 1. Dans le cas des structures de ren
forcement en matériaux traités aux liants hydrauliques, ceQi donne :
CLASSE DE TRAFIC PJ R1 R2 Pz/P1 TRAFIC NOMINAL N
To 90 106 1 2,5 % 5 % 1'41
T1 3,47 106 1 5 % 5 % 1
Tz 1, 94 106 1 12 % 5 % 0,60
T3 0,64 106 1 25 % 5 % 0,34 ·--
Nota P1 est de l'ordre de 20 ans.
- 43 -
3) DETERMINATION DES LIMITES ADMISSIBLES
Il s'agit de comparer l'allongement ou la contrainte fournies
par le calcul issu de l'application du programme ALIZE, à la valeur limite
du matériau considéré, découlant d'essais normalisés en laboratoire, calés
par des vérifications de comportement en place, soumis durant plusieurs années
à un trafic connu (environ 12 ans pour les sections d'essai françaises).
Pour illustrer numériquement la méthode, nous avons considéré
deux matériaux décrits dans les fiches précédentes : grav.e bitume et grave
ciment.
3.1. Détermination de l'allongement admissible pour la grave bitume
La déformation admissible pour un nombre de cycles N estimé, un
risque R accepté, une température donnée et une déformation de référence s 6 connue s'écrit sous la forme suivante
ss est lu sur la fiche du matériau (cf chapitre III).
Pour la grave bitume de référence :
= à N = 106 8 = 15° f = 10 Hz
Coefficient kJ
Le coefficient k1 représente la variation de la limite admissible
quand le nombre de cycles pris en considération, n'est plus 106, à température
fixée (figure 14).
matériau
La valeur de k 1 est directement liée à la droite de fatigue du
=
1 ~)~
N avec a = 5,25
10 '
1 1 ' 1 ' 1 1 1 1 1 ' ' 1 1 1 1 11 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1
r---.
1
-;... -~· 1 __ 1_1 1 1 --..
' '
1 ' 1 1 '. 1 1
1 _,_ 1 1 i"":"'~
1 1 1 1 1
N Figure 14 Variation de k 1 avec le nombre de cycles normal
Coefficient kz
Lorsque la température de référence n'est plus 15°, la valeur de
la limite admissible change. Cette variation représentée par le coefficient k2
est figurée sur le graphique 15 :
2-0
1.S
1.0
os 10
1
1
15
• /
__,/ V
1
20 25 30 8(°C)
Figure 15 Variation de kz avec la température
- 45 -
Coefficient k1
Ce coefficient prend en compte le risque R accepté, il se déter
mine sur le graphique suivant :
0.5 0 0.1 0.2
ô 0.3
Figure 16 : Variation de k3 avec ô
Coefficient k4
0.4 0.5
pour un risque
R o.so 0.45 Q.40 0.35 Q.30 Q.25 0.20
0.75
Q.JO
a.os
donné
Ce coefficient regroupe les variations engendrées par les modé
lisations sur les essais, le trafic et les matériaux, par rapport au compor
tement réel de la chaussée ; il est indiqué sur les fiches "matériaux".
Dans une zone portuaire, à trafic important mais lent, en climat
chaud, pour une grave bitume réalisée dans les conditions courantes, on
adopte les hypothèses suivantes :
N = 3 105 e = 27,5° f = 2 Hz 0 = 0,509
Dans ces conditions pour les deux risques de 5 % et 50 % on retien
dra les valeurs suivantes pour les allongements limites admissibles
-- 46 -
8 50 % = 184 10-6
E 5 % = 127 10-6
a) R = 50 % kt = 1, 26, k2 = 1'25' k3 = 1 ' k4 = 1,3
b) R = 5 ï. k1 = 1,26, k2 = 1, 25, k3 = 0,69, k4 = 1 ,3
3.2. Détermination de la contrainte admissible pour la grave ciment
La contrainte admissible pour un nombre de cycles N estimé, un
risque R accepté et une résistance à la flexion cr 0 mesurée s'écrit sous la
forme :
cr = (pas de variation en fonction de
la température, d'où pas de coefficient k2)
cr0 est lu sur la fiche du matériau. Pour la grave ciment de ré~
férence cro = 1,4 MPa.
Coefficient k1
Ce coefficient mesure la variation de la contrainte admissible
avec le nombre de cycles, il est directement lié à la droite de fatigue du
matériau.
kt = 1 - S Log N
où s est la pente de la droite de fatigue.
Coefficient k3
Ce coefficient prend en compte le risque accepté, il se détermine
à partir de la relation
k3 = t. b. ô
où t
b
8
est le fractile de la loi normale pour le risque R,
la pente de la droite de fatigue,
!'écart type de la dispersion
Exemple Sur la grave ciment
N = 106 cycles cr 0 = 1,40 MPa 1 b =-
12
Coefficient k4
- 47 -
8 1,232
Dans le cas des matériaux traités aux liants hydrauliques la
valeur moyenne est de 1,50. Cette valeur figure sur les fiches "matériaux".
4) COMMENTAIRES
4.1. A propos du coefficient de calage
Expérimentalement il a été constaté que la valeur admissible sur
chaussée en vraie grandeur est supérieure à celle déterminée en laboratoire
sur éprouvettes rompues selon le mode opératoire L.C.P.C. Ceci peut provenir
de plusieurs causes : l'une peut être que le comportement en plaque est plus
favorable que le comportement unidirectionnel sur éprouvette ; une autre,
qu'il s'écoule un certain temps entre l'amorce d'une fissure de fatigue en
bas de couche et son apparition à la surface, ce qui conduit à ne pas appréhen
der la rupture au même instant sur éprouvette et in situ ; une autre encore
pour les liants hydrauliques peut venir de l'âge de l'éprouvette au moment de
l'essai (90 jours) •.. Ce problème ardu fait l'objet de recherches de la part
de la section Mécanique des Chaussées du L.C.P.C., sur le plan théorique et
expérimental (manège de fatigue).
- 48 -
4.2. A propos du risque et du coefficient d'incertitude
Il y a lieu de noter que l'erreur que l'on connnet en déterminant
une structure à partir des performances moyennes d'un matériau sans que
celles-ci ne soient vérifiée~ rigoureusement, est souvent mineure devant
l'incertitude que l'on a sur le trafic que peut véritablement supporter
cette structure. Ceci explique que dans un catalogue on répugne à indiquer
la "durée de vie" de manière à ne pas donner de vaines illusions à un lec
teur non averti et que d'autre part on préfère comparer des structures entre
elles sous forme de rapport de longévité, plutôt que d'indiquer pour chacune
une durée de vie dénuée de sens.
cr En effet, la longévité d'une chaussée est liée au rapport de
cr ad
la couche provoquant la rupture ; crad est lié à l'intensité du trafic, soit
No~ N', de manière beaucoup plus lâche que cr n'est relié à l'épaisseur de
la couche. On commet donc une erreur moins grande en dimensionnant une chaus
sée neuve, malgré l'incertitude introduite par l'estimation de l'intensité
du trafic, que celle à laquelle on aboutit en évaluant la durée de vie rési
duelle d'une chaussée existante ou h est connu.
- 49 -
CHAPITRE V - EXEMPLES D'APPLICATION
1) TRAFIC COMMENT CHANGER D'ESSIEU DE REFERENCE ?
Considérons un pays où la charge de référence et le spectre du
trafic ne sont pas les mêmes qu'en France et déterminons le nombre d'essieux
journaliers équivalent Ne.
Dans le p&ys choisi pour cet exemple la limite légale de la charge
sur l'essieu arrière est de 10 000 daN et le spectre du trafic est le suivant:
%
40 ~ 30
1 ! 1 1
20 - :1 !
H l 10 QLL..i...!..L_._;L..__.::==::::J::==i:__
2 4 6 8 10 12 14
Figure 17 : Charge sur l'essieu arriêre (104 Nl
La schématisation de la charge de référence a été faite au ch. II.
Appelons Pi le poids de l'essieu attaché à la classe de trafic
fixée par les bornes Pi_ 1. La classe est suffisamment petite pour que nous
puissions admettre une répartition uniforme des essieux à l'intérieur de
cette classe et de ce fait Pi est donné par la relation
- 50 -
dans laquelle À
L'abaque suivant donne les valeurs de z Pi = pour des valeurs Pi
de À allant de 0,4 à 1 et les valeurs a de 4,6 et 8.
z
Q95
0,90
l 1 - À (l + l (l
z = [(l+a.) (1-.\)l 1
0,75,___~__.._...__.__.___ !... 0,4 0,5 0,5 OJ 0,8 Q,9 LO
Figure 18 : Abaque de la fonction Z o
L'application de cette méthode de l'indice de trafic, au spectre
moyen du pays considéré donne :
1~ Il • 4
1
1 a • 8
c1 n1 ?1·1 z P1•?1Z. pa n;P~ 1 z P1•P;Z P~ ~al nl'i' 1r:P ?1 .\ • Pi 1
1 T T .
, 1 0,19 2.0 J,5 0.57 0,81J 1 2,1345 65.597 1 12,483 1 0.844 2,95J 5.782 1.0991
1 2 1 0,39 3.5 5,0 0.70 0,863 1
4,315 1 346,637 i 135,189 0.879 1
4,394 138,838 54.1•7
1 31 0,34 i s.o 1 6.5 0.769 0,892 5.798 1 1129.882 1 384.160 1 0,901 1 ;m
1:;88,541 47:!, 104 • a.os j s.5 10.0 0,65 0.843
1 8,430 1 5051.263 1 252.563 0.864 8,641 31088,511 1554.426
5 0,02 110.0 13,0 0.769 0.892 11,595 ' 18078, 116 361,562 Q,901 11,718 355466.614 7109.33~ 1 l 6 1 0,01 1 13.0 115,0 0,867 0,936 ! 14,038 i 38833,827 1 388,338 0,939 14,0134 1548431,95 154134.319
1 ! ' I· !'. n1 P, .. 1534,275 i 1 ' !: n, ?111 . 24675.427 1
1
- 51 -
c'est-à-dire que nous obtiendrons l'indice de trafic (nombre d'équivalent
essieux de 10 t) du pays en multipliant le trafic réel total par 0,25 dans
le cas des matériaux traités aux liants hydrauliques et par 0,15 dans le
cas des matériaux traités aux liants hydrocarbonés.
2) MATERIAU : COMMENT MODELISER UNE GRAVE BITUME DANS UN
PAYS TROPICAL
Considérons une structure de chaussée dont la couche de base est
en grave bitume. Le problème est de connaître les valeurs des caractéristi
ques mécaniques et de fatigue qu'il faut retenir quand ce matériau est utili
sé dans un pays ou la température moyenne annuelle est de 30°C.
La grave bitume choisie est celle de la fiche donnée au ch. III.
2. 1. Module
Pour une température de 30°C et une fréquence de 10 Hz le module
à introduire dans le modèle ALIZE est de :
EGB = 4000 MPa
2.2. Coefficient de Poisson
Dans les mêmes hypothèse que précédemment la valeur du coefficient
de Poisson à prendre en compte est de :
VGB = 0, 40
- 52 ~
2.3. Limite admissible
L'allongement admissible
une température de 15° est égal à :
=
6 à IO cycles, 50 % de risques et pour
Si nous prenons un trafic de 107 cycles d'essieu de référence et
un risque choisi de IO %, la limite admissible à retenir est alors :
soit
I07 - I/5,25 = (-)
Io6
kz = I ,3
e: = 75 10-6
= 0,645
En définitive les caractéristiques de la grave bitume à introduire
dans le modèle sont :
EGB = 4000 MPa
v.GB "" 0,40
et l'allongement relatif e:T obtenu après calcul est à comparer avec la va
leur admissible :
- 53 -
3) COMPARAISONS DE VARIANTES
En général lors d'un appel d'offres, des variantes de la solu
tion de base sont proposées ; de même lorsqu'on recherche une scructure de
chaussée, on peut être amené à examiner diverses combinaisons de matériaux
et d'épaisseurs. Il s'agit alors de comparer les solutions pour voir si elles
sont équivalentes entre elles pour rechercher celle qui paraît la plus judi
cieuse.
3. J. base et fondation variables
Soit une chaussée composée d'une fondation en sable ciment et
d'une base en grave bitume. La solution de base composée de 5 cm de BB, 20 cm
de GB et de 20 cm de SC est-elle la plus judicieuse ?
Les résultats dans le tableau I et à sa lecture, on remarque les
points suivants
a) - A 50 % de risque les couches de base et de fondation ont le même nombre
de cycles admissible,
b) - Pour le trafic nominal de 5 106 cycles la couche de fondation a un ris
que de rupture de presque 20 % supérieur à celui de'la couche de base.
Si le premier point peut permettre de penser que la structure
est judicieusement choisie (et même surdimensionnée), l'analyse du deuxième
point nous indique que cette structure est mal adaptée.
- 54 -
LCPC Etude :Solution de base
Division Structures el Coroc/eristiques des Chaussées
Trafic nominal: 5 10 6 cycles
ALIZE Ill
cou- épaisseu~ module paramètre N' risque risque N che nature liaison limite de pente de pour pour pour n• cm MPa résistance calcul R=50% N R=5% R:::10%
·1 aa s 3000 c
2 GB 20 t.000 [6=90 10-6 _1_ 89 10-6 16.7 10
6 15 % 2.1. 10
6 3.7 10
6
S.25 NC
3 SC 20 12000 (J" :1.3 /vfPo -'- o.7a MPa 15.8 105
34% ais 106
04 106
c 0 12
/, PF) 120 é - 0.01 z- N0.2 238 10-6
131 106
Commentaires :
L CP C n• 27
TABLEAU I
En effet, la probabilité est très forte que la couche de fonda
tion en sable citœ.nt ne se rompt par fatigue avant la couche de grave bitume,
ce qui conduira à renforcer la structure. Par contre en ramenant les deux
couches à un niveau de risques comparables d, sans nécessairement augmenter
la structure, on tire un meilleur parti de la grave bitume, beaucoup plus
coûteuse que le sable citœ.nt, et l'on peut envisager un aménagement progres
sif de la chaussée.
- 5 5 -
3.2. influence de la fondation, la base étant fixée
La recherche de l'équilibre entre les deux risques passe par une
étude de tendance des variations des contraintes ou des risques, en fonction
de l'épaisseur du sable ciment. En reprenant l'exemple précédent, on fait
l'hypothèse que pour différentes raisons liées à la formulation des maté
riaux, à l'économie globale du projet et à la politique de gestion choisie
reposant sur l'idée d'un aménagement progressif possible, l'épaisseur de la
couche de roulement en béton bitumineux 0/14 sera de 8 cm et celle de la
grave bitume 0/20, de 15 cm. On examine alors l'influence d'une variation de
la couche de sable ciment dans une plage de 18 à 30 cm (mini et maxi techno
logiques pour ce chantier puisqu'il s'agira de traitement in situ), avec un
pas de 3 cm pour les calculs, sur la contrainte aT à la base de la couche de
sable et l'allongement ET à la base de la grave bitume.
Pour chaque épaisseur de la couche de fondation nous avons déter
miné, à· partir des contraintes et des allongements relatifs fournis par ALlZE,
les risques encourus par le SC et la GE. Sur la figure n~19 ·nous avons réporté
ces risques ainsi que leur différence. On s'aperçoit qu'à partir d'une épais
seur de fondation de l'ordre de 28 cm, LiR devient pratiquement nul ou tout au
moins de l'ordre de grandeur de l'erreur d'appréciation commise sur R. Cette
épaisseur est également compatible avec la technologie de mise en oeuvre choisie
et c'est donc une épaisseur que l'on peut retenir pour la structure.
R(°lo) 50
30
t:.R(°lo)
15
101
201
':['-"'~-'------'-~-'---_.._~ :t--- ------- ml
18 21
Figure 19 ·-
27 30 h (cm) SC
18 21 24 27 30 h (cm) SC.
- 56 -
3.3. présentation générale
La comparaison de la solution de base et de ses variantes peut
se faire à l'aide de graphes (figure n° 20) indiquant pour un itinéraire
donné :
à trafic donné, le risque correspondant à chaque structure,
pour la couche la moins résistante,
- à risque donné, le trafic théorique que peut supporter chaque
structure.
Cette présentation a l'avantage de mettre en évidence les dif
férences entre les solutions sans imposer l'une plutôt que l'autre, ce qui
facilite un choix ultérieur, par exemple après avoir décidé de la politique
de gestion et comparer les coûts d'investissement.
Dans l'exemple précédent, on constate que la couche de fondation
de la solution de base est sous dimensionnée par rapport à la couche de base.
L'alternative est donc soit de réaliser une économie substantielle en rédui
sant l'épaisseur de la couche de base, ce qui ne modifiera pas de manière
importante le trafic réellement supportable par cette structure, soit d'aug
menter la couche de fondation pour pouvoir supporter le trafic initialement
prévu.
R J'
(%)
o.s -
0.1, -
0-3 -0.2 -Q.J -
0 Légende
1N::S106
!
0
6 Solution de base 0 Variante
N '•
107 _ 0
6 10 -
Â
5 10 -
104 -
JO] -
Figure 20 -
1 R =10%
1
1
- 5 7 -
CONCLUSION
Une méthode de dimensionnement des chaussées n'est pas un pro
gramme de calcul ; c'est un ensemble comprenant une connaissance théorique
du mécanisme de.la rupture, des essais de laboratoire concernant les pro
priétés mécaniques des matériaux, des vérifications du comportement sous
trafic de ces mêmes matériaux, des suivis de mise en oeuvre et de réalisa
tion de chantier ••• La qualité de la méthode vaudra par la justesse des hy
pothèses concernant les paramètres d'entrée.
La justesse de ces paramètres d'entrée dépend de la qualité, du
nombre et de la durée des observations qui ont permis de les définir. De ce
fait, l'expérience augmentant avec l'âge, il n'est pas déshonorant de révi
ser épisodiquement son point de vue et de procédér à des refontes de catalo
gues de structures par exemple. De ce fait également il est nécessaire de
poursuivre les observations et les recherches même après là publication d'un
catalogue de structures.
Quoiq~e l'outil de travail dont dispose le L.C.P.C. puisse paraître
déjà conséquent en raison des heureuses circonstances qui ont voulu que de
puis une quinzaine d'années, essentiellement en raison des travaux de renfor
cement du réseau national, un grand nombre d'études et d'observations expé
rimentales aient été faites, des développements complémentaires .sont en cours.:
- du point de vue expérimental : par le lancement en janvier 1982
du manège de fatigue qui permettra une accélération des observations en si
mulant 20 années de trafic autoroutier en l'espace de 3 à 5 mois.
- du point de vue théorique : par l'étude du mécanisme de la fis
suration et de sa propagation.
Il est donc à espérer que les indications numériques contenues
dans cet article deviennent très vite sinon obsolètes, du moins complétées,
renforcées ou atténuées par l'expérience à venir.
-- 58 -
R E F E R E N C E S
A - DOCUMENTS OFFICIELS DE L'ADMINISTRATION FRANCAISE
[!] Catalogue SETRA-LCPC des structures types de chaussées neuves, édition 1977.
[2] Dimensionnement des renforcements de chaussées souples, Guide technique
SETRA-LCPC, 1978.
[3] Chaussées neuves à faible trafic, Manuel de conception SETRA-LCPC, 1981.
[4] Entretien préventif du réseau routier national, Guide technique SETRA-LCPC,
1979.
[5] Réalisation des assises de chaussées en graves-ciment, Directive SETRA-LCPC,
1969 et Complément 1975.
[6] Réalisation des couches de surface de chaussée en béton bitumineux, Direc
tive SETRA-LCPC, 1969.
[7] Réalisation des assises de chaussées en graves-bitume et sables-bitume,
Directive SETRA-LCPC, 1972.
[8] Réalisation des assises de chaussées en graves-laitier et sables-laitier,
Directive SETRA-LCPC, 1973 et Complément 1980.
[9] Réalisation des assises de chaussées en graves-émulsion, Directive SETRA
LCPC, 1974.
[JO] Réalisation des assises de chaussées en graves non traitées, Recommanda
tion SETRA-LCPC, 1974.
[II] Réalisation des assises de chaussées en graves-cendres volantes-chaux et
sables-cendres volantes-chaux, Recommandation SETRA-LCPC, 1978.
- 59 -
[12] Réalisation des enrobés bitumineux en couche Illl.nce pour l'entretien des
chaussées renforcées et des chaussées neuves, Note technique SETRA-LCPC,
1979.
B - AUSCULTATION ET DIMENSIONNEMENT
[13] FAUVEAU B., SIFFERT M., Renforcements des chaussées en France, 3e Confé
rence internationale sur le dimensionnement des chaussées souples, Londres,
1972'
[14] BONNOT J., AUTRET P., DE BOISSOUDY A., Design of asphalt overlays for
pavement, 4e Conférence internationale sur le dimensionnement des chaussées
souplès, Ann Arbor, 1977.
[15] SAUTEREY R., AUTRET P., (sous la direction de), Guide d'auscultation des
chaussées souples, Eyrolles éd., Paris, 1977.
[16] AUTRET P., CHRISTORY J.P., Méthodologie d'auscultation des assises traitées,
Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 72, juillet
août 1974, p. 63-81.
[17] Guide LCPC pour l'auscultation des chaussées à assises traitées aux liants
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[18] DE BOISSOUDY A., KOBISCH R., Comportement mécanique de structures en graves
ciment, Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 79,
p. 138-150.
[19] Abaques bicouches ALIZE 3, publication LCPC, 1975.
[20] AUTRET P., Auscultation des chaussées dans le cadre des études d'entretien
et de renforcement. Transposition dans les pays en voie de développement,
Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 93, janv.
fév. 1978, p. 25-50.
- 60 ~
[ 2·1] BO~NOT J. "Assessing the properties of materials for the structural design
o'f pavements" Proceeding of the third international conference on the struc
tural design of asphalt pavements, Grosvenor House, London, vol. I, pp. 200-
213, 1972.
[ 22] SOLIMAN S. "Influence des paramètres de formulation sur le comportement à
la fatigue d'un enrobé bitumineux" Thèse préparée au L.C.P.C. - Soutenance
à l'Académie de Paris - Paris VI (décembre 1975).
[23] NGUYEN DAC CHI "Les graves traitées au ciment : leurs principales caracté
ristiques, leur comportement à la fatigue". Bulletin de Liaison des Labo
ratoires des Ponts et Chaussées n° 94, mars-avril 1978.
[ 24] 7'-1A...~CHAND J .P. "Mode opératoire du programme ALIZE" - Document LCPC
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[ 25] MARCHAND J .P. "Conditions d'utilisation du prograunne ALIZE dans le cas
des routes françaises" Document LCPC (disponible).
C - MATERIELS D'AUSCULTATION ET LEUR UTILISATION
J. Pour la déflexion et le rayon de courbure
[26] LEGER P • ., AUTRET P. "The use of deflection measurements for the structural
design and supervision of pavements" Proceeding of the third international
conférence on the structural design of asphalt pavement, Grosvenor House,
London, vol. I, pp. 1188-1205, 1972.
[27] SIFFERT M., Le fichier des déflexions des chaussées du réseau routier
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mai-juin 1976, p. 127-136.
- 61 -
2. Pour l'auscultation dynamique
[28] GUILLEMIN R., GRAMSAMMER J.C. "Dynamic non destructive testing of pavements
in France" Proceeding of the third international conférence on the· structu
ral design of asphalt pavement, Grosvenor House, London, vol. I, pp. 1167-
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3. Pour le relevé des dégradations
[29] SETRA-LCPC, Catalogue de dégradations de chaussées, 2e éd., fév. 1972.
4. Pour la connaissance du trafic
[30] DOSSO N., KERYELL P., Bascule LPC de pesage dynamique, Bulletin de Liaison
des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 44, mars-avril 1970, p. 25-30.
[31] SIFFERT M., L'e:xploitation des bascules dynamiques, Bulletin de Liaison
des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 70, mars-avril 1974, p. 8-14.
[32] SIFFERT M., BRIANT G., Analyse et contrôle du trafic par boucles· magnéti
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[33] BOUZIGUES J.B., CAROFF G., DE BOISSOUDY A. "Effet des charges lourdes sur
les chaussées" Symposium sur les poids lourds et leurs effets - OCDE -
novembre 19 77 .
[ 34] PEYRONNE C. "Effets horizontaux dans le~ couches superficielles des chaus
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[ 35] PEYRONNE C. "Agressivité statique des véhicules lourds" Revue Générale des
Routes et des Aérodromes n° 563, avril 1980.
= 62 -
[36] CAROFF G. "Agressivité du trafic poids lourds - Analyse statistique et
application au dimensionnement des chaussées" Revue Générale des Routes
et des Aérodromes n° 576, juin 1981.
[37] Contrôle des charges des véhicules utilitaires - Campagne 1979 -
Ministère des Transports - mai 1981.
5. Pour le comportement mécanique des structures
[ 38] SAUTEREY R., AUTRET P. "Test sections" Proceedings of the third interna~
tional conférence on the structural design of asphalt pavements, Grosvenor
House, London, Vol. I, pp. 1227-1235, 1972.
[39] DE BOISSOUDY A., GRISELIN J.F., Sections d'essai - le dimensionnement
enseignement des sections, Rapp. LCPC, vol. II.
[40] PEYRONNE C., KOBISCH R., L'ovalisation: une nouvelle méthode de mesure
des déformations élastiques, Bulletin de Liaison des Laboratoires des
Ponts et Chaussées n° 102, juil.-août 1979, p. 59-72.
L'AUSCULTATION DES CHAUSSEES:
L'OUTIL D'UNE POLITIQUE D'ENTRETIEN PREVENTIF D'UN RESEAU ROUTIER
Michel BOULET
Jean-Claude GRAMSAMMER
- 63 -
- 64 -
Michel BOULET Chef de la Section Caractéristiques de Surface
Jean-Claude GRAMSAMMER Ingénieur Section Mécanique des Chaussées
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Centre de Nantes - B.P. 19 - 44340 BOUGUENAIS
Résumé
En 1965, la France s'est lancée dans un vaste de programme de renforcement de ses routes nationales (environ 30 000 km) et de développement de son réseau autoroutier (plus de 5 000 km en 1981). Afin de préserver le capital ainsi investi et éviter de se retrouver dans la situation qui conduisait au cours de l'hiver 1962 - 1963 à la destruction d'une partie de son patrimoine routier, une politique d'entretien, aussi préventif que possible, a été mise en place à partir de 1972.
Cette politique d'entretien est en particulier basée sur la surveillance systématique et périodique de l'état des chaussées. Pour cela, les Laboratoires des Ponts et Chaussées ont dû adapter et développer leurs moyens d'auscultation, initialement destinés à l'étude du comportement des chausséès souples traditionnelles, pour permettre le suivi de stT'l,lcture de chaussées com= portant des couches épaisses de matériaux traités, l'étude des propriétés superficielles (adhérence, uni) des revêtemepts, le relevé des caractéristiques des tracés et des équipements de la route.
Après avoir décrit ces nouveaux moyens d'investigation et illustrer brièvement leur application dans le domaine de l'auscultation à grand rendement ou celui de l'auscultation plus détaillée, l'article évoque le cadre dans lequel les mesures sont exploitées avec notamment la création d'une banque de données routière.
I - LA PLACE DE L'AUSCULTATION DES CHAUSSEES DANS LA POLITIQUE
ROUTIERE FRANCAISE
- 65 -
L'inadaptation du réseau routier français devant
l'augmentation de trafic lourd, le manque chronique d'ent.i:etien de ce
réseau dans la période de l'après guerre s'est traduit, au cours du
terrible hiver 1962-1963, par des dégâts considérables au niveau des
chaussées entrainant la paralysie totale de certains grands axes
avec de graves conséquences économiques.
Ce désastre a eu au moins le mérite de bien faire
prendre conscience aux autorités concernées de la nécessité absolue
de moderniser ce réseau vétuste.
Un effort financier sans précédent a alors été consenti
pour.le renforcement des chaussées existantes et la construction d'auto
routes et de grandes voies de liaison régionales.
Cette tâche a été menée à bien grâce à un développement
des recherches dans le domaine des chaussées et des terrassements et
la mise en place d'une solide organisation chargée d'appliquer les
résultats de ces recherches.
Les recherches ont été entreprises par le réseau des
Laboratoires des Ponts et Chaussées constitué par le Laboratoire Central
des Ponts et Chaussées et 17 Laboratoires Régionaux répartis sur tout
le territoire. Ces recherches ont permis essentiellement :
- la mise au point de méthodes rationnelles de dimension
nement des chaussées : la méthode de dimensionnement conçue en 1965
et dérivée de la méthode CBR a été remplacée par des catalogues de
structures types de chaussées neuves (1), et des méthodes de dimen-
sionnement des renforcements de chaussées souples (2) ou des chaussées
neuves à faible trafic (S).
- l'élaboration et la standardisation de matériaux de
chaussées très performants et parfaitement définis par des documents
oif iciels à caractère normatif ainsi qu'une meilleure connais-
sance des caractéristiques des sols supports de chaussées et de leur
utilisation (19) et (6).
- 66 -
- l'amélioration des méthodes et des matériels de cons
truction de chaussées·
- la conception de matéri~ls et la mise au point de méthodes
d'auscultation pour évaluer les qualités structurelles et superficielles
des chaussées et en suivre leur évolution.
Ce dernier domaine a pris une importance particulière
dans le contexte routier français.
- il a connu un premier essor aês 1965 lorsqu'~l fallu
procéder â l'auscultation des chaussées du schéma directeur en vue de leur
renforcement.
- il s'est ensuite développé, lorsque, à partir de 1972,
une politique d'entretien préventif des routes neuves ou renforcées a été
mise en place.
Les moyens et méthodes mis en oeuvre pour l'auscultation
des chaussées (souples en général) en vue de leur renforcement ont déjà
été présentés dans les précédentes Conférences Internationales sur le
Dimensionnement des chaussées bitumineuses (5), (8), (22).
Dans ce qui suit, nous ne nous attacherons qu'à l'aspect
de l'auscultation des chaussées dans le cadre de leur entretien préventif.
En effet, lorsqu'wi pays a consenti un grand effcrt d'investissement pour
la construction de nouvelles routes et la rénovation des chaussées exis
tantes, il est normal qu'il se préoccupe de ce capital, surtout lorsque,
comme la France, il a déjà fait l'expérience des conséquences d'un sous
entretien prolongé. Il a donc été mis en place toute une organisation
destinée à assurer la maintenance des 17 000 kms (fin 1980) de chaussées
du schéma directeur ayant fait l'objet de travaux récents qu'il s'agisse
de chaussées neuves ou de chaussées existantes renforcées. Toute cette
organisation repose sur des moyens modernes d'auscultation.
Ces moyens sont essentiellement utilisés dans le cadre.
de 3 applications.
le point zéro à la fin de la construction
la surveillance systématique de routine du réseau
- l'auscultation fine ou pathologique des sections à
caractéristiques insuffisantes.
- 67 --
II - LES MOYENS DE L'AUSCULTATION-MODERNE DES CHAUSSEES
L'auscultation des chaussées a du s'adapter à l'évolution
du réseau routier. Par exemple la mise en application des actions
concernant le dimensionnement et la qualité des matériaux a conduit
à des chaussées peu déformables et il a fallu que les mesures de
déformabilité évoluent vers de meilleures résolutions. D'autre part,
les buts même de l'auscultation ont changé. Alors qu'autrefois l'auscultation
portait sur des chaussées déjà dégradées devant faire l'objet de travaux,
justement en vue de fixer l'ampleur de ces travaux, il s'agit aujourd'hui
d'effectuer des auscultations sur des chaussées ne présentant pas forcement
de dégradations afin de déceler les signes précoces de mauvais comportements.
Enfin, sur le plan des caractéristiques de surface, il faut signaler
l'importance prise par les problèmes de confort et de sécurité des usagers
et la- nécessité actuelle de contrôler périodiquement le maintien de la
qualité de ces caractéristiques.
Au niveau des appareils d'auscultation des chaussées
on a pris pour habitude, en France, de les classer en deux grandes caté
gories selon que l'on s'intéresse aux caractéristiques structurelles ou
superficielles de la chaussée. De plus, à l'intérieur de ces deux catégories
on distingue les appareils à grand rendement des appareils plus ponctuels.
Les premiers sont utilisés essentiellement dans le cadre de la surveillance
systématique du réseau. Ils sont entièrement automatisé~ au niveau de
la mesure et l'exploitation des résultats est en grande part informatisée.
Les seconds interviennent de façon moins systématique dans le cadre des
auscultations pathologiques et l'interprétation des résultats qu'ils
fournissent laisse plus de place à l'expérience de l'ingénieur qui les
utilise.
II. 1. L'AUSCULTATION STRUCTURELLE DES.CHAUSSEES
II. 1.1. L'AUSCULTATION A GRAND RENDEME..'IT
Il existe dans ce domaine essentiellement deux appareils.
Le premier est le déflectographe Lacroix. LPC qui a déjà fait l'objet
de nombreuses publications. Ces déflectographes ont connu une grande
- 68 -
évolution depuis la première version utilisé au début des années 1960
On décrira ici le dernièr modèle, le déflectographe 04, adapté au domaine
des très faibles déflexions. Le second appareil est le GE7rpho qui permet
d'effectuer un relevé photographique en continu d'une chaussée à la vitesse
de 60 km/heure.
IIo 1.1.1. LE DEFLECTOGRAPHE 04 (photo n°1)
Photo n° 1
Avant de décrire le déflectographe 04, on peut rappeler
brièvement le principe du fonctionnement des déflectographes Lacroix-LPC
et les évolutions de ceux-ci depuis une quinzaine d'années (18), (17), (21)
II. 1.1.1.1. RAPPEL DU PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN DEFLECTOGRAPHE
Un déflectographe se compose essentiellement d'un camion
à chassis normal ou long à deux essieux, l'essieu arrière étant chargéf
pour les applications françaises, à 13 tonnes et d'une poutre de mesure
située sous le véhicule. La poutre de mesure comprend un plan de
référence matérialisé par trois points d'appui sur la chaussée, deux bras
palpeurs qui peuvent tourner autour du plan de référence, un boitier de
mesure qui transforme en signal électrique l'angle de rotation des bras
palpeurs autour du plan de référence. Le principe de fonctionnement fait
l'objet du schéma ci-dessous (Figure 1).
B
0
c
A
B
0
c
0
Figure 1
- 69· -
c p
Principe de la mesure au déflecto
graphe Lacroix - L.P.C.
Le camion avance d'un mouvement uniforme sur la chaussée
- Par un système de traction et de guidage, la poutre de
mesure, est alternativement ramenée vers l'avant du camion et désolidarisée
mécaniquement de celui-ci au cours de la mesure.
- Lorsque la poutre est immobilisée sur la chaussée,
l'essieu arrière avance sur les patins de mesure c, qui s'enfoncent sous
l'action de la charge. Les bras palpeurs sont alors le siège d'une rotation
autour du plan de référence ABB. Cette rotation est mesurée à l'aide des
capteurs de déplacement jusqu'à ce que les patins C se trouvent à l'inté
rieur des jumelages de l'essieu arrière ou légèrement derrière ceux-ci.
Les signaux fournis par les capteurs droit et gauche sont enregistrés a la fois sur un support magnétique et un support graphique.
- En fin de mesure la poutre est ramenée vers l'avant du
véhicule pour un nouveau cycle de mesure.
d
E 0 i.n ~-
- 70 -
Un tel dispositif permet d'effectuer une dizaine de
milliers de mesure:;de déflexion par jour à la cadence de 2 km/heure
environ, le pas de mesure étant de 3,4 mètres pour les premiers modèles
et de 4 m pour les modèles plus récents. Les mesures sont faites dans
les bandes de roulement des véhicules soit respectivement à 0,8 m et
2,10 m du bord de la chaussée pour les voies rive à axe.
II. 1.1.1.2. EVOLU'I'ION DES DEFLECTOGRAPHES
Depuis leur mise en service les déflectographes Lacroix
LPC ont subi de nombreuses modifications.afin d'améliorer leur précision
dans le domaine des chaussées peu déformables. Il y a eu des actions
à tous les niveaux de l'appareillage mais l'essentiel des efforts a porté
sur le plan de référence de la poutre afin d'isoler au mieux celui-ci
des zones d'influence des charges en cours de mesure. Le schéma
ci-dessous (Figure 2) explicite bien cette évolution du déflectographe 01
en déflectographe 04.
A
1
-t1-' 0-D--l-0--1
A
1
A
-a--ra- -E-i-B- B B e B B
B·
c 1 -[JO
01
B B B
c 1 c -EHJ--4 -0-8-
1
02
i.n ,.... <!)-
c.
03
Figure 2 ~Evolution des déflectographes.
c c c
04
- 71 -
II. 1.1.1.3. LE DEFLECTOGRAPHE 04
Le déflectographe 04 se distingue essentiellement par
rapport à son prédecesseur, le déflectographe 03, par une avancée de
2,50 m du point central d'appui du plan de référence et également
une avancée de o,4 m des points latéraux de ce même plan de référence.
Ces modifications se justifient essentiellement pour deux raisons :
- Des études théoriques et expérimentales ont montré
que sur la majorité des chaussées lourdes actuelles il n'y a pratiquement
plus un seul point situé sous un camion, quelque soit celui-ci, qui soit
en dehors des zones d'influence des charges. Donc quelque soient les
configurations adoptées les patins .de mesure C seront toujours déjà
influencés avant le début de la mesure d'où la perte d'une partie de
la déflexion.
- Avec la version 03, en cours de mesure, le point A
a tendance à reI11onter par suite de l'éloignement de l'essieu avant.
Ceci confère au plan de référence ABB un mouvement qui minimise encore
la déflexion.
Avec l'avancée du point A, dans la version 04, on donne
au plan ABB un mouvement qui cette fois majore la déflexion et récupère
ainsi la perte de déflexion initiale due au fait que les patins de mesure C
sont déjà dans la zone d'influence de l'essieu arrière,avant le début de
la mesure. Les points d'appui latéraux B ont été légèrement avancés afin
qu'ils décrivent en cours de la mesure une trajectoire pratiquement
horizontale.
II. 1.1.1.4. PERFORMANCE DU DEFLECTOGRAPHE 04
Le déflectographe 04 a été testé par rapport à des
capteurs absolus dont la référence est ancrée à 6 mètres sous la chaussée.
Il faut en effet signaler ici que sur le type de ces chaussées peu défor
mable la poutre Benkelman ne constitue plus une mesure de référence.
Du fait aussi du mouvement des points d'appui de celle-ci en cours de
mesure, la poutre Benkelman conduit alors à des déflexions très sous
estimées et par contre à des rayons de courbure considérablement majorés
par rapport à la réalité.
- 72 ~
Les résultats de ces. testsont montré que le déflectographe 04
fournit des résultats, dans le domaine des déflexions inférieures à 30 10-2!Illil,
très proches de la réalité et dont la précision est plus que largement
compatible avec l'utilisation qui en est faite. Ceci est un des intérêts
de l'appareil mais ce qu'il faut surtout retenir c'est sa faculté, par
rapport aux autres versions de déflectographe, de bien distinguer da..'ls
la domaine des faibles déflex±ons une chaussée de l'autre pour peu que -2 leur niveau moyen de déflexion différent de S ou 10 10 mm. Les exemples
ci.-dessous illustrent bien cette possibilité du déflectographe 04.
PK 3\
04
;ffff.'7tl1Î 11~.;;:n, ,',· f I~ Nlt - -· -- -- - -----·· ... . -..,----0:3.
Pl( 31
01
10 1100
Fig.3. Comparaison d'extraits de déflectograr::mes 01, 03 1 C4
obtenus simultanément sur u:ie même zone.
3ien que l'aspeci: mesure du ::ayon de cour.bure ait âté
un peu négligé au profit de la défle..~ion,des ét~des récentes ont ~on~é
que le déflectographe 04 pouvait mesu::er le rayon de cour.bure avec une
précision acceptable au ~iveau de l'utilisation de ::ésultat. La mesure
de ::éfér.ence qui est utilisée pour les cor=élations en rayons de courbure
est 1 1 L.;clinomèt=e dont il sera fait ~ention ~lus lei..;. La figuze 4
est: un exemple de cor:=élation en raycn de cou:bure ent=e le è.éflect.og:::-aphe 04
et l'incli..;omèt=e.
- 73 -
Fig.4. Corrélation déflectographe 04 - inclinomètre
(rayons de courbure)
Malgré cela, il a été décidé, pour les mesures en continu
dé rayon de courbure, d'utiliser les possiblités des inclinomètres qui
seront montés sur les poutres des déflectographes 04.
Les autres performance~ du déflectographe 04 sont sensi
blement identiques à celles des autres versions de déflectographes si ce
n'est peut être une maniabilité un peu diminuée dans les virages à
petits rayons. C'est pour cela que les 11 appareils actuellement en service
en France peuvent être rapidement retransformer en déflectographes dits 03,5
par escamotage du bec avant. Le point A est alors ramené en A' et on
retrouve ainsi sensiblement la géométrie de la poutre du déflectographe 03.
- 74 -
II. 1.1.2o LE GERPHO (Groupe d'Examen Routier
par Photographie)
Le GERPHO (photo n° 2) est un dispositif qui permet
d'effectuer le relevé photographique en continu d'une' chaussée à la
vitesse de 60 km/heure (26), (27).
L'appareil G.E.R.PHO en rresure
Photo n° 2
L'appareil, dérivé d'un système d'origine Japonaise,
s'insère très bien dans le cadre de l'inspection systématique du réseau
routier.
- 75 -
II. 1.1.2.1. PRINCIPE DU RELEVE PHOTOGRAPHIQUE
L'image conforme de la surface de la chaussée est obtenue
sur un film de 35 mm à une échelle de 1;2ooème.La largeur sensible ·du film
étant de 23 mm on a donc l'image d'une voie de chaussée de 4,60 m de
largeur. On visualise ainsi la totalité d'une voie avec de chaque côté
une partie des voies adjacentes ou des accotements. Pour respecter le
facteur d'échelle de 1/2ooème la .caméra fonctionne à 2, 9 m au-dessus de la
chaussée. Toujours pour respecter le facteur d'échelle, la vitesse du
déroulement du film et la vitesse du véhicule sont dans le rapport 1/2ooème,
la vitesse de la caméra étant asservi par son électronique de commande.
La durée d'exposition du film est régie par une fente rectangulaire située
derrière l'objectif de la caméra et qui fait qu'à chaque instant on
impressionne 0,3 mm de film ce qui corr~spond à l'image d'une tranche de
chaussée de 6 cm de large. Ainsi à 60 km/heure le temps d'exposition est
de 1/276ème de seconde. Au point de vue ouverture afin de s'affranchir d'un
asservissement supplémentaire, fortction des conditions de luminosité,
on~ choisi l'option du travail de nuit avec un éclairage artificiel
assuré par 5 projecteurs de 1000 w, l'intensité de cette source lumineuse
étant elle asservie à la vitesse du véhicule.
Compte tenu de ces conditions la sensibilité du film est
de 200 ASA en lumière artificielle.
Asservissement caméra
c.,m.,. Sl/lfVO
synwn
Figure 5 -
Asservissement lumière
Li9ht SINVO sysrwn
II. 1.1.2.2. DESCRIPTION DE L'APPAREILLAGE
Avance du film V
V~ -200
Diaphragme rectangulaire
j 0,3 x 23 mm
li 1. J.
!i\ '· 111 Il i·i 111
- Défilement da la chaussée • V Pavem1nr runmng
- 76 =
Les principales parties de l'appareillage figurent sur
le schéma de la figure 5.
- Caméra de 35 mm à défilement continu
- Objectif de 14,S mm
ouverture maximum 3,5
Cache à fente de 0,3 mm de long sur 23 mm de large
Platine à défilement continu
Chargeur automatique d'une capacité de 120 m (24 kms de voies)
Moteur à impulsion asservi à la vitesse du véhicule
Tapage automatique et manuel.
- Source lumineuse d'éclairage
Cinq projecteursde 1000 W chacun
Asservissement de l'intensité lumineuse à la vitesse
du véhicule.
- Groupe électrogène de 10 K:JA.
- Support rétractable de camera.
- Pupitre de commande et de signalisation.
- Tableaux de bord.
Contrôle pour le passage du bon fonctionnement de l'ensemble
Tapage manuel des évènements particuliers.
II. 1.1.2.3. CONDITIONS D'UTILISATION I
L'utilisation du Gerpho nécessite la présence de deux
agents. De jour, l'équipe effectue un marquage préalable de l'itinéraire
Dans le cas d'un itinéraire continu, la cadence est de 200 kms de mesure
par nuit.
II. 1.1.2.4. TESTS DU GERPHO
Avant la mise en service opérationnelle, le Gerpho a été
testé au cours d'une campagne de 2200 kms de mesures réparties dans toute
la France afin de comparer les résultats fournis aux relevés visuels
classiques établis par les différents laboratoires régionaux des Ponts
et Chaussées.Outre la fiabilité de l'appareillage, puisqu'aucune panne
n'a été constatée au cours de ces tests, les principales conclusions
ont été les suivantes :
- 77 -
- le film, tout en traduisant fidèlement l'état visuel
de la chaussée masque certains défauts notamment les déformations
permanentes (orniérage)
- le film permet un très bon dégrossissage de l'état
visuel d'un itinéraire qu'il ne reste plus qu'à préciser en quelques
joints par une visite rapide en voiture.
II. 1.1.2.5. EXPLOITATION DES FILMS GERPHO
Après l'étude de différentes possibilités, la solution
retenue pour l'exploitation des films Gerpho a été une table de visua
lisation spécialement conçue. (Photo n°3).
------·· .,
\
-:;;:
Photo n°3 Table de visualisation
L'image de la chaussée apparait sur un écran
à 1 1 échelle de 1/SOème. La table permettant la lecture simultanée de deux
bobines de 120 m de pellicule, on peut, soit visionner les deux voies
d'une même chaussée, soit deux relevés de la même voie effectués à des
époques différentes. L'avancement du film est commandé manuellement et
s'effe~tue image par image, chaque image correspondant à 20 mètres de
chaussées.
- 78 -
La quantification des dégradations se fait suivant un
code, les informations étant transcrites sur des cartes perforées.
La quantification des dégradations tient compte pour une large part
des recommandations du guide de l'entretien des chaussées (4).
A partir du support informatique que constitue les
cartes perforées, il est possible de présenter les résultats sous des
formes multiples. Le plus souvent ces résultats sont retranscris sur
un schéma itinéraire en regard d'autres informations concernant la
chaussée ou ils font l'objet d'un schéma itinéraire spécial dégradation.
II. 1.2. LES APPAREILS D'AUSCULTATION PATHOLOGIQUE
L'auscultation pathologique d'une chaussée concerne des
sections de quelques centaines de mètres jugées représentatives de
tout un itinéraire d'après les mesures à grand rendement à l'observation
visuelle. L'auscultation pathologique est déclenchée par une évolution
anormale de la chaussée ou par l'apparition de premiers signes de mauvais
fonctionnement.
Comme pour l'auscultation à grand rendement il a fallu
aussi adapter les moyens de l'auscultation pathologique aux chaussées
lourdes modernes. C'est d'ailleurs dans ce domaine que l'on trouve le
plus d'appareils nouveaux. Se sont les suivants.
II. 1.2.1. L'INCLINOMETRE
Les inclinomètres sont des capteurs sismiques de très
haute résolution qui délivrent une tension proportionnelle à l~ pente
du support sur lequel ils sont posés. Il va de soi que mesurer les
variations de pente de la surface d'une chaussée consécutives au passage
d'un essieu de 13 tonnes exige de très fortes résolutions de la part
des moyens de mesure utilisés. C'est le cas de certains inclinomèt=es
dont la résolution atteint la seconde, voire le dizième de seconde d'arc.
- 79
II. 1. 2. 1. 1. PRINCIPE DES MESURES INCLINOMETRES
Le principe même du fonctionnement d'un inclinomètre
peut être schématisé comme suit {Fig.6)
Fig. 6 Schéma de principe de l'inclinomètre
On mesure les mouvements d'une masse pendulaire située
dans le boitier du capteur et qui est soumise suivant l'axe sensible
du capteur à une force g SinO... , g étant l'accélération de la pesanteur
et rJ... l'angle qui fait l'axe sensible du capteur avec l'horizontale.
Suivant différents systèmes, selon les types d'inclinomètres, ces mou
vements sont transformés en tension.
L 1 inclinomètre.est posé sur la chaussée dans l'axe
du jumelage de mesure. Après avoir fait le zéro mécanique ou électrique
de l'appareil on fait passer la charge sur l'inclinomètre et on enregistre
sur une table XY, la valeur de la pente de la chaussée en fonction de
la distance de la charge.
Oh obtient ainsi la courbe dérivée de la courbe
déflexion de laquelle on retire les renseignements suivants
- la déflexion par intégration de la courbe inclinomètre
- la courbure, donc le rayon de courbure, par mesure
de la pente de la courbe inclinométrique au point d'abcisse O. (20).
- 80 -
Ces différents points font l'objet des schémas ci-dessous.
(Fig. 7)
y
courbe déflexion
courbe inclinomètre
S = déflexion
(o) = 1. R
y'
X
Figure 7 - Exploitation des mesures inclinométriques.
II. 1.2.1.2. AVANTAGES DES MESURES
INCLINOMETRIQUES
L'utilisation d'un capteur sismique s'affranchit de toutes
références. Ceci présente un avantage évident dans le cas des chaussées peu
déformables où les zones d'influence des charges sont très étalées et où,
par exemple, la Benkelman est inutilisable.
Les mesures inclinométriques permettent d'accéder directement
- 81 -
au.rayon de courbure alors que la méthode classique exige l'ajustement d'une
fonction analytique sur une courbe obtenue à partir d'une poutre Benkelman.
Ceci, ajouté aux avantages métrologiques des inclinomètres (plan de référence
et résolution), fait que la précision obtenue sur les mesures des grands
rayons de courbure est satisfaisante et en tous cas meilleure que celle ob
tenue par la méthode classique. Il est d'ailleurs pratiquement certain que
les mesures inclinométriques ne seront, en France du moins, plus que les
seulesqui vaillent pour la détermination des rayons de courbure. L'inclino
mètre est actuellement testé dans le cadre de mesure à grand rendement. Le
système ayant été installé sur une poutre de déflectographe. Il est encore
trop tôt pour juger de l'intérêt de ce m9ntage.
Enfin, au niveau des avantages, on peut signaler le faible
encombrement et la commodité d'emploi de l'inclinomètre.
Par contre au rang des inconvénients, il faut signaler que
les mesures inclinométriques sont limitées à des vitesses de chargement de
3 ou 4 km/heure. Au delà de ces limites, il apparait une contribution sen
sible des accélérations dues aux mouvements horizontaux de la surface de la
chaussée. Ces accélérations croissant comme le carré de la vitesse lorsque
celle-ci augmente l'inclinomètre se transforme rapidement en accéléromètre
horizontal.
II. 1.2.1.3. EXEMPLES D'APPLICATION
Sur la figure 8 on a deux exemples de courbes inclinométriques
obtenues à des vitesses de chargement de 2 km/heure environ. Les inclinomètres
étaient placés au droit de capteurs absolu·s de déflexion dont la référence est
ancrée à 6 mètres sous la chaussée. Les courbes de déflexion fournies par ces
capteurs servent de référence aux courbes inclinométriques. Cette illustra
tion n'a pour seul but que de montrer· la bonne définition des signaux incli
nométriques qui sont très aisément exploitables même dans le domaine des fai
bles déformations.
:
CJ 0 D
T 1
~1 ;;-1
1 ...L
'Il! 'Oe
- 83 -
II. 1.2.1.4~ REMARQUES : parallèlement
à l'utilisation d'inclinomètres
On a essayé d'autres capteurs sismiques tels que sismographes,
capteurs de vitesse et capteurs d'accélération. Beaucoup de ces capteurs ne
conviennent pas à priori pour des problèmes de courbes de réponse ou de fré
quence de résonance. Parmi les capteurs sismiques qui peuvent convenir, il
a été sélectionné des accéléromètres à très haute résolution et devant passer
obligatoirement le continu. Les essais de tels systèmes et des études théori
ques ont cependant montré que le mouvement d'un accéléromètre vertical collé
sur une chaussée lors du passage d'une charg~était complexe et que l'accé
lération mesurée par le capteur n'était pas uniquement reliée aux mouvements
verticaux de la surface de la chaussée, du fait de la contribution relative
ment importante d'effets secondaires.
- 84 -
II. 1.2.2. LE VIBREUR HAUTE CADENCE
Le vioreur haute cadence s~ccède au vibreur léger classique, (23),
(24) appareil qui permet, moyennant un essai de une heure au plus, de déterminer
les caractéristiques mécaniques et géométriques d'un corps de chaussée en
mesurant, dans une large gamme de fréquence, la vitesse de propagation d'ondes
de surface entretenues.
La longueur de l'essai au vibreur léger classique et certaines
difficultés d'exploitation des résultats ont fait que cet essai est resté peu
utilisé dans le monde sauf en France où il a bénéficié d'un contexte favorable
(10 appareils sont actuellement en service sur le territoire).
Néanmoins, la lenteur de l'essai in situ limite forcément ce
type d'investigation. Le vibreur haute cadence permet de pallier cet inconvé
nient puisque l'essai ne demande alors guère plus d'une minute.
II. 1.2.2.1. PRINCIPE DE LA MESURE
Le système de mesure fait l'objet du schéma ci-dessous :
Q\t> 2:n
Interface V V / / I /; Ose Analy. • ~ ~·
i 0
loc;1 T"I
Table XY
lvïb .. cpl q, 2
...J... l 'T jl Base de mesure
Capteur 1 Capteur 2
d .. , Fig ?
- ~5 -
On dispose de deux capteurs distants d'une longueur d. Un
vibreur effectue un balayage rapide en fréquence. On mesure la différence
de phase ~~ entre les deux capteurs en fonction de la fréquence n. A chaque
fréquence, la longueur d'onde Lest donnée par la relation :
et la vitesse de propagation C, par C = n.L.
rôles sont
il faut citer
Tout ceci est possible grâce à un transféromètre dont les
- Piloter la fréquence du vibreur suivant le programme qu'on
lui a donné
Calculer la différence de phase entre les deux capteurs à
chaque fréquence ;
- Retranscrire au moyen d'un interface et d'une table XY la
courbe ~~ = f (n) .
Actuellement les conditions de mesure sont les suivantes
- gamme de fréquence : 1 - 10 k Hz,
-·-Qas de mesure : 10 Hz linéaire,
- temps d'intégration : 0,1 seconde,
- temps de mesure complète : 1 minute environ,
- distance des capteurs : 1 mètre.
II. 1.2.2.2. AVANTAGES ET INCONVENIENTS
DE LA MESURE
Au rang des avantages outre la rapidité de l'essai in situ
• L'obtention d'une courbe de dispersion pratiquement continue
avec près de 1000 fréquences (on en avait une trentaine au plus avec l'essai
classique) .
- 1J6 -
• Le fait que l'on s'intéresse toujours, quelque soit la
fréquence à la même zone de chaussée (cette zone pouvant varier de 5 mètres
à 0,5 m avec l'essai classique).
Au niveau des inconvénients il y a la grande imprécision
d'une longueur d'onde définie à partir de deux relevés de phase, la relation
liant la phase à la distance au vibreur n'étant pas, le plus souvent, linéaire
par suite d'interférences entre plusieurs modes de propagation. Il est donc
impératif d'effectuer un lissage des courbes ô~ (n), lissage qui est guidé . par le très grand nombre de fréquences. Il serait trop long ici d'exposer en
détail certaines considérations théoriques qui ont montré que les positions
des deux capteurs par rapport au vibreur ne devaient pas être quelconques et î
que l'essai n'a de signification que lorsque ces conditions de position sont
respectées.
II. 1.2.2.3. EXEMPLE D'APPLICATION
L'exemple de la figure 10 se décompose en trois parties :
a. Courbe ô~ (n) fournie par l'appareillage,
b. Courbe ô~ (n) représentée sous forme cumulée avec le
lissage,
c. Présentation habituelle de la courbe de dispersion expé
rimentale C = f (L) .
Cet exemple illustre bien les possibilités du vibreur haute
cadence par rapport au vibreur léger classique. On voit en effet que le choix
d'un nombre limité de fréquences sur ce type de résultat peut conduire à des
interprétations erronées. Actuellement l'exploitation des résultats fournis
par le vibreur haute cadence est relativement longue. Ces exploitations vont
être considérablement accélérées par l'adjonction à la chaîne de mesure d'un
calculateur qui conduira directement à la courbe de dispersion expérimentale
C = f (L).
l i -L-.!
0
" .. :·1
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E ::::s (.)
IJ) <l.l .c ... :i 0 u
- 88 -
II. 1.2.3. L'OVALISATION : METHODE DE MESURE DES
DEFORMATIONS ELASTIQUES DES CHAUSSEES
Cette méthode est une méthode nouvelle de mesure des défor
mations élastiques dans les chaussées. Jusqu'ici on ne disposait pour cette
mesure que des jauges de déformation, méthode c~ûteuse, très délicate et qui
demandait que les jauges soient mises en place lors de la construction de la
chaussée, ce qui limitait leur emploi à des expérimentations décidées à l'a-
vance. Ce nouveau procédé offre l'avantage d'intervenir sur des chaussées
déjà anciennes. (39).
Cette nouvelle méthode donnant les contraintes et déformations
sous charge permet d'ajuster un modèle de chaussée à toute structure réelle
en adoptant le modèle pour reproduire les déformations élastiques mesurées
aux différents niveaux des couches de chaussée ; grâce à ce modèle on peut
prévoir valablement le comportement ultérieur de cette chaussée.
II. 1.2.3.1. PRINCIPE ET DESCRIPTION
L'essai consiste à mesurer à différents niveaux les varia-
tiens de diamètre dans un trou de carottage lors du passage d'un essieu de
13 tonnes. Les mesures sont effectuées dans la direction L (longitudinale),
dans la direction T (transversale) et dans une direction à 45°.
Ces mesures permettent en outre d'apprécier la présence ou
l'absence d'adhérence aux interfaces.
Ainsi la connaissance des variations absolues 6$ ou relatives
des diamètres (' = 6$/$) à différents niveaux permet déjà d'analyser une par
tie du comportement d'une chaussée. L'élément essentiel reste bien sûr la
connaissance de l'élongation qui existerait en ces mêmes points en l'absence
de cavité.
Après l'exécution du carottage qui renseigne sur la géométrie,
la nature et l'état de la structure on place dans la cavité ainsi obtenue un
support comprenant 3 capteurs de déplacements horizontaux disposés dans les
3 directions indiquées plus haut.
- 89 -
Le support des capteurs est maintenu à la côte choisie par
un système pneumatique permettant son blocage sur les parois du carottage.
Un système mécanique adéquat permet la mise en application des capteurs sur
les parois de ce carottage.
Une charge passe sur et au voisinage du trou, on enregistre
alors la variation des indications des capteurs en fonction de la distance
entre le carottage et la charge (jumelage de 6,5 t ou roue avant).
Fig Il
Capteur asservi au déplacement de la charge
Unité d'alimentation et d'indication à.affichage analogique du capteur
i de déplacement Unité de mesure programmable
Protection du câblc,.-----...,..-T"-i
Capteusde déplacement 1 '- sur ' ·. suppon · 1
-Enregistreur
Unité d'alimentation de la ~--- mesure du déplacement de
la charge
-- - Schéma synoptique de l'appareillage.
A partir des mesures effectuées qui dônnent
~1 • 11\2 = licf>45 , T- cf>
Il faut obtenir les déformations prévisibles é'L et E'T
en l'absence de cavité.
Pour cela on utilise deux modèles mathématiques
- 90 -
t
K
. - Schématisation des modèles étudiés.
a
Fig 12
MODELE l Plaque percée d'une ouverture circulaire et soumise à deux efforts de traction uL (longitudinal) et u r = ..la L
(transversal).
MODELE Il Plaque sur massif de Westergaard. La plaque est soumise à une charge verticale (q0 , a).
On utilise tout d'abord le premier et à partir des valeurs
de ~1, ~2 et ~3 ~esurées, on peut en déduire à partir d'un calcul utilisant
la théorie du cercle de Mohr les valeurs de s'L et E'T· Mais ce premier mo
dèle bien que tenant compte des dissymétries possibles est limitatif en ce
sens qu'il ne permet pas de représenter le travail en flexion de la couche
de la chaussée.
Pour cela on corrige les résultats obtenus avec le second
modèle qui lui n'est pas satisfaisant quand la charge n'est pas disposée
symétriquement mais qui représente assez bien le travail en flexion d'une
couche de chaussée bicouche de rapport de module assez élevé. De plus ce
second modèle permet d'apprécier l'influence du diamètre de la cavité et
du rayon de rigidité f·
Ainsi l'utilisation simultanée des deux modèles permet d'é
valuer les déformations prévisibles e'L et e'T qui se produisaient sous la
même charge en l'absence de cavité.
Fig 13
allongement
t
- 91 -
Le passage de la déformation relative des diamètres de la
cavité à la déformation que l'on mesurerait dans un matériau sans cavité
nécessite certaines approximations, notamment dans l'appréciation des mo
dules et des coefficients de Poisson. Cependant les ~ésultats des deux
moyens de mesure (jauges et ovalisation) sur des points voisins sont très
proches et la corrélation paraît satisfaisante pour des structures présen
tant des couches de modules élevés ; des problèmes subsistent encore pour
les structures de rigidité faible (structures bitumineuses à température
élevée par exemple).
Exemples d'enregistrements
Jl
II. 1.2.3.2. EXEMPLES D'ENREGISTREMENT
variation relative du diamètre inférieur de la cavité lors du passage du véhicule.
longitudinale
A à 45° temps .......
transversale
raccourcissement
jumelage arrière roue avant
- 92 -
II. 1.2.4. LE COLLOGRAPHE (photo n° 4)
,"""'~~~~~~-~~·--.-. '.; __ ·1·"_: ~ ·----.;:?:: ,, Il -0
Photo n° 4 Le Collographe
II. 1. 2 .4 .1. PRINCIPE DE MESURE
Contrairement aux appareils dont on vient de parler, le
Collographe n'est pas l'adaptation d'un dispositif de mesure d'un paramètre
que l'on mesurait déjà avec des moyens plus archaïques.
Avec le Collographe on mesure un nouveau paramètre qui est
la déflexion dynamique d'une chaussée soumise à une charge vibrant à 50 Hz
avec un effort de 3000 N crête environ. La déflexion dynamique sous des
charges analogues est déjà utilisée dans d'autres pays comme par exemple
aux U.S.A. avec le Road Rater mais elle est alors considérée comme une mesure
quantitative au même titre que la déflexion Benkelman par exemple.
Avec le Collographe on s'intéresse plus à l'aspect qualita
tif de la mesure. On cherche à déceler la présence de défauts dans une
chaussée, défauts qui peuvent être localisés sur quelques dizaines de centi
mètres. Pour cela, et c'est là que réside l'intérêt essentiel de l'appareil,
la mesure est faite en continu, c'est-à-dire que la charge vibrante et les
capteurs roulent sur la chaussée en cours de mesure. (25) ·
- 93 -.
En présence de défauts ou de discontinuités dans la structure
+outière auscultée, la déflexion dynamique fluctue très sensiblement. Dans
certains cas pour identifier le défaut responsable, il sera fait appel à une
campagne de carottage ou alors, comme cela se fait habituellement dans une
étude pathologique, des carottages ou d'autres essais complémentaires seront
implantés en fonction du collogramme.
II. 1.2.4.2. DESCRIPTION
Le Collographe est dérivé d'un petit compacteur vibrant, la
vibration étant engendrée par· la mise en rotation de balourds entrainés par
un moteur thermique.
L'ensemble est mû par un petit tracteur.
Par rapport au dispositif d'origine, au niveau de l'émetteur,
il a été apporté essentiellement:. deux modifications ..
- L'excentricité des balourds a été réduite et reste facile-
ment réglable.
- La bille vibrante est en contact avec la chaussée par l'in
termédiaire de deux bandages souples, qui simulent géométriquement l'empreinte
d'un jumelage de poids lourds. Les bandages souples ont pour rôle d'assurer
un couplage homogène entre la bille et la chaussée.
La réception est assurée par un système de capteurs sismiques
roulants. Il s'agit de roues à bandages souples sur l'axe desquels sont montés
des capteurs sismiques. Pour amplifier le signal capté sur la chaussée, le
système capteur résonne à la fréquence de travail grâce à l'adjonction d'une
masse suspendue au dessus des capteurs. Ce système fait l'objet du schéma
ci-après :
- 94 -
30
schéma du capteur roulant
Fig 14
v2 capteur roulant
vl ·capteur chaussée
---------
fréquence
courbe réponse
Il y a deux roues captrices disposées au droit de chaque
bandage. La remorque capteur est située devant la bille vibrante, la vi
bration étant captée à environ 30 cm des points d'émission. Les deux cap
teurs sont montés en série et c'est donc le signal somme qui est traité
.puis enregistré. La remorque capteur est tractée par un porte-balai, la
liaison se faisant au moyen de sandows pour éviter de transmettre au système
des vibrations parasites.
Au point de vue traitement du signal, il y a tout d'abord
un filtrage énergique du signal, le filtre étant calé sur la fréquence
d'émission. Le signal est ensuite redressé et enregistré sous la forme d'une
tension continue dont le niveau est proportionnel à la déflexion dynamique.
L'enregistreur est asservi au déplacement de l'ensemble. La chaine électro
nique se trouve installée dans un caisson amovible sous les yeux du conduc
teur. Ceci résume l'essentiel du Collographe. Il sera trop long ici de dé
tailler tous les autres éléments du Collographe (alternateur, compte-tours,
signalisation, tapages automatique et manuel, etc ... ).
II. 1.2.4.3. APPLICATION DU COLLOGRAPHE
. Homogénéité d'une chaussée
- 95 -
Le collographe constitue le test le plus sévère que l'on
puisse faire pour juger de l'homogénéité d'une chaussée et permet d'implan
ter des essais complémentaires .
• Mesure de déflexion d'une chaussée
Ce n'est pas l'objectif du Collographe mais on a cependant
remarqué une étroite corrélation, en dehors des zones présentant des défauts,
entre collogramme et déflectogramme. Il faut signaler ici que le rapport dé
flexion statique sur déflexion dynamique varie d'un type de chaussée à un
autre, ce qui s'explique très bien par les phénomènes de résonance •
• Analyse d'une fissuration
Une fissuration apparente peut avoir des comportements très
différents. Le Collographe caractérise une fissure par le niveau de défor
mation en bord de fissure et le transfert de la fissure. Le transfert est
caractérisé par le fait qu'émetteur et récepteur se trouvent à un moment
donné de part et d'autre de la fissure. Si la fissure transmet mal les défor
mations cela se traduit alors par une chute sensible du niveau du signal.
Enfin _e Collographe détecte une fissuration non encore apparue en surface.
Les extraits de la figure 15 illustrent bien ces différents cas.
. Mise en évidence des décollements
La présence de décollements francs se traduit par une aug
mentation sensible du niveau du collogramme. Pour illustrer cela, on peut
comparer les deux extraits de collogramme de la figurelS correspondant à une
même structure expérimentale. Sur la structure décollée, on a interposé entre
l'enrobé et la couche de base en grave-ciment une couche de matériaux non
lié.
Localisations de discontinuité. Problèmes spécifiques
On peut être amené à rechercher sur une chaussée certaines
discontinuités plus ou moins profondes. Ce sera le cas par exemple de décohé
sions très localisées de la couche de base ou la r~cherche de cavités se
trouvant sous la chaussée. Le Collographe est bien adapté pour ce type d'in
vestigation.
l
'
' ' ' ' ' : 1 i 1 1 1 1 1 • 1 1 ' ' 1 '' 1 1 '1 '1 t:±:::::: ! 1 1 1 1 1 : 1 ! ' j t::::J 1 1 1 1 ' 1 ' 1 1 1 • 1 ~. ~ 1 , , ' 1 1 ' 1 1' 1 1 1 1 1 ' i i ' ' 1 ' ' 1 1 i 1
1 •· t 1 ..... ...... Il·· .... .4 i 1 ' . ··----· ···~ .... _
analyse d'une· fissuration
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5cmGNT
20 cm GC
Sem BB Couche d'uccrochage
20cm GC
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Fig 15: t;xemples de coUogl:fil!lll!Qs
'° 0-
- 97 -
II. 1.2.5. LE PENETRADAR (photo n° 5)
Photo n° 5 : Le Pénétradar
Le Pénétradar est destiné au contrôle rapide des épaisseurs
ou plutôt des variations des épaisseurs en place dans un corps de chaussée.
Il s'agit d'un petit radar conçu initialement aux Etats-Unis à des fins mi
litaires. L'appareil constitue la première application en France des ondes
électromagnétiques pour l'auscultation des chaussées.
Cet appareil est encore expérimental et fait l'objet actuel
lement d'études de mise au point après une première expérimentation dont les
résultats se sont révélés positifs.
Bien que cet appareil soit traité au niveau de l'ausculta
tion pathologique, il est probable qu'une fois mis au point, il rejoindra
l'arsenal des appareils à grand rendement puisque sa vitesse de mesure peut
atteindre une vingtaine de km/heure.
II. 1.2.5.1. PRINCIPE ET DESCRIPTION
DE L'APPAREIL
= 98 -
Le Pénétradar utilise les propriétés de la propagation
d'ondes électromagnétiques dans un milieu stratifié. On retrouve des pro
priétés analogues à celles régissant la propagation des ondes élastiques
mais les conditions de réflexion réfraction au niveau des interfaces sont
ici conditionnées par les constantes diélectriques, les perméabilités ma
gnétiques et les conductibilités électriques des milieux traversés. Si il y
a un bon contraste entre deux milieux, au niveau de l'interface il y aura
une réflexion nette qui fournie un "écho" capté par l'antenne du radar. Le
principe de mesure fait l'objet du schéma ci~dessous :
o, 1
1,2
2,3
3
f>u point de vue description elle se résume essentiellement
à trois éléments :
- un module émission - réception réalisant tous les 200 ns
un pulse de 1 ns d'une amplitude crête-crête de 4 à 6 Volt;
- une antenne dont le rôle est de rayonner l'impulsion et de
capter les signaux réfléchis
- Une électronique de traitement et de conditionnement dont
un des rôles est de transformer le domaine de Gigahertz
- 99 -
au domaine du kilohertz plus compatible avec les appareils
courants d'enregistrement.
II. 1.2.5.2. EXEMPLE D'APPLICATION
On se contentera de donner un seul exemple d'application
illustré par la photographie 6 où on a le prof il des épaisseurs en place
sur cinquante mètres de chaussées.
Il apparait sur cet exemple une autre application du Péné
tradar qui est la détection de cavités ou de décollements à l'intérieur du . corps de chaussée. Ce résultat prometteur demande à être confirmé par une
expérimentation plus complète mais on sait déjà que la méthode a des limites
d'application liées au manque du contraste entre deux matériaux ou à des
épaisseurs trop faibles des couches.
PHOTO N• l
Photo n° 6
- 1 OO -
d'obligations
II. 2. LE SUIVI DES CARACTERISTIQUES SUPERFICIELLES
DES CHAUSSEES
Poû.r l'usager la route doit satisfaire à un certain nombre
- une obligation de sécurité, liée au tracé, à la qualité
des véhicules, à la règlementation et à l'adhérence de la surface de
roulement
- une obligation de confort pour diminuer la fatigue et
les nuisances
- une obligation d'économie globale pour réduire le coût
social des accidents, le coût de construction et le coût d'entretien.
Ces obligations doivent naturellement être satisfaites
dès la mise en service de la route bequi suppose un bon choix initial
des solutions et une bonne exécution des travaux) mais également tout
au long de sa durée de vie. Pour l'entretien de ses chaussées, le ges
tionnaire d'un réseau doit donc suivre l'évolution des caractéristiques
superficielles découlant de ces obligations. En France, ces caractéristiques
(13) sont essentiellement :
- l'adhérence (sur chaussée mouillée)
- l'uni (des chaussées)
Le bruit de roulement et la résistance au roulement ne
sont pas pris en compte lors de la surveillance des chaussées : ces
caractéristiques n'interviennent qu'au moment du choix de la nature des
travaux.
II. 2.1. LA SURVEILLANCE SYSTEMATIQUE (DE ROUTINE)
AVEC DES APPAREILS A GRAND RENDEMENT
Le suivi systématique des caractéristiques superficielles
des chaussées françaises liées à la sécurité et au confort des usagers
est effectué depuis 1974 par 2 appareils à grand rendement le SCRIM
(pour l'adhérence) et 1 1 APL (pour l'uni). De nouveaux appareils sont
en cours de mise au point : le rugosimètre à laser et l'orniéromètre.
- 101 -
'II~ 2.1.1. MESURE DE L'ADHERENCE DES CHAUSSEES
a) le SCRIM (Sideway Force Coefficient Routine Investigation -----------------------------------------------
~=~~~) (7) (39) (43) (40) : de conception britanique
cet appareil permet de mesurer en continu le coefficient de frottement
transversal (C.F.T.) du revêtement ; ce coefficient correspond à la
résistance du dérapage sur route mouillée (Fig. 17).
. --.. v ~ ·-. -· -i ..... -cF_T_=_µ._=_;_I
V = vitesse constante e =angle de pincement
(ou de dérive ou d'envirage) N =réaction transversale R =réaction verticale
Fig. 17 Le coefficient de frottement transversal (CFT)
est le rapport ent=e la force N perpendiculaire au plan
de rotation de la roue et la réaction R normale au sol
due à la charge sur la roue.
La mesure est réalisée en continu sur chaussée mouillée~ à 60 km/h sur route et 100 km/h sur autoroute, dans le flot de la
circulation.
Le SCRIM est un camion porteur d'une citerne de 5000 litres I
(autonomie de 100 kilomètres) et équipe d'une roue de mesure sur le côté
droit, la mesure étant effectuée dans une bande de roulement. (photo 7 page 45).
% C'est uniquement lorsque la chaussée est mouillée que l'adhérence
décroit dans de très grandes proportions et très différemment selon
les types de revêtements.
- 102 -
La roue de mesure, chargée par
une masse de 200 kg (estimée
constante) et équipée d'un pneu
lisse (pour augmenter la sélec
tivité de l'appareil et assurer
une bonne reproductibilité des
mesures) fait un angle de 20°
avec la trajectoire du camion,
l'arrosage de la chaussée
(O,S mm d'eau) se fait à partir"
de la citerne juste dev~t la
roue. (Fig. 18)
Masse = 200 kgf
~ Sens d'avancement du véhicule
/ / ' /
1
1
_{T\_ \V
1
Roue de meS\.Jre
'/ /
Fig.18 Schéma de la roue de mesure.
Une r.iasse ae 200 kg, mobile en translation sur les coulisseaux verticaux fixés au cnàssis du camion. assure une charge estimée permanente Sur la roue de mesure.
La chaussée est testée avec un pas de 20 mètres (celui-ci
peut être de 5,10 ou 20 mètres) : la chaine de mesure prélève pour chaque
pas, durant huit intervalles de temps constants, les valeurs de CFI' et
de vitesse de mesureJenregistre les moyennes de ces valeurs ces données,
ainsi que celles relatives à la localisation des mesures et à la présence
d'évènements (repères, bornes, changement de revêtement ••• ), sont enregistrées
sur ruban perforé et sont traitées sur ordinateur qui peut restituer les
résultats sous forme de schéma itinéraire des valeurs de CFT et d'histogrammes
des classes de valeurs •••
Pour évaluer la précision de l'appareil, toutes les causes
d'erreur ont été estimées et on constate que l'erreurrelative maximale
de l'appareil est comprise entre 5 et 10 %.
L'ancienneté de l'électronique (dont la conception date
de 1970) et le développement de la mini informatique ont conduit à prévoir
en 1982 la modification de la chaine de mesure : la nouvelle installation
permettra en particulier le traitement des données dans le véhicule au
moyen d'un mini ordinateur, la validation et la correction des mesures
et la fourniture des résultats\pouvant être réalisés à l'issue du relevé
ou à chaque fin de journée de mesure.
En surveillance de routine, c'est essentiellement le
schéma itinéraire des valeurs de CFI' au pas de 20 mètres, qui est
utilisé (Fig. 19). Ces valeurs peuvent être soit comparées à des
103
seuils admissibles soit comparées aux résultats de relevés ~térieurs
ou postérieurs. Mais dans ce second cas l'analyse doit être faite avec
prudence du fait des variations saisonnières de l'adhérence qui peuvent
atteindre 30 à 40 % suivant les sections et suivant les données.
h(F'1UHf"F NT t AOUTE NA110M•lt
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Fig. 19. Extrait d'un dossier SCRIM: listage des coefficients de frottement transversal (CFT).
Il n 1 existe qu'un seul appareil de ce type en France
qui suffit cependant pour réaliser toutes les campagnes de mesures sur
routes nationales et sur autoroutes (10 000 kilomètres de mesure par an).
- 104 -
b) ~~-~~~~~~~~-~-~~~~! (13), dont la mise au point
s'achève, permettra la mesure en continu de la macrorugosité du
revêtement.
Le dispositif, dont l'application routière a été développée
par le ToR.R.L. Anglais, utilise des capteurs sans contact à rayon laser
(Figo 20) et relève avec un pas de 50 cm, un paramètre de macrorugosité
statistiquement équivalent à la hauteur au sable (H.S.), l'échelle de
mesure ayant été adaptée dans ce but.
emetteur/Récepteur Ëchelle de Conditionnement Sortie à laser comptage numérique
~-[J-a-c:::J ~ Ensemble mobile
~ Surface routière W,M'~
Fig.20. Mesure sans contact de la macrorugosité.
Un enregistrement sur support numérique et un ·traitement
en mode embarqué au moyen d'un mini ordinateur perme4tront de classer
ce dispositif dans les appareils à grand rendement ; ce dispositif sera
monté sur le véhicule SCRIM et la mesure sera effectuée en même temps
que celle du CFT (aux mêmes vitesses) : les paramètres CFT et HS pouvant
être fournis simultanément pour la même section de 20 mètres de chaussées.
II. 2.1.2. MESURE DE L'UNI DES CHAUSSEES
En plus du relevé visuel ou par GERPHO des défauts d'uni
(déformation) de la chaussée, deux appareils ont été mis au point pour
la mesure de l'uni longitudinal et celle de l'uni transversal.
Cet appareil (7) (30) mesure en continu l'uni longitudinal
des chaussées. Les défauts d'uni sont caractérisés de façon géométrique
par leur amplitude (déformation verticale) et leur longueur d'onde (Fig. 2~
ils mettent en jeu la sécurité (courtes et moyennes longueurs d'onde) et le
confort (longueurs d'onde moyennes et longues) de l'usager.
- 10 5 -
L'appareil se compose de deux remorques légères tractées
par un véhicule puissant et moderne (citro~n ex 2400 Break) .(Photo 8 , p. 45)
chaque remorqua est constituée (Figq 22) par
- un bras très rigide équipé d'une roue type vélomoteur
- un châssis lesté reposant sur le bras par un ressort
et un amortisseur étudiés de manière à assurer un excellent contact de
la roue de mesure sur la chaussée
un pendule inertiel basse fréquence servant de référence
pseudo-horizontale.
2m
Longueur d'onde
Flèche
Fig.21 Schéma de caractérisation des défauts d'uni. Fig. 24 Schéma de principe d'une remorque APL.
La constitution des remorques APL est telle que les
débattements angulaires du pendule sont proportionnels aux dénivellations
du profil en long de la route dans la gamme de fréquence,0,5 à 20 Hz ,
indépendamment des mouvements du véhicule tracteur. De plus l'originalité
de cet appareil réside dans le fait que la gamme des longueurs d'onde
détectées est proportionnelle à la vitesse de mesure. Pour le suivi du
réseau routier et autoroutier français, on a choisi une vitesse nominale
de 72 km/h, les longueurs d'onde perçues par l'APL allant de 1 â 40 m.
La mesure de l'uni des bandes de roulement peut ainsi être effectuée
dans le flot de la circulation.
Une chaine d'acquisition et de traitement des données
(débattements angulaires des bras, repères e~ évènements) pe:rmet un dépouil
lement pratiquement immédiat des mesures. Les opérations se décomposent
de la façon suivante :
106
- Enregistrement en continu sur enregistreur analogique
des signaux délivrés par chaque remorque après filtrage en 3 gammes
de longueur d'onde : 1 à 3,3.m ; 3,3 à 13 m ; 13 à 40 m ;
Elévation au carré des signaux, intégration pendant
200 m de route et conversion en numérique du signal intégré ;
Traitement du signal numérique sur mini ordinateur
embarqué pour détei:miner l'énergie globale dans chaque gamme de longueur
d'onde et comparaison de cette énergie avec une échelle de valeurs à
9 seuils permettant une notation de 10 classes.
Les résultats sont présentés sous forme d'un listage
des notes d'uni tous les 200 m dans les 3 gammes de longueur d'onde
(Fig.23) et<l'un histogramme des notes pour chaque section de mesure.
Dans la version APL.72, il existe deux appareils de ce
type en France, un pour la recherche et un pour les prograinmes annuels
de suivi des chaussées (10 000 kms par an).
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Fig.23- Extrait d'un dossier APL: listage des notes d'uni, chaque ligne représente 200 mètres.
- 107 -
b) Le LCPC est en train de mettre au point ~-~~~~:~~~~=
)36) destiné à effectuer une quantification en continu des défauts d'uni
transversal d'une chaussée. L'objectif étant moins un relevé précis des
profils en travers que la détection des sections de route à uni trans
versal insuffisant, le paramètre retenu pour quantifier cet uni est
la différence maximale de cote entre 2 points d'une partie du profil en
travers large de 1,60 m (voisin de la voie des véhicules de tourisme).
L'appareil est constitué (Photo 9, page 45).
- d'un véhicule tracteur contenant la chaine d'acquisition
et de traitement des données
- d'une remorque munie de 7 roues en contact permanent
avec la chaussée et réparties uniformément sur une largeur de l,61 m.
L'information de la différence d'altitude entre la plus
haute et la plus basse des roues est transmise à la chaine d'acquisition
et de traitement des données par l'intermédiaire d'~ capteur déplacement.
La mesure sera réalisée à 60 km/h environ avec un pas
de 20 m. Les résultats seront enregistrés sur une cassette numérique
pour un traitement immédiat (avec un mini ordinateur embarqué) ou différé
(ordinateur de laboratoire) • Les informations relatives au repérage de
la section de mesure ou la présence d'évènements pourront également êtrr
saisies.
Comme pour le rugosimètre à laser, les performances
mécaniques de l'appareil (vitesse de mesure), son gabarit et.ses capacités
d'acquisition et de traitement des données (informatique) permettront de
classer l'orniéromètre dans la catégorie des appareils à grand rendement.
Photo 8 : L'analyseur de
profil en long type APL 72
Photo 7
SCRIM
Photo 9
L'appareil
L'orniéromètre
- 109 -
II. 2.2. LES MATERIELS POUR L'ETUDE PATEOLOGIQUE
DES SECTIONS PARTICULIERES DE COURTES
LONGUEURS
Il s'agit :
Soit d'appareils conçus initialement pour des actions
de recherche et qui sont maintenant utilisés dans le cadre des études
opérationnelles
Soit d'appareils mis au point pour répondre à un besoin
précis.
II. 2.2.1. MESURES DE L'ADHERENCE
a) ~~-E~!:Esr.==-~~-~!~~~~S~-~~-(41 à 43) a été conçue
en 1969 pour les études fondamentales de l'adhérence. Elle permet la
mesure du coefficient de frottement longitudinal (roue bloquée) d'une
chaussée mouillée ; le frottement longitudinal intervient dans la situation
de freinage.
L'appareillage se compose (Photo 10, p. 51 )
- d'un véhicule tracteur suffisamment puissant pour
atteindre une vitesse de 140 km/h comportant à l'arrière un dispositif
pour l'arrosage de la chaussée (cuve à eau de 350 litres) et à l'avant
le système d'acquisition des données et de commande des principales
opérations.
- d'une remorque monoroue équipée d'un pneu lisse (Fig. 24).
oisposit'1f oléo.pncurnatic:iut
1r2cuon
Bras dt rtnvot
Fig. 24 Schéma de la remorque de glissance LPC
But tu
MOY•U •t dispositif d• rrtinagt
- 11 0 ...
Le principe de la mesure est le
suivant (Fig. 25) : la remorque
est tractée à une vitesse de
translation constante par le
véhicule qui arrose la chaussée
(1 mm d'eau) ; la roue est im
mobilisée en rotation pendant
2 sècondes environ et on mesure
la force F qui se développe dans
l'aire de contact pneu-chaussée
et qui tend à réentrainer la
roue.
V = Vitesse constante
w = Vitme de rotation constante
F = Réaction longitudinale
R = Réaction verticale
V -+ CFL roulement =,. Si w = 0 ..., CFL blocage
Si Q < < ~ -+ CFL avec glissement r
R
V
Fig. 25 - Le .CFL est le rapport entre la force (F) tenda~t à réentrainer la roue et la réaction normale au sol (R) due a la
charge sur la roue.
La mesure est réalisée pour plusieurs vitesses de trans
lation de la remorque (40, Sb, 120 km/h) ; elle peut être effectuée
jusqu'à 140 km/h.
La faible capacité de la cuve à eau et les sollicitations
imposées au matériel ne permettent pas un usage à grand rendement ou en
continua Dans le cadre de l'entretien du réseau routier Français, l'utili
sation de la remorque LPC est limitée à l'étude des sections "à problèmes"
décelées par l'auscultation avec le SCRIM (CFT faible) et/ou caractérisées
par un taux d'accidents élevé. Actuellement 3 remorques de ce type sont
en service en France.
b) Un autre appareil est quelquefois utilisé sur chaussées
routières en France (il est plus fréquemment utilisé sur les chaussées
des pistes d'aérodrome) il s'agit du ~~~do2:~2~~ conçu et réalisé en 1965
par le Centre d'Etudes du Bâtiment et des Travaux Publics. A la différence
de la remorque LPC, il comporte 2 roues de mesure intégrées dans le véhicule
il permet de mesurer le CFL et le CFT (angle d'envirage entre O et 15 degrés)
d'une chaussée mouillée. Le rendement de l'appareil est là encore limité
par la faible capacité de sa cuve à eau et il ne peut donc être utilisé que
sur des sections de courte longueur.
- 111 -
c) La mesure en continu de façon dynamique de la
drainabilité superficielle d'un revêtement est apparue suffisamment
importante pour justifier la construction du ~E~~~~E~~~~· L'appareil
mesure en continu, le débit d'un écoulement d'eau, à pression cons
tante, au travers d'un patin percé d'un orifice calibré et un contact
permanent avec la surface de la chaussée (Fig. 26) ; les variations
de débit sont liées à celles de la section de fuite entre le patin et
la surface qui dépendent de la texture superficielle du revêtement.
Platine de jonction
~ /,véhicule porteur
~ Bras d'articulation
Sens de déplacement du véhicule
Chaussée
Conduite d'alimentation en eau
Fig. 26 Schéma de principe du drainoroute
Le patin est fixé à l'arrière d'une fourgonnette par
l'intermédiaire d'un bras articulé. Le véhicule contient la cuve
(800 litres) et le dispositif d'alimentation en eau du patin, ainsi
que les organnes de commande et d'enregistrement des données (Photo 11, p. 51)
Dans sa version actuelle l'appareil permet la mesure
en continu à 15 klll/h, les débits d'eau s'échelonnant de 100 à 500 litres/heure.
Si les mesures de drainabilité et de hauteur au sable
fournissent le plus souvent des conclusions dans le même sens, il existe
également une bonne relation entre la drainabilité et la perte d'adhérence.
Il est alors possible de compléter la mesure du CFT par
celle de la drainabilité et d'en déduire une appréciation plus précise
sur l'adhérence de la chaussée.
- 112 -
IIo 2.2.2. LES MESURES D'UNI
a) Une version simplifiée de l'analyseur de profil
en long,!~~~~~~ (31, 32), a été développée. De principe semblable
à celui de l'APL.72, il en diffère par la configuration (il ne possède
qu'une seule remorque dans l'axe du véhicule) et par le mode de dépouil
lement qui permet une restitution du profil réel (Photo 12, p.51) pour des
longueur d'onde de défauts inférieurs à 15 m (la mesure s'effectuant
à 22 km/h). L'exploitation la plus classique consiste à calculer un
coefficient APL.25 par tronçons de 25 m. (Fig.27).
de l'uni
Mesure et analyse sur route: t 111
Calculateur L_ 1 /200
~ ~r-=Cf ~\c:::J~n~~~-.,.__,
Fig. 27 Schéma du mode d'analyse type APL.25.
On obtient à la fois le profil réel pour la
gamme o,25 m à 0,15 m et une analyse par
tronçons de 25 m.
Initialement conçu pour être un matériel de contrôle
des couches successives du corps de chaussée (au début
il ne fournissait que l'enregistrement graphique du profil route),
la numérisation du signal en vue de son enregistrement sur cassettes
pour traitement sur ordinateur (ou sur mini ordinateur embarqué)
a permis d'étendre l'utilisation de l'APL.25 à l'auscultation détaillée
de portions d'itinéraire permettant de mieux visualiser, localiser et
suivre l'évolution des défauts d'uni.
Des applications particulières ont été mises au point
mesure en continu de décalage des dalles de béton (33). Le suivi de
l'évolution du comportement des structures de chaussées (souples surtout)
avec l'APL.25 se développe.
- 113 -
Chaque Laboratoire Régional possède actuellement un
appareil de ce type.
b) Pour le relevé précis mais ponctuel de l'uni
transversal, le transversoprofilographe Wl {34,35) est encore, malgré ------------------------------son caractère simple voire rudimentaire, l'appareil le plus utilisé.
Conçu vers 1967, cet appareil est constitué
- d'une règle métallique de 4 m de long reposant sur
des supports équipés de pieds coulissants pour un règlage rapide en
hauteur assurant l'horizontalité de la règle.
- un chariot porté par la règle, mobile le long de
celle-ci, muni d'une roue palpeuse, d'un stylet inscripteur et d'un
magasin contenant un rouleau de papier enregistreurA
Le transversoprofilographe permet·de restituer fidèlement
le profil en travers d'une chaussée avec une échelle horizontale variable
de 1/20 à 1/40 et une échelle verticale {amplitude des défauts) de 1/1.
Les dénivellations sont enregistrées avec une précision et une fidèlité
de l'ordre du millimètre.
Photo 11 Le Drainoroute
Photo 10 La remorque
de glissance LPC
Photo 12 L'analyseur
dynamique de profil en long
type APL.25
- 115 -
I
II. 3. LE RELEVE DES TRACES ET DES EQUIPEMENTS DE LA ROUTE
L'interprétation des mesures réalisées avec certains
des appareils décrits précédemment ne peut souvent se faire sans connaitre
les caractéristiques géométriques, de la route, son environneme~t et
ses équipements. De plus la création d'une banque de données routières
en 1975 a nécessité de disposer d'un relevé systématique de ces carac
téristiques s~ tout le réseau routier national qui constitue son ossature.
Deux types d'appareil à grand rendement ont été mis au
point pour ces usages : la plateforme Gyros et Caméroute.
II. 3.1.L:A- PLATEFORME GYROS
Rendueopérationnelle en 1972, cette plateforme a été
conçue pour relever automatiquement les tracés routiers en utilisant
le principe des gyroscopes (28,29). Le véhicule porteur (dont la suspension
doit pouvoir être bloquée) contient
une centrale gyroscopique d'avion (type Mirage III) qui
donne en permanence les angles de caps, de roulisetde tangage (photo 13,p. 55)~
• un système d'enregistrement magnétique des données
permettant le traitement sur ordinateur.
• un système d'introduction d'information (repérage,
évènements ••• ).
En usage de routine (relevé des trac·és routiers), la
mesure s'effectue en continu, à une vitesse de 25 km/h (100 à 150 kilomètres
de relevé par jour), suspension du véhicule bloquée ; la dérive des gyroscopes
nécessitant un recalage, tous les deux kilomètres, sur des points de
repères dont les coordonnées sont parfaitement connues. Ce relevé permet
la restitution des profils en l.ong des tracés en plan, des dévers, le
calcul des distances de visibilité, la localisation des zones d'auscultation
d'eau • • • (Fig. 28) •
~ 116 -
L'appareil peut également être
utilisé pour étudier le comporte
ment dynamique d'un véhicule en
fonction des caractéristiques des
profils.
Il n'existe qu'un seul exemplaire
de ce matériel qui réalise environ
5 000 km de relevés par an.
Fig. 28 • Exemple de relevé GYROS. Représentation en continu du dévers associé au tracé en plan. On remarque que le dévers est rarement régulier, tant pour les alignements que
pour les courbes.
II. 3.2. CAMEROUTE (37,38)
Cet appareil permet de relever l'environnement et les
équipements de la route tels qu'ils sont vus par le conducteur.
Le principe de mesure consist~ en un relevé photographique
systématique de la route avec un pas constant (règlable entre 10 et 50 m).
L'enregistrement se fait à l'aide d'une caméra grand angle avec chargeur
de grande capacité (3000 vues). Le relevé est effectué à 40 km/h dans
les deux sens de circulation (Photcs14 et 15, page 55).
L'exploitation se fait par lecture des films sur des
visionneuses équipées d'une mire graduée longitudinalement et transver~
salement à partir d'un étalonnage du champ de vision, pour la localisation
des informations. Celles-cisont introduites par l'opérateur,qui "lit"
le film1sur une cassette magnétique permettant un traitement sur ordinateur.
Le domaine des questions auxquelles Cameroute peut répondre
est vaste.: signalisation horizontale et largeur des voies de circulation,
nature et largeur des accotements, déblais, remblais, fossés, glissières
de sécurité et signalisation verticale, distance de visibilité ••• etc.
- 117 ~
Cameroute permet ainsi_d'établir de façon rapide, fiable
et évolutive un document de base pour le gestionnaire de la route
(Fig· 29) •
- - - - - -- - -· ·- _,__, ~ -~"-~ ' == -:::: 3: ~7~ = = ~;-g :::1 1 ~ - CJ 1
'< =:::17'
-L.. g =:4:::i -:s - ~ 'JI •
-------------~---= a ~ =- ~ ~ ----------------=-=-=--=~:::::_-~ :::! ,., = '< '< -
e Rappel 2 M:.• "Î LANDES ( 80<doo,,j l'"'1 B_a_y_o_n-nc-)
l LANDES LANDES 1 1
50 100 m
Fig.29 • Exemple de schéma itinéraire pour un relevé des signalisations verticales et horizontales.
Trois appareils de ce type sont actuellement en service
en France qui réalisent 3000 km de relevés par ano
Photo 14 Le Caméroute
Photo 13 La centrale
gyroscopique type
Mirage III de la plate
forme GYROS
Photo 15 Vue prise par
Caméroute" Noter la visua
lisation de la distance
et les piges repères sur
le capot de la voiture"
- 119 -
III. L'AUSCULTATION DES CHAUSSEES POUR L'ENTRETIEN DU RESEA.U ROUTIER
III.l. Les objectifs de l'entretien
Dès 1972, soit trois ans à peine après le début des renforcements
coordonnés, la Direction des Routes mettait en place une politique d'entretien
"préventif" des chaussées neuves ou renforcées.
Cet entretien des chaussées dont les qualités et le niveau de service
sont adaptées ou ont été adaptées aux conditions actuelles (de trafic, de
confort et de sécurité pour l'usager ••• ) doit être distingué de celui des
autres chaussées dont l'état ou les caractéristiques justifient une rénova
tion (renforcement ou rechargement épais) et sur lesquelles est pratiqué un
entretien courant à caractère curatif destiné à les maintenir juste au-dessus
du niveau de service minimum acceptable dans l'attente de leur inscription
à un programme de renforcements coordonnés.
Les objectifs assignés en France aux opérations d'entretien préventif
des chaussées neuves ou renforcées ont pour but :
- d'offrir en permanence à l'usager un niveau de service convenable (en géné
ral élevé). A cet égard, il faut observer que les exigences de l'usager notam
ment en matière de sécurité et de confort vont en croissant.
- d'assurer la conservation du patrimoine routier. Il faudra pour cela mainte
nir la qualité des revêtements et adapter les structures des chaussées à
l'augmentation du trafic.
- d'intervenir dès- les premiers signes annonciateurs d'une baisse de qualité
(aspect préventif de l'entretien) de façon à éviter de nouvelles opérations
lourdes et coûteuses, de rénovation.
III.2. La méthode de surveillance du réseau routier français
La méthode est basée sur la chronologie des opérations suivantes
- établissement d'un point zéro pour chaque chaussée neuve ou renforcée.
- réalisation d'une surveillance systématique de routine du réseau.
- auscultation fine et détaillée de certaines sections.
- 120 -
III.2.1. Le point zéro
Le point zéro est la carte d'identité d'une chaussée neuve ou renfor
cée qui vient s'intégrer dans le réseau ; il regroupe :
- la constitution théorique de la chaussée et de son support ainsi que les
différents contrôles de conformité réalisés à la mise en oeuvre, et tous les
renseignements (climatiques, défauts de réalisation ••• ) recueillis lors du
chantier.
les caractéristiques mécaniques de la chaussée lors de la mise en service.
- les caractéristiques de surface (glissance, uni, géométrie).
Dans la pratique, ces éléments ne sont pas aussi faciles à collec
ter qu'on pourrait l'imaginer
- on connait assez bien la structure théorique de la chaussée, moins bien,
sinon pas du tout, les variations d'épaisseur autour de la valeur nominale.
- les contrôles de chantiers sont présentés sous forme de bilan statisti
que et ne permettent pas toujours de localiser les points singuliers en
place.
- les paramètres concernant les caractéristiques mécaniques ou celles de
surface sont rarement mesurés lors du chantier.
On n'insistera jamais assez sur l'importance du point zéro parce
que, lors de l'auscultation fine, il permet d'orienter les études et d'en
diminuer le coQt, parce que bien souvent il permet de prévoir le comporte
ment futur de la chaussée et donc de rationaliser l'entretien, parce qu'il
est déraisonnable de devoir rechercher ultérieurement à grands frais des
renseignements que l'on aurait pu avoir d'origine, enfin, parce que toutes
les chaussées de même type n'ont pas forcément les m~mes caractéristiques
et qu'il est important d'avoir une référence pour chacune d'entre elles.
îII. 2. 2_, l_a_surve_illance $ystématiqu_e de routin_e
Elle repose sur le recueil et le suivi de l'évolution dans le
temps de quatre paramètres
- la déformabilité de la chaussée, caractérisée par la déflexion.
son état de dégradation.
Années
- 1 21 -
- son uni longitudinal.
- l'adhérence de son revêtement, caractérisée par son coefficient de frottement transversal.
Le choix de ces paramètres, que nous appellerons les indicateurs
d'état, a été fait d'une part, en fonction des matériels d'auscultation
existants et d'autre part, parce qu'ils sont dans l'état actuel de nos
connaissances, les plus représentatifs et les plus aptes à caractériser
les qualités structurelles et superficielles d'une chaussée.
Les pas de mesure ou de relevé et les fréquences d'intervention
ont été adaptés à ce que l'on sait des variations spatiales et temporel
les de ces indicateurs. Si on considère en général que l'état d'une chaus
sée varie relativement lentement en fonction du temps, en revanche, ses
variations spatiales peuvent être très rapides, étant donné l'hétérogénéité
des sols de fondation et des techniques de constructions routières.
Comme il n'était pas financièrement possible de renouveler chaque
année l'ensemble des mesures sur tous les itinéraires et qu'on ne dispo
sait pas encore d'une expérience suffisante de l'évolution moyenne dans
le temps des indicateurs d'état, la préférence a été donnée à la continui
té spatiale ; ainsi, le recueil des données s'effectue en continu sur toute
la longueur des itinéraires et avec une périodicité indiquée dans le ta
bleau ci-dessous (fig. 30 pour la déflexion, 1iadhérence et l'uni, la rele
vé des dégradations étant effectué chaque année.
Appareils + Déflectographe SCRIM APL
+ n (1) • 0 • n + 4 • • • n + 6 • n + 8 • 1 • 1 • n + 10 • 1 1
1
n + 12 • • 0
(1) L'année n est l'année d'inscription au programme d'entretien, en principe, l'année qui suit la construction ou le renforcement.
Fig. 30 - Périodicité des mesures sur le réseau routier national.
- 122 ~
Les mesures ne sont exécutées que :
- dans un seul sens de circulation pour les chaussées uniques bidirection
nelles.
- sur une voie de chaque chaussée, en cas de chaussées unidirectionnelles
séparées.
III.2.3. L'auscultation fine des "sections à problèmes"
L'auscultation fine intervient sur une portion d'itinéraire présen
tant, lors de la surveillance de routine, des caractéristiques insuffisantes
en regarp des normes retenues et pour lesquelles il n'a pas été possible de
porter un diagnostic permettant de déterminer des solutions d'entretien.
Cette étude a donc un caractère pathologique et nécessite :
- que l'on complète les données de l'auscultation systématique par une ana
lyse détaillée et des examens complémentaires.
- que l'on sache interpréter et combiner entre eux les différents paramè
tres recueillis afin d'aboutir au diagnostic.
Compte tenu de la diversité des structures existantes et du fait
que les problèmes de caractéristiques de surface sont au moins aussi impor
tants que ceux liés au comportement de la structure, il n'existe pas d'étu
de pathologique type comme pour les études de renforcement des chaussées
souples [9]. Bien que l'état de l'avancement de la recherche dans ce domaine
commence à permettre la mise au point de méthodologies ou de guides[10,11J,
chaque étude d'entretien est encore un cas particulier nécessitant l'inter
vention des personnels et des moyens spécialisés des Ponts et Chaussées
(voir la communication présentée par MM. Dauzats et Linder).
III.3. L'utilisation des indicateurs d'état
Deux approches étaient a priori possibles : recherche d'un indica
teur global ou "indice de viabilité" ou alors analyse indicateur par indi
cateur.
L'administration française (la DRCR) a choisi cette seconde voie,
rejoignant en cela les conclusions du groupe C6 de l'OCDE [6].
- 123 -
La deuxième approche baptisée "analyse paramétrique'' consiste à
fixer des seuils d'alerte et d'intervention pour chacun des paramètres
(adhérence, uni, déflexion, dégradations superficielles, etc.) en fonction
des conséquences prévisibles pour l'usager (confort et sécurité) et pour
l'ouvrage lui-même (intégrité de la couche de surface, préservation de la
structure).
La démarche adoptée a été formalisée dans le Guide Technique de
!'Entretien Préventif [4J conçu pour répondre aux trois questions essen
tielles qui se posent pour les responsables de l'entretien du réseau rou
tier. Quand et où intervenir ? Quelle tâche réaliser ? Quelle est l'urgen
ce des travaux proposés ?
Cette démarche consiste à aborder successivement les trois objec
tifs de l'entretien :
1. Conservation et adaptation de la structure.
2. Conservation des conditions générales de sécurité et de confort.
3. Conservation des qualités superficielles intrinsèques des revêtements.
Pour chacun de ces trois objectifs, on caractérise l'état de la
chaussée par ceux des indicateurs d'état les plus appropriés (fig. 31)
que l'on compare à des valeurs de référence. Ces indicateurs sont en géné
ral assortis de deux ou trois degrés de gravité (fig. 32).
A partir de ces éléments, l'ingénieur routier établit un diagnostic
d'état de la chaussée, pour lequel il devra également tenir compte des con
ditions initiales d'état de la chaussée (à partir du point zéro) et de don
nées complémentaires sur l'exploitation de la route telles que le trafic
et la répartition des accidents.
Le diagnostic réalisé, on définit des sections homogènes quant à
leur état (indicateurs et degrés de gravité identiques) et ceci pour cha
cune des trois approches ci-dessus mentionnées. Grâce aux seuils d'entre
tien donnés par les règles d'entretien, on définit alors des sections élé
mentaires de travaux, ou des sections à problèmes nécessitant un complément
d'étude (fig. 33),
124 -
Con~~~1ion e1 adapuuion de lz uruc1ure UUlll,lf • Sécuritt lniégrité
("h..,n'IC i Ckauun A de la couche
·~ C~wu« MNPl.f
C01,1Cht ilt b•~ (01.Khit dt' b.,llot confort de 'urfacc a101w ll••lf'I' UU. h•llU u111tt av1 ben" l""HllAll llll 0 l 1Ai h)dl ..... ~lb\lllt'I h'"'''"""vn
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r..imir""· loOH tp1Y!1tC'\ a..c:c dC"lo 11)Quu importants Je dtpou1 de n1~1lri.uu .• - OLJC"Cl1I • lnit~111t de 11 \'.uuchr dt 1utr1cc •dan\ Io &UllC'$ eu.
Fig. 31 - Relations entre indicateurs d'état et objectifs de l'entretien.
Le programme final de travaux est obtenu en opérant la synthèse de
travaux élémentaires. Les travaux retenus sont ensuite classés par ordre de
priorité à l'aide d'un système de notation qui ·part des défauts constatés et de leur degré de gravité.
uJ œ ::l
ti ::l œ f-Vl uJ 0 Vl 7. Q t-< 0 < œ 0
'\U 0
Conservation et adaptation de la structure
INDIC.I\ HUK D'ETAT
OtFL1'XION (1)
Dtrauts de rive (affaÎ>)Cments, bourrelets)
Flaches, nids de poule (en forma1ion ou rebouchés)
Orniérage à grand rayon
Fissures uans'lcrsales de rctrai1 1rh dtgradks (2)
Fa1ençagc
Fi.uures longitudinales dans les traces de roues
Remontées de fines
Vari.a1ioru. dC' La note d'UNI
NIVEAU l NIVEAU 1
Lh:.uuet a Lha!U\o)tc l
PAKAMETRE CONSID~KE Chauutel couche couche wuplcs de bue: de ba~ Toutes à U\;i!oC 1u11tt aux 1u11tt aux un.ici ures
nun 1rai1k liiiiOU hoinu hydH.XïHbonts hydrauliques
Dtnnion TO JH 50 30 à 40 } 20 àJO carac1tris1iquc Tl 50. 75 40 à 50
(en 11100') en fonclion Tl 15 à 100 50 à 70 35. 45 de la cla>>C de uafic TJ 100 a 150 70 à 90 40 à 50
Valeurs
Pourccn1agc de longueur supérieures
5 a 10 '11 aux 't'alcurs de chau»te affcc1ec ma.xi males
du niveau 2
Nombre par "·ction de 200 m 2à4 1 à 2
• Profondeur moyenne 20mm de l'ornière 1Sà20mm sur plus de
• Pourcentage de longueur sur plus de JO fJo de la longueur JO '71
orniérCe
NIVEAU 1 dans 1ous les cas
Pourctniagc de surface 2 à s 'Io 1 à J '71 de chaussée ra-1enctt
Valeurs
Pourcemage de longueur supérieures
5 à 10 '11 J à 5 .,, aux valeurs de chaussk lissurtt maximales
du niveau 2
Nombre par section 1 à2 de 200 m
Pour les chauta.sln souple!. i auiw- non trank et les chauuéa de bue lraitk aux lianu h)droc.arbonês, une dunînution ~nsiblc de la noie d'uni {au moîm 2 classes) encre deux Pau.ïiliCS succeuih de l'appareil peul !ire le signe d'une Oolution de la Uructurc.
(1) Si l'on constate une évolulion imponanlc de la valeur initiale de la déncxion mesurée lors de l'établissement du point 0, on sera condui1 à clas~r une chau~stt dans le ni\'cau 2 même si les \'alcurs du tableau ci-dessus ne sont pas atteintes. On rappelle que pour les chau~~6:s à ~sises trait tes aux liants hydrauliques, la déncxion n'est qu'un indicateur de mau\'aisc qualité; il sera.il souhaitable de lui •sso..:icr le ray1Jn de courbure, mais cclui~i n'est pas encore mesurable en continu.
(2) Les ri~sures trans\'er!.alc!i. Je retrait scronl con.sidfrtcs comme " très dégradées >J si plus de 20 '1/1 d'cn1re elles sont, soit ramifiées, soit épaufrées et pr6entan1 des ri~ucs imponanu de départs de ma1ériaux. Dans le cas contraire, elles seront prises en comp1c _au thre de • l'in1égri1é de la couche de surface •.
NOTA: Pour les dégradations dt suucru~. les divers pourctnlages (longueur dt chaussét fissurtt, surfact faïenctt, tic.) ainsi qut le nombre de d~jauts (flaches, nids dt poule) sont à considber pour la voie (J,5 m) la plu.s dlgradée tl â ramener d la longueur ou surf1.1cr dt cellt voit.
Fig. 32- Niveau des indicateurs d'état.
DEFLEXION
.. NIVEAU 1 NIVEAU 2 Jnrlricurc
iu niveau 2
w NIV1'AU 1 TRAVAUX
" priorilt 2 ;;i
TRAVAUX .... v p11or11t 1 ::;,
" ....
1 25
"' NIV~AU 2
... c "' "L
TRAVAUX prioritt 2
SUK VEILLANCE (1) Fig, 33 - Règles
d'entretien, Q 1: 1..1\ltnct de degndil·
TKAVAUX .... \lum. dC' \lludu1e \u~ep· p1101i1l 2 < 11tik~ Je )(' itnC"uh...cr c SUKVEIL·
< LANCE " v E1udc
(1)
0 Ab\C'lht Je dC"g1aJ<11ion dC' UIUl,"IUf(' compltmen1a11c
. (2)
(1) SUK\'EILLANCE: Sur.,,cill..1na pJfl1"uli('1C de la !.cc1ion : impc"ctiom de1 .. ill(cs cl évcntuclkmcnt mesures complémentaires. Ktp•1dt11.>m lucah\tcS (\c11tuclks .s'il y a p1csence de dégradations.
(2) L '(1udc r.:ompkmcn1airc dtfïnira la na1urc des lravaul à prhoir et prb.:i!i.cra. leur urgence.
- 126 -
III.4. La Sangue de Données Ro~tières (BOR)
III.4.1. La justification de sa création
Les renforcements coordonnés, l'entretien préventif des chaussées
du réseau national ne sont que deux aspects de la politique routière menée en
France; et d'une façon plus générale le développement de l'infrastructure
routière, l'amélioration des équipements de la route et de ses conditions
d'exploitation, le maintien de son utilisation par tout temps nécessitent
une information des services toujours plus importante pour assurer avec ri
gueur les tâches de planification, de programmation, de réalisation et de
gestion.
Aussi, pour faire face à l'augmentation du volume des informations
(résultats des mesures par exemple) et améliorer leur valorisation en facili
tant leur accès et en assurant l'homogénéité de leur mode de saisie et de
stockage, la BDR, Banque des Données Routières [14J a été créée en 1975, en
utilisant essentiellement les outils informatiques.
III.4.2. Les ·informations contenues dans la BDLL[1sl
Elles se répartissent en sept classes :
~ Classe 1 - Informations de base : définition du réseau routier
national géré par un département, sections à chaussées séparées, distances
intermarquages, ouvrages d'art, découpages administratifs •••
• Classe II - Caractéristiques géométriques : tracé en plan, profil
en long et en travers, accotements, aménagements centraux.
• Classe III - Equipement de la route : signalisation horizontale
et verticale, ouvrages d'assainissement, poteaux, glissières, végétation •••
• Classe IV - Structures de la chaussée et travaux : constitution des
structures, nature des matériaux, historique des travaux.
• Classe V - Données d'auscultation : déflexion, CFT, notes d'uni,
relevés de dégradation.
• Classe VI - Trafic.
• Classe VII - Accidents.
- 127 -
Toutes ces informations sont enregistrées en respectant le princi
pe suivant : toute donnée doit être liée à la route grêce à un repérage
unique et invariable.
Aussi, la première phase du recueil des informations a-t-elle été
la préparation des itinéraires : identification unique et homogène de cha
que itinéraire, implantation de points de repères parfaitement localisés
suivant des normes fixes. Cette phase est concrétisée par la mise au point
d'un fichier cartographique de tous les itinéraires à partir de cartes au
1/25000 avec indication des données de repérage, et par le marquage perma
nent sur la chaussée des points de repère (le plus souvent au droit des
anciennes bornes kilométriques).
Les données des classes IV et VII ont été recueillies manuelle
ment, celles de la classe VI par des systèmes de comptage automa~iques,
celles de la classe V par les déflectographes, le SCRIM, l'APL et le GERPHO,
et enfin, celles des clàsses II et III en partie manuellement et en partie au
moyen de GYROS et CAMEROUTE.
III.4.3. Les applications ou les produits de la BOR [16]
Le système rationnel de recueil des données et de constitution des
fichiers offrent de très nombreuses possibilités d'a~plications, lesquelles
se concrétiseront au fur et à mesure des besoins.
Parmi celles actuellement disponibles, citons les trois applica
tions les plus importantes pour la connaissance et la surveillance des
chaussées et qui se présentent sous forme de schémas itinéraires tracés
automatiquement :
- le schéma itinéraire général est une restitution linéaire de la route au
1/2000 décrivant la chaussée, les accotements et les éléments de géométrie
dµ tracé ; il peut être complété par des données particulières telles que
réseaux enterrés, trafic, accidents, distances de visibilité •••
- le schéma itinéraire chaussée reprend un fond de plan simplifié de la
route au 1/5000 et restitue toutes les informations des classes IV et V
structures de chaussées, matériaux, travaux, indicateurs d'état.
128 -
- le schéma itinéraire équipement sécurité comprend toutes les données
nécessaires aux propositions d'équipement ; comme le schéma général il peut
s'augmenter des données sur le trafic, les accidents, •••
Ces trois schémas constituent l'outil de travail des ingénieurs
routiers chargés de la surveillance et de la gestion de l'entretien des
chaussées du réseau routier français.
III.5. Bilan de l'entretien des routes nationales en France
La politique préventive de l'entretien, dont les caractéristiques
viennent d'être définies est appliquée sur le réseau national renforcé et
neuf depuis 1972. Il appartient aux services locaux d'établir par itiné
raire des propositions de programme annuel détaillées dans lesquelles les
chantiers sont bien localisés, les tâches techniquement définies et les
coûts précisés. Ces propositions sont examinées par les services centraux
qui les approuvent après modifications le cas échéant et ouvrent les
·crédits correspondants.
Si le recul dont nous disposons ne permet pas de tirer des conclu
sions définitives, il est cependant suffisant pour dégager quelques traits
essentiels :
- les dépenses d'entretien se sont élevées à 35 000 F/km/an en moyenne,
dont environ 75 % pour la chaussée proprement dite et représentent environ
4 % du coût de construction de la chaussée neuve (acquisition de terrains,
terrassements, équipements et travaux annexes exclus).
= les programmes approuvés et mis en oeLivre représentent, en coût, à peu
près 75 % des demandes totales des services locaux •.
- la fréquence de renouvellement des couches de surface est de l'ordre de
six ans (chiffre calculé pour la partie la plus circulée du réseau natio
nal). On utilise soit des bétons bitumineux en épaisseur de 6 à 8 cm et à
un degré moindre des enduits superficiels. Des matériaux nouveaux à base
de liants modifiés et des enrobés applicables en couches minces connaissent
actuellement un développement prometteur.
- globalement, l'entretien est bien de type préventif, la part des dépen
ses consacrées aux réparations localisées n'étant que de 1 à 2 %.
- 1 29 -
Il faut ajouter aussi que sur la partie non encore renforcée du ré
seau (souvent en mauvais état), on a opté pour une politique curative d'en
tretien, le but étant d'éviter, en l'attente du renforcement, l'accéléra
tion des dégradations et d'imperméabiliser si possible les surfaces des
chaussées. Les crédits consacrés à cet entretien sont actuellement trois. fois plus faibles que sur le réseau renforcé.
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- 131 -
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BL : Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées.
RGRA : Revue Générale des Routes et Aérodromes.
- 133 -
fISSURATION DANS LES COUCHES DE ROULEMENT
Jean-Pierre MARCHAND
Honoré GOACOLOU
= 134 -
Jean-Pierre MARCHAND Ingénieur E.N.P.C. Section Mécanique des Chaussées Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Centre de Nantes - B.P. 19 - 44340 BOUGUENAIS
Honoré GOACOLOU Ingénieur E.N.S.M. Laboratoire Régional de l'Ouest Parisien 12 rue Teisserenc-de-Bort-B.P.204- 78195 TRAPPES CEDEX
Résumé
L'utilisation de la mécanique de la rupture dans l'étude des chaussées constitue une étape supplémentaire vers une meilleure connaissance des mécanismes qui régissent le comportement d'une structure routière.
Le modèle pré~enté dans cet article s'intègre dans cette démarche car il prend en compte les discontinuités verticales crées par les fissures transversales de retrait des couches traitées aux liants hydrauliques. Son caractère bidimensionnel est bien adapté à l'étude des chaussées et laméthode aux éléments finis permet une bonne approche de la modélisation de la fissure. Les exemples fournis montrent qu'il est possible de déterminer les directions de propagation d'une fissure existante pour chaque type de sollicitations rencontrées dans la mécanique des chaussées.
Son calage ai1ec un modèle multicouche bidimensionnel permet de l' utiliser dans l'interprétation des résultats d'essais d'auscultation pour détecter la présence d'une fissure verticale dans la couche de base traitée, avant qu'elle ait commencé sa propagation dans l'enrobé.
Le schéma de dimensionnement des couches de roulement proposé tient compte de l'influence des fissures et se présente sous une forme arborescente qui schématise les différentes étapes du cheminement de la fissure. A l'aide du modèle, il est possible de faire une approche sur le temps de remontée des fissures dans les couches de roulement.
- 135 -
I) INTRODUCTION
Jusqu'à présent, la détermination de l'épaisseur d'une couche de
roulement placée sur une couche de base traitée, s'effectuait en tenant compte
des éléments suivants
1 - la contribution apportée par cette couche à la diminution de l'allonge
ment relatif vertical Ez du sol (dans le eas des chaussées
souples)
2 - la contribution apportée par cette couche à la diminution des sollicita
tions de traction par flexion (crT ou ET) exercées dans la couche de base
3 - la vérification du taux de travail ET à la base de cette couche (dans le
cas d'une base traitée, de module nettement supérieur à celui de la cou
che de roulement, la vérification du point 3 est presque toujours satis
faite, dans tous les cas de figure)
4 - enfin les dispositions pratiques de nu.se en oeuvre qui résultent des pos
sibilités technologiques des engins de répandage, ainsi que des orienta
tions définies par les directives.
Cet aspect du dimensionnement des couches de roulement a fait
l'objet de diverses communications lors de la 4ème conférence internationale
d'Ann Arbor 1977 [l], [2], [3], [4], [S], [6].
En fait le rôle structurel de la couche de roulement est un rôle
de protection du corps de chaussée. En plus de l'agressivité du trafic
qu'elle subit directement (effets d'abrasion, usure), elle doit résister
aux effets de l'environnement sans désordres graves (vieillissement du
liant, désenrobage) et protéger le corps de chaussée des effets de l'eau qui
tombe sous forme de pluie : un enrobé qui possèderait toutes les qualités.
mécaniques souhaitables peut, quand il est utilisé en couche de roulement,
s'avérer désastreux pour la chaussée s'il devient perméable.
- 136 -
Obtenir la continuité de cette couche devient primordial et il
est souhaitable, en particulier, de savoir évaluer la résistance de cette
partie de la chaussée à la fissuration. Les couches de base traitées aux
liants hydrauliques étant soumises à des efforts de traction par flexion
sous l'effet du trafic et à des contraintes résultant des variations de
température, la répétition de ces sollicitations entraîne l'apparition de
fissures qui peuvent conduire à la destruction de la chaussée et vis-à-vis
de ces phénomènes, la couche de roulement se présente connne une protection
contre la remontée en surface des fissures et évite l'infiltration de l'eau
et les désordres qui en résultent (abrasion des granulats, départ des fines
du sol). On voit alors l'intérêt de connaître grâce à la mécanique de la
rupture, la vitesse de progression de ces fissures dans la couche de roule
ment, et la façon de les prendre en compte dans le calcul de cette couche tant
pour le choix de la solution la meilleure lors de leur mise en place (doit-on
réaliser ces couches par étapes ou construire en pleine épaisseur ?) que pour
l'étude d'une membrane antifissure.
Plusieurs chercheurs ont déjà conduit leur approche du dimension
nement des chaussées dans cette voie [7], [8], [9].
L 'arti'cle présente une méthode de calcul rationnel fondé sur
la mécanique de la rupture et décrit :
- l'élaboration du modèle mathématique,
- son utilisation dans le cadre des chaussées,
- son application à un problème d'auscultation,
- son utilisation pratique dans le principe d'un dimensionnement
des couches de roulement.
- 137 -
II) CONCEPTION DU MODELE MATHEMATIQUE BIFIS
2.1. Nécessité de nouveaux modèles
Les modèles de calcul servant au dimensionnement des chaussées
ont évolué en fonction des moyens de calcul et des techniques routières. Si
les modèles bicouches sont aptes à dimensionner les structures souples tra
ditionnelles, l'emploi en couche de base des matériaux traités à rigidité
croissante a conduit les méthodes de dimensionnement vers des modèles de
type multicouches ; tel est le cas du progrannne ALIZE du L.C.P.C. fondé
sur les principes énoncés par Burm.ister.
Néanmoins, ces modèles, plus réalistes quant au nombre de couches,
présentent des imperfections pour l'étude des structures discontinues
- Les couches sont infinies dans le plan et l'influence du bord
est négligé
- Les couches sont homogènes dans le plan et seules les varia
tions verticales de caractéristiques mécaniques sont prises en
compte ;
- Il n'existe pas de discontinuités verticales possibles.
Par conséquent de tels modèles ne permettent pas une bonne repré
sentation des structures discontinues comme les structures comportant des
fissures, du moins à proximité des discontinuités, zones où se situent sou
vent les points qui conditionnent la durée de la chaussée.
2.2. Cas des structures de chaussées entièrement fissurées
Dans le cas de structures totalement fissurées on peut disposer
de modèles analytiques qui au travers du paramètre déflexion, permettent
- 138 -
d'examiner le ~omportement d'une assise traitée fissurée, à l'aide d'un ~o
dP.le bidimensionnel simple : poutre posée sur un massif de Westergaard.
r r ·r r r I f 1 1 1 [ L
néflexion en pleine poutre d Py
0 =fil
p
'-'------.r~r,.....,r~J l!r 1 rrfi"i1'7ffrï ; 1 Déflexion en bord de poutre
d ~ f = kb
p + p.;: ~ .. 'f1~p(1~ 1
l 1 1 l 1 l 1 1 1· 1 1
Déflexion en bord de ~outres engrenP.P.s
- Figure l : Déflexions d'une poutre reoosant
sur un massif de Westergaard
La déflexion en pleine poutre est de la forme (fig. la)
Py do = 2kb
avec
p la charge
k le module
b largeur de
Vih k b y m E le module
I l'inertie
verticale [MLT-2]
de réaction du sol [ML -2 T-2]
la poutre [L]
d'Young de La poutre [ML -1 T-2]
de la poutre [ 14]
En bord de poutre (fig. lb) la déflexion s'écrit
df = 2 Py k.b
- 1. 39 -
Ce modèle fait donc ressortir la variation de déflexion entre le
bord d'une fissure œt le centre de l'.:_,_poutre ; en effet :
En pratique, il existe un certain engrènement aux lèvres de la
fissure, donc un transfert de charge d'une poutre sur l'autre. En notant P'
la partie de la charge transférée sur J.a poutre non c.hargée , on définit
et par le rapport P' /p~ La déflexion s'écrit alors : (fig. le) :
2 ( 1 - et) Py dr = -et kb
et le rapport dfa./d0 vaut 4 ( 1 - et).
Pour un engrènement parfait le coefficient a vaut 0,5 et le
rapport des déflexions ~fa/d0 vaut 2.
Pour un engrènement nul a vaut 0 et le rapport des déflexions
df /d0 vaut 4. a
Ces valeurs suggèrent une classification des fissures suivant
leur comportement vis-à-vis de la déflexion
des valeurs de dt/ do voisines de 1 caractériseraient une fissu
ration partielle de la structure ou un blocage des dalles.
- des valeurs proches de 2 caractériseraient un bon engrènement.
- des valeurs voisines de 3 un engrènement moyen.
- des valeurs élevées de 4 ou plus caractériseraient des fissures
sans engrènement avec éventuellement des dégradations du support.
2.3. Cas des structures de chaussées partiellement fissurées
Si pour les structures totalement fissurées, et pour ce qui concer
ne les déplacements, des modèles simplifiés peuvent être employés, il n'en est
pas de même pour les structures à fissuration Rartielle. En effet, si l'on
souhaite étudier les sollicitations dans une couche posée sur une structure
discontinue fissurée, les modèles précédents sont inadaptés ou insuffisants
car il s'agit d'étudier les contraintes et déformations à proximité du fond
de fissure pour en déduire le comportement de la fissure qui se traduit par
- une tendance à la propagation verticale dans la couche rapportée,
- une tendance au décollement de la couche rapportée de sonsupport.
Dans ee but, on rappelle brièvement les points de -vue de la méca
nique de la rupture qui ont été adoptés sur le comportement en fond de fissure.
Nous utilisons le schéma d'IRWIN [10] : le comportement d'une
fissure plane sollicitée de manière quelconque peut être décomposé suivant
trois modes élémentaires.
La fissure est dite sollicitée en mode I (resp. II, III) lorsque
le déplacement relatif des lèvres est parallèle à l'axe AX (resp. AY, AZ)
(fig. 2, 3 et 4).
0
/' r/
I
/\8
- Fiaure 2
x,
- Ficrure 3
Repères car~ésiens pour àé:inir la position à'une fissure plane
141
MODE III
- Fiaure 4 Modes élémentaires de rupture selon IRWIN
Dans chacun des ~as les contraintes sont très élevées au voisi
nage du fond de fissure. On distingue en général, (fig. 5)
sinqularité élastiaue
zone courante <le
comportement élastiaue
fissure
- ?iaure 5 Etat de contraintes en fond de fissure
- 142 -
- une zone plastique que nous admett·rons circulaire, où les
contraintes sont bornées par la limite élastique du matériau.
au delà d'un certain rayon, une zone du corps supposé élasti
que où les contraintes varient rapidement, cette zone constitue
la singularité élastique et les contraintes y sont de la forme :
lorsque r -..:- o
Dans la réalité ce corps subira une plastification locale, les
contraintes ne deviendront pas infinies et il n'y aura pas de singularité.
En modes plans i et II les contraintes et déplacements au voisi
nage du fond de fissure sont.données par les formules suivantes : (tableau I)
~ ~ (..!...) 112 cos! (lt-c:osS)
KII (...!..) l /2 . e (k+c:os6 .. Z)
) "1
+- sinÏ 2\1 2'1 2 2\1 21f
( 1) ~ (..!...) l /2
K . . e - ..E.. (..!...) l /2 6 u ~ s1112 (k-c:os6) c:os2 (k+c:os6-Z)
2 2\1 2'1 2 \1 21f
.lv .. c \1 ~ module c_isaillement et \1 coefficient de Poisson •
k • 3 - 4\1 en déformation plane
3 -·v k • ï"""'+\i en c:oncrainte plane
Tableau I Contraintes et déplacements en fond de fissure
- 143 -
Le modèle à éléments finis
La modélisation de la fissure transversale constitue l'une des
principales difficultés dans l'élaboration d'un modèle. C'est pourquoi notre
choix s'est orienté vers la méthode aux éléments finis qui permet une repré
sentation géométrique satisfaisante, par contre, cette méthode achoppe sur
la représentation des contraintes : à proximité du fond de fissure il existe
une zone de concentrations de contraintes qui entraîne nécessairement une
variation rapide de celles-ci lorsqu'on s'en rapproche. Un tel phénomène ne
peut être approché qu'en utilisant un maillage très dense, sans pouvoir pour
autant déterminer la valeur exacte des contraintes en tête de fissure.
Un modèle bien adapté serait du type hybride comprenant .-
- Une partie représentant la structure hors fissure
adopter un modèle aux éléments finis classique ;
on pourra
Une autre partie basée sur la théorie de la rupture représen
tant la structure au voisinage du fond de fissure.
En conséquence pour l'élaboration du modèle BIFIS
La zone plastique sera négligée car elle est pratiquement inexis
tante lorsqu'il s'a&it de matériaux traités aux liants hydrauli
qu~s et reste très limitée lorsqu'il s'agit de matériaux bitumi
neux, mais il existe une zone dégradée de grande dimension qui
n'est pas prise en' compte ;
- Et nous retiendrons les lois de la mécanique linéaire élastique
de la rupture.
Pour cela le modèle à éléments finis est constitué de l'assemblage
de deux parties (fig. 6 et 7) :
- Une zone courante constituée d'éléments triangulaires sur les
quels les contraintes et déformations sont constantes
- Une zone localisée en fond de fissure constituée d'éléments
spéciaux sur lesquels les contraintes et déformations suivront
une loi en J /r caractéristique de la mécanique de la rupture.
= 144 ~
)
1 1
1
l
• noeuds dédoublés
- Figure 6 Figuration de la fissure
- Figure 7 Maillaqe de la zone localisée en fond de fissure
- 145 -
Le maillage du modèle est constitué d'un quadrillage d'autant plus
serré qu'on se rapproche de la fissure. Chaque couche est représentée par son
épaisseur, son module élastique et son coefficient de Poisson. Le sol support,
du moins la partie inférieure, est représentée par un massif de Westergaard
de raideur k.
La structure peut être limitée en plan, ou infinie ; dans ce der
nier cas, deux demi-poutres sur appui élastique sont raccordées à la partie
centrale qui seule est discrétisée.
L'introduction de la fissure dans le modèle est faite par dédouble
ment des noeuds la matérialisant (fig. 6).
La zone localisée, constituée d'un cercle centré en fond de fis
sure, est insérée dans un module spécial formé des quatre carrés centrés en
fond de fissure. Ce module contient la singularité élastique et assure la
continuité avec la zone courante. Le maillage de ce module est fixe et est
représenté à la figure ï. On y trouve les 32 secteurs de la singularité
élastique et 48 triangles de liaison [11].
Les actions extérieures peuvent être des déplacements, des efforts
imposés à des noeuds quelconques du maillage, ou les deux simultanément.
Les résultats fournis par le programme de calcul BIFIS sont,
outre les déplacements, les contraintes et les déformations en tout point de
la zone courante et du 100dule spécial, les facteurs d'intensité de contrainte
Kr et K11 , ainsi que la direction de propagation ; (ce dernier point suppo
sant une hypothèse sur le critère de rupture).
Pour vérifier la justesse du modèle retenu, on a comparer les
résultats de BIFIS avec des cas dont la solution analytique est connue [ 12],
[13], certains résultats de cette étude comparative sont illustrés sur les
figures 8a et Sb: le premier cas est une fissure sollicitée en mode I, le
second est une fissure sollicitée en mode II.
. .. / ...
146 -
<S" ~ 0,1 MPa E • 105 MP• \) - 0,25
M~thode aux éléments flnis
~éthode analytiqu~
1
'!:= 0,1 MP1 E,. 105 MP1 .):0,25 MP1
1 • • \ 1 1 1 1 \ 1 \ 1 1 1 1 1
•f--
'- _.._ /
// ..;i.Jl/
K
' 1
~
v= o,2s
\
\ \ \ 1
\ t1 cm
= l.12,10-4 cm (méthode analytique)
\ ., \ ~
0 ..,
1 1 \ \
~ \ \ 1 \ \
6U
6U = l.10-4 cm (méthode aux él~ments finisr
Déformée de la fissure • Comparaison entre la méthode analytique
et la méthode aux éléments finis
~iqure 9a : Sollici~ation en mode !
Déformée de la fissure. Com9araison entre la méthode analyti~ue at la méthode aux é~éments finis
- Ficrure 9b : Sollicitation en mode !I
La figure Sa montre dans le cas de la traction plane que le mo
dèle est en bon accord avec les déplacements de la solution analytique,
On en conclut à la bonne représentation du phénomène avec Le pro
grannne proposé.
Dans le domaine de la mécanique des chaussées, on rencontre prin
cipalement deux types de sollicitations
- celles engendrées par le trafic, il s'agit alors d'efforts, en
général verticaux, placés sur les noeuds supérieurs du maillage
celles résultant des variations thermiques. Dans ce cas, il
s'agit d'efforts horizontaux placés sur les noeuds dédoublés
matérialisant la fissure verticale.
tations
- 14 7 -
On a dans les exemples suivants examiné trois types de sollici-
1) des sollicitations horizontales résultant du retrait thermique
de 1 ' as s is e ,
2) une charge ver~icale excentrée par rapport à la fissure,
3) une charge verticale centrée au droit de la fissure.
Dans les trois cas la structure de chaussée et le sol support
sont représentés par le modèle de la figure 9.
L'assise de chaussée est entièrement fissurée. On se propose
d'examiner l'incidence d'un début de fissuration de la couche supérieure et
rechercher en particulier la direction de propagation dans les 3 cas ci
dessus.
E = 6000 1-!Pa V = 0 • 25
!:: = 20000 MPa V = 0 • 25
Sol support : .'!'assif de «/esteraard
k = 10 MPa/cm
{
- Figure 9 : Modélisation de la structure de chaussée
" ..., c: ·~ > .... ~ "' ·n~
"' (j ..., "" ~
o. E
<; <li
(.)
"' ~ \~ Q
On a illustré les résultats du calcul sur les figures 10, Il et
12. Elles montrent la répartition des contraintes principales autour de la
tête de la fissure pour les trois types de sollicitations et une certaine
valeur de r.
148 -
Sur chacun des graphiques sont reportées, en fonction de la di
rection e, les deux contraintes principales crr et crrr·
Deux modes de calcul sont présentés
- la méthode aux éléments finis,
la méthode mixte, . Les déplacements sont calculés à partir de la méthode aux élé-
ments finis (ôU et ôV) puis on utilise la repré~entation ana
lytique des déplacements et des contraintes à proximité de la
tête de la fissure.
Le critère de propagation a porté sur la contrainte principale
de traction.
La figure IO montre une bonne concordance entre les deux méthodes
en particulier pour la contrainte principale maximale. La contrainte la plus
élevée se situe dans la direction e 0 = 40 et la direction principale carres-
pendante fait un angle a= 1° avec l'axe OX. Dans un cas de rupture du maté
riau par contrainte de traction excessive la direction de propagation serait
alors a + rr/2 soit la verticale, donc une propagation de la fissure vers le
haut.
raynn le olus sollicité /'
_ ~~tr.ode aux élf::.ents finis Trac-tian
---- Mf>t~ode aux ~lé!"'lents finis Corn9ression
....• M.f!thode ~ixte Traction
Cirect:ion de :ïssurat.ion
- Fioure 10 R~nartition des contraintes principales autour
de la tête de fissure - Sol licitations horizon tales (retrait therrr..içue).
149 -
La figure II montre l'incidence d'une charge excentrée.
Quand on considère la position de la charge par rapport à la
fissure, on constate que le matériau près de la fissure du côté de la
charge travaille en traction verticale, par contre au delà de cette fis
sure celui-ci travaille en compression verticale.
La direction principale correspondant à l'intensité de contrainte
maximale fait un angle a= 90° avec l'axe OX, la fissure a donc tendance à
se propager horizontalement dans la direction de la charge. On note que
cette progression ne s'effectue pas dans le plan initial de l'amorce de
fissure verticale, et dans le cas de ce chargement, il y aurait une tendance
au décollement des couches.
n
! .
"'aven le nlus solliciU ~
.. __ ~~thode aux t'!l"'ment!'I ! inia
C:ol'M'tression { .... - ''11!thode mixte
""raction {- '!•thode aux iS\A""""+-• Fînt!ll • •·•· '-'~thode mixte
• Piqure 11 : R.~partition des inten9ités de9 contrainte! prin• cipales autour de la tête de la flssure - Charqe verticale excentrée
Dans le cas de la charge centrée (fig. I2), les deux méthodes
donnent des résultats différ.ents. La charge étant centrée, on a affaire au
mode I conune à la figure 10. Si la méthode mixte conduit bien a une telle
répartition, la méthode aux éléments finis présente une contrainte princi
pale en compression. Cette particularité provient de la superposition de
deux efrets 1 :
150 -
l'ouverture de la fissure par flexion,
la présence d'une contrainte verticale (compression) due à la
charge centrée.
Les contraintes en proximité de la fissure sont de la forme
(J' • 1.J = K· ·/Ir l.J + (j 1 ij
Dans le cas présent le second terme cr'ij n'est pas négligeable
lorsque r devient petit et donc le modèle est mal adapté puisqu'il ne prend
pas en compte ce terme.
Les deux méthodes conduisent toutefois à la même direction de
propagation (verticale).
• l"iqure l 2
comcre .. 1on ___ Mêthode aux él~ments f!ni•
traction _ ~1~t!-ode aux l'l~ment:!I finis
traction ..... ~>;jthode ;nixte
nirection de nrnn~~ation
Rêoartition des intensitt<!I des contraintes principales autour de la tOte de la fiS1sure - Charqé verticale centrée.
- 151 -
III) APPLICATION A UN PROBLEME D'AUSCULTATION
On cherche à apprécier l'influence d'une fissure dans la couche
de base d'une chaussée sur les mesures effectuées lors d'une auscultation.
Pour cela, on procèdera en deux phases
1) un calage entre le modèle bidimensionnel de fissuration présenté ci-dessus
et un modèle multicouche (le progrannne ALIZE),
2) une étude comparative du comportement entre une chaussée ayant une couche
de base saine et une chaussée avec une couche de base partiellement fissu
rée dont la fissure a connnencé à se propager dans la·couche de roulement.
Pour cette étude, on s'est limité volontairement à une chaussée
composée de trois couches :
- une couche de roulement en béton bitumineux,
- une couche de base en grave ciment,
- un sol de fondation.
Afin de limiter le nombre· de paramètres à étudier, les seules
variables seront les épaisseurs des couches et le module du sol.
La représentation schématique de la structure dans le modèle
multicouche se tr·ouve sur la figure 13.
La structure est soumise à l'action d'une roue simple dont l'em
preinte circulaire est uniformément chargée ; son rayon a 'est égal à 12,5 cm
et la pression de contact p0 a pour valeur 0,662 MPa.
La représentation schématique de la structure dans le modèle
bidimensionnel se trouve sur la figure 14.
- 152 -
a r E1 6000 MPa "l 0,25
4-6-10-15-20-30 cm 3éton Bitumineux
~~~----~~~--~------------~----~~interface collé
H2 = 10-15-20-30-50 cm E3 20 000 MPa Grave Ciment "2 = 0,25
~~~~--~~~~--~--~--~--------~~interface non colle Sol EJ = 20-50-120-300 MPa
"3 = 0,25
- Figure 13 Schématisation de la structure de chaussée et de la charge dans le modèle ALIZE.
500 cm
k (MPa/cm)
v3
N
B'
- Fiaure 14 Schématisation de la structure de chaussée et de la charge dans le mod~le BIFIS.
La largeur 1 de l'empreinte de la charge est égale à 35 cm, ce
qui correspond à celle d'une roue d'un essieu de 13 000 daN. 6
La charge p est alors uniformément répartie sur une bande de
• largeur L.
Afin de se placer dans des conditions aux limites identiques à
celles d'ALIZE, et compte tenu des symétries existantes on a adopté les
hypothèses suivantes pour le modèle BIFIS :
a) les déplacements horizontaux sont nuls pour tout point appar
tenant aux côté AB et A' B'.
b) les déplacements verticaux des noeuds B et B' sont nuls.
- 1 53 -
3.1. Calage entre les deux modèles
Le calage entre le modèle bidimensionnel BIFIS et le modèle tri
dimensionnel ALIZE permet d'établir une correspondance entre certaines va
riables afin d'obtenir des résultats semblables avec les deux modèles quand
on procède à une même schématisation de la chaussée dans des conditions
identiques d'utilisation.
-Les variables de BIFIS qui serviront au calage sont
x la pression p de la charge ;
x le module de réaction du sol k
elles seront ajustées avec les variables suivantes d'ALIZE
x la pression Po de la charge circulaire,
x le module d'Young E3 du sol.
Les paramètres qui ont été retenus pour effectuer le calage sont
a) l'allongement relatif sT à la base de la grave ciment, direc
tement lié à la valeur de la pression de la charge ;
b) la déflexion d, sous l'axe de la charge, qui est fonction de
la portance du sol.
La méthode utilisée pour le calage est une étude de sensibilité
des paramètres ST et d sur les deux modèles, en faisant varier séparément
les variables p et k dans BIFIS et p0 et E3 dans ALIZE.
La faible variation de l'allongement relatif sT avec le module
de réaction du sol k pour une épaisseur Hz de grave ciment imposée, cons
tatée avec BIFIS permet de définir une valeur moyenne des allongements ne
dépendant uniquement que de Hz. Ces allongements comparés avec ceux calcu
lés par ALIZE servent à choisir les valeurs de p qui fournissent les meil
leurs ajustements pour une épaisseur Hz imposée.
En réinjectant dans BIFIS ces valeurs de p pour différentes va
leurs de k, on obtient des déflexions d que l'on compare avec celles trou
vées par ALIZE, pour différentes valeurs de EJ·
- 19 -
- 154 -
2.5
2.0
1
~1.5
~ ~
Lù 1.0
1
0.5
0 a
H2 aJ
Po
Ce procédé d'ajustements successifs permet alors d'établir des
relations de correspondance entre les couples de variables (p, k) intro
duites dans BIFIS et les couples de variables (p0 , E3) introduites dans
ALIZE, (figures 15 et 16).
Si Hz = 10 cm
Hz
Hz
ZO cm
50 cm
E3/k "' 0,57
E3/k = 0,87
E3/k = 2,43
et p = 0,33 MPa
p = 0, 17 MPa
p = 0,08 MPa
Ces relations permettent de choisir, pour H2 fixée , les valeurs
des données k et p qui après calcul, donn~ront un allongement relatif ~T et
une déflexion d comparable avec ceux calculés par ALIZE.
p Ill 111
~JH.z:EfJ 0.35 H2m%E?o~ -Ez E3 f ? k-
m E ' k 3 O.J[) / 1 ALIZE 8/FIS I 1\ ALIZE BIFIS
i-1
1
1 1/ / 1 1 1
V /
/
V V
-\
1 1 1 1 ~
1 " 1 1
1 1
"""' ! 1
~ ~
1 1 ........
1 --· 1
i"'-.
0.25
...._ o. ;;,o
~ Q:, 0.15
0.10
O.Œ
70 20 30 1.0 a
0 10 20 30 1.0 50
- Figure 15 : Variation de E3/k avec Hz - Figure 16 : Variation de p avec Hz
On peut noter que la fiabilité de cette correspondance est prise
en défaut lorsqu'on se situe dans la zone des faibles valeurs de Hz et de k,
mais dans les cas de structures les plus courantes elle fournit des résul
tats satisfaisants.
- 15 5 -
La deuxième partie de l'étude consiste à introduire une fissure
dans la couche de base et à observer l'effet d'une te•lle discontinuité sur
"la déflexion et le rayon de courbure lorsqu'on fait une auscultation non
destructive. Le calage qui a été opéré précédemment entre les deux modèles
. est conservé.
La fissure prise en compte est une fissure transversale, ·généra
lement due au retrait de la couche de base, qui s'est propagée sur toute
1 'épaisseur de la couche de grave-ciment, e_t a débuté son amorçage dans la
couche de béton bitumineux. On suppose que cette amorce de fissure a une
taille initiale toujours égale à 1 cm.
La couche de roulement a une épaisseur variable de 4-6-10-15-20
ou 30 cm, la couche de base a pour épaisseur 10-20-30 cm et le module de
réaction du sol est pris égal à 25 ou 150 MPa/m, la charge est une roue
simple d'essieu de 13000 daN statique, dont la position peut être soit en
pleine dalle (très éloignée des fissures transversales) soit centrée sur
une fissure transversale.
3.2. Variation de la déflexion avec et sans fissure
La présence d'une fissure -non apparente en surface- se traduit
par une variation sensible de la: déflexion lorsque la charge se trouve au
droit de celle-ci.
Sur les figures 17 et 18 est représentée la variation de ce para
mètre, pour différentes épaisseurs des couches et pour un module de réaction
du sol, donné.
Pour essayer de traduire quantitativement cette variation, on a
reporté sur la figure 19 la droite de régression des résultats de la dé
flexion sans fissure et avec fissure.
On a une bonne approximation en disant· que cette augmenta..;
tian est d'environ+ 28 %.
- 156 -
50 .f'... ... ~
.......... )'
... ~ -.... ,..... ... _ -..............
- AVEt: l"ISSURé ....... ___ .SANS l"ISSURé
-~ r--.. . -- - .... _ "'--- ---10
.... -- --- ,_ __ ·---0
0 10 20
: 1
ra k:ISOMPa
- 1
}H2::10cm ~ ... ... _ -1
1 ~ ... _
}H2:20cm 1
---- }H2::50cm -
150
100
50
0 0
. !'\.
"\. "!\. .... "" ....
.... ...
- AVEC' f"ISSURé ~--.• SANS r!SSURE
r-... --. ..... - - ---
10
1 1 w: . 2 . k:25MPa
~ '- ....
'"' ...... ............ .... .. .............
..... ~Hr 1ocm
~. -
---Q ---r-- }H2=Wcm
.}H2 ::âJem ----~--r--20 JO
- Figure 17 : Variation de la déflexion avec - Figure 18 Variation de la déflexion avec et sans fissure pour différentes épaisseurs et sans fissure pour différentes épaisseur seurs.
150 1 1 1 1 1 / . ,_
ffi / 1-
V 1 / ,_ f/
<.I 'Il ,. 0 50 c: ·~ :;::: 'Il
1::1
1::1!'.j
,._
!/ 0
0
" )F
- Figure 19
/ -/' d2a1.2ad1 -
/. V . /
/ . V
v.· ~ /"
•
50 700 150 -2
d1
: deflexion sans fissure(IO mm)
Linéarité de la relation "d2 - dt"·
- 15 7 -
3.3. Variation du rayon de courbure avec et sans fissure
De la même manière que pour la déflexion, la présence d'une
fissure non appa~ente en surface, se traduit par une diminution sensible
du rayon de courbure quand la charge se trouve au droit de celle-ci.
Sur les figures 20 et 21 est représentée la variation de ce para
mètre, pour différentes épaisseurs des couches et pour un module de réaction
du sol, donné.
Pour essayer de traduire quantitativement cette variation, on a
reporté sur la figure 22 la droite de régression des résultats du rayon de
courbure obtenu sans fissure et avec fissure.
On note que la pente de cette droite est d'environ 2,3 ce qui
se traduit par une diminution du rayon de courbure dans un rapport de 2,3
lorsque la couche de base est fissurée.
- 158 -
... AVEC F"ISSURê -...
R i- ___ .SANS r/SSURê -....
Eil -- - : ê H2:10cm ! : k:: 2SMPa -.
10~
1
- -- - --A j H2:20cm -- 1
- ! H2 :S0cm ~ ~
~
10 20
- Figure 20 : Variation du rayon de courbure avec et sans fissure pour différentes épaisseurs.
r--
w -----3
.7
F
/ . ::.
" v" /
-AVEC' f"ISSURê R -___ .SANS r/SSURê -s=
~ ~ - H
2:10cm kûSOMPa -
.._,__
10~
1
- 1
o• .. -- .,,. Ill) - - -
(H2 ::.20cm =
- l H2 :::SoCm -= - -__ .. ---- 1
... l.--- ...... 1
10 20
- Figure 21 : Variation du rayon de courbure avec et sans fissure i;:our différentes épaisseurs.
, . / 1 ~ 1
~
/ 1
/ R1 #' 2.10R2 1 1 1 1
1 1 1 '"+
~ ...
Il 1111 1 1 1 1
R1
:rayon de courbure sans fissure(m)
- Figure 22 : Linéarité de la relation "R2 - R111
IV) PRINCJPE D'UN DIMENSIONNEMENT DES COUCHES D'ENROBES
~ITUMINEUX PLACEES SUR SUPPORT FISSURE
4. 1. Schéma de dimensionnement
- 159 -
Vu sous l'angle de la mécanique de la rupture, le dimensionnement
d'une couche placée sur un support fissuré, consiste à déterminer l'influence
de l'épaisseur de l'enrobé mis en place sur le temps de remontée de la fis
sure jusqu'à la surface.
Nous proposons une méthode de calcul du temps de remontée des
fissures qui tient compte de leur cheminement le plus probable, ces diffé
rentes possibilités étant présentées à la figure 23.
- Selon le schéma 1 : il y a d'abord un décollement des couches
à l'interface suivi de la formation d.' une amorce de fissure verticale qui
se propage vers la surface ;
- Selon le schéma 2 : les liaisons à l'interface sont telles que
la fissure se propage d'abord dans la couche supérieure. Cette fissure peut
se propager jusqu'à la surface et être accompagnée ou non d'un décollement
à l'interfac~ apparaissant au cours de la propagation verticale.
Ces schémas de propagation suggèrent une méthode de détermination
du nombre de cycles de chargement dus au passage d'une roue conduisant à la
fissuration complète. Les étéments nécessaires à ce calcul sont regroupés à
la figure 24. Examinons les étapes des deux schémas de fissuration.
Nous supposons que la structure est fissurée transversalement sur
toute l'épaisseur de la grave traitée. On fait l'hypothèse qu'il y a un
amorçage de la fissure dans l'enrobé dont la taille peut être appréciée à
partir d'expériencessur les matériaux. Comme beaucuup d'autres chercheurs,
on la supposera de la taille des granulats.
160
S11UC1U111fisaitM à1nttrlaœeo1"
S1ructure 1>Mt1eltement f1sa.u'9 iOllic:Hte OM le uahc 11 dll
- Figure 23 Cheminement de la fissuration
'-----------~------~N Amorçage d'une fissura verticale
facceur d' intensitê d.e cont:rainta l~tI ~n foncd.on de la lonqueur de écollement L:l, _?Our deux lorqueurs de :ïssure vert:icale
'I
A.morçaqe d'un .:iéco llemen t.
'-~~~~~~~~~~._,,.,K!
'Jitesse de ?ropaqac.ion verticale : loi de Paris
âld -rN.l
1
1/ l..__-.-K:r
Vitesse de ~ropaqae.ion horizoncale : Loi de Paris
'-------------E :'3.cteur d' int~nsit:.é da contrainte KI lin :onction .:!e la longueur de ta '!'issure •rertlcale pour deux Longueur3 ~e décolle~ :nenc horizontal
~igure 24 : :!:lérnents nécessaireg au calcul .iu nombre de cycles condui..sant l ta Eissuracion cot!:.plét:e.
- 161 -
Le modèle BIFIS pennet.de calculer à l'origine les facteurs
d'intensité de contrainte Kr (mode d'auverture) et Krr (mode de glissement
plan) qui dépendent de .la charge verticale appliquée, de la géométrie de
la structure et des matériaux mis en place.
Le critère de rupture de la couche d'enrobé sera l'apparition
de la fissure verticale en surface.
• Schéma 1 Le décollement à l'interface se produit le premier
Ce schéma peut se décomposer en trois phases
La connaissance de K1 permet de déterminer le nombre N0 de cycles
nécessaires à l'amorçage de la fissure verticale, sans décollement, à l'aide
de la courbe G).
La connaissance de Krr permet de déterminer le nombre N' 0 de cy
cles nécessaires à l'amorçage du décollement sans fissure verticale, à
l'aide de la courbe @ .
Ces courbes qui seraient obtenues à partir d'essais en Laboratoire
sur les matériaux ne sont pas encore connues.
Dans le cadre de ce schéma on a N0 < N' 0 , on en déduit alors un No dommage théorique D0 = N"'°' de la phase d'amorçage de la fissure verticale
0
Durant cette phase le décollement se propage (la longueur de
décollement la augmente) .
Sa vitesse de propagation est donnée par la loi de Paris ~ dont on rappelle l'expression :
- 162 -
où A est une caractéristique du matériau, K le facteur d'intensi
té de contrainte calculé par BIFIS, et m un pa-::-amètre dont les valeurs sont
situées aux alentours de 4 cormne le suggèrent MM. PARIS et ERDOGAN [ 15] 0
A chaque instant, on obtient, par intégration de la loi de Paris
l'augmentation de ld. Cette croissance entraîne une diminution du facteur
d'intensité de contrainte Krr dont la nouvelle valeur peut être lue sur le
graphe (3J, obtenu point par point, pour différentes longueurs de fis
sures verticales à l'aide de BIFIS.
On poursuit le calcul du processus par itérations. Le nombre de
cycles de ce processus est Ni : il correspond au temps ·nécessaire à la fis
sure verticale pour terminer sa phase d'amorçage.
Le dommage occasionné DJ par ces Ni cycles est le cumul des dom
mages théoriques élémentaires pour amorcer une fissure verticale avec décolle
ment, ils sont calculés à chaque cycle à l'aide des variations de la valeur
du facteur d'intensité de contrainte Kr de la figure(Î~· Lorsque le dommage D1 +
'-"
gation verticale prédominante commence.
avec ld tracé sur la figure@) et No N'a est égal à 1 la phase de propa-
Le décollement continue à se propager avec une vitesse qui diminue
(voir figure t[_)}tandis que la longueur verticale fissurée f augmente avec le
nombre de cycles appliqué depuis son amorçage.
Cette croissance est obtenue par intégration de la loi de Paris
(figure ~)à chaque cycle.puis on calcule la nouvelle valeur du facteur d'in
tensité de contrainte Kr, à l'aide du graphe~fourni par BIFIS.
- 163 -
Ce processus itératif se poursuit jusqu'à l'apparition de la
fissure en surface, c'est-à-dire lorsque la longueur fissurée f est égale
à l'épaisseur h 1 de la couche d'enrobé. Le nombre de cycles qui correspond
à cette phase est NJ, compté à partir de l'amorçage de la fissure verticale.
. Schéma 2
Le nombre total de cycles subi est alors égal à
phase d'amorçage de la fissure verticale
+ Nz phase de propagation de la fissure ~erticale
La propagation verticale se produit la première
Le schéma peut se décomposer également en trois phases
Dans cette première phase le nombre de cycles N'o nécessaires
à l'amorçage de la fissure verticale sans décollement est inférieur au
nombre de cycles N0 nécessaire à l'amorçage du décollement sans fissure
verticale. On en déduit un dommage théorique D'o = N~~ correspondant à
la phase d'amorçage du décollement.
Durant cette phase la fissuration se propage, sa vitesse de pro
pagation déduite de la loi de Paris (1) fournit après intégration l'augmen
tation de longueur fissurée.
A cette nouvelle longueur fissurée f correspond une diminution
de Kr obtenue à l'aide de la courbe(§), le processus de cette phase se
poursuit par itérations.
- 164 -
Pendant ce temps le décollement a connnencé son amorçage depuis
un nombre de cycles N'1· Si la longueur fissurée f atteint la valeur hi
pour un nombre de cycles N1 3 inférieur à N' 1, il y a fissuration complète
de l' enrobé sans d~collement et le nombre total de cycles subi sera de :
N'T = N'o phase d'amorçage de la fissure verticale
+ N' 3 phase de propagation de la fissure verticale
Dans le cas contraire, il y a une phase de propagation verticale
et horizontale simultanée.
A chaque étape de la propagation, l'augmentation de la longueur
de décollement ld est obtenue à partir des courbes (Î et (I' et la longueur
de fissuration f à partir des courbes . 5: et 6., suivant le processus dé--.--., crit pour le schéma·__!_;
Il y aura apparition de la fissure en surface lorsque f aura
atteint la valeur h1, é'est-à-dire pour un nombre de cycles N'z, compté à
partir de 1 'amorçage du déco llemént:
Le nombre total de cycles subi est alors de
N' T = N'o phase d'amorçage de la fissure verticale
+ N' 1 + N'z phase de propagation de la fissure verticale
Lutter contre la propagation des fissures consisterait donc a
obtenir des valeurs NT ou NT' aussi élevées que possible. L'aptitude des
matériaux à s'opposer à la remontée des fissures peut être quantifiée par
deux critères :
la résistance qu'il oppose à l'amorçage d'une fissure (cour
bes tJ) et Q);
- 165 -
la résistance qu'il oppose à la propagation d'une fissure amor
cée (courbes ·"3' et ·'S).
Les dispositions structurelles, par contre, interviendront sur le
cheminement de la fissure, et elles seront d'autant plus adaptées à lutter
contre la remontée des fissures que le cheminement résultant conduit à une
valeur NT ou NT' élevée.
L'application d'une telle méthode nécessite la connaissance du
comportement intrinsèque des matériaux vis-à-vis de la fissuration. Les cour
bes 1î:, ::'.21, (3), et (5î ne sont pas encore connues pour les enrobés. Si la ..._ -1 -..._.../ ----connaissance des lois de propagation représentées pour les courbes ~· et ·:I semble accessible, celle des lois d'amorçage paraît plus hypothétique. Les
courbes ,41 et f6": résultent des calculs de structure présentés dans cette
étude.
4.2. Calcul du temps de remontée d'une fissure sous l'influence des
contraintes thermiques
Il s'agit d'une application directe du schéma précédent dans le
cas le plus simple où la fissure remonte directement en surface sous l'in
fluence des variations de température en l'absence de décollement.
Nous considérons une couche de base initialement fissurée, de
module E2, recouverte par une couche de surface en matériau bitumineux, de
module E1 et d'apaisseur h1(figure ?5).
Les hypothèses du calcul sont les suivantes
- Le caractère viscoélastique des matériaux bitumineux associé
à une vitesse de chargement très lente (cycle journalier ou annuel) conduit
à rendre E1 très faible devant Ez (du moins dans le cas d'une assise traitée
aux liants hydrauliques). Il en résulte, et les calculs le montrent, que les
variations d'ouverture de la fissure e peuvent être considérées comme non
- 166 -
N/Nr
10
8
10
10 a
10
8
10
a
, '
1
..
3
1
1
1
1
4
z
- Figure 25 : Représentation schématique de la structure fissurée.
1 1 1 1 1 1 1 TEMPS DE PROPAGATION DE FISSURE
S.ill icitations thermiques 1 1 1 1 1 1 1
1 ntégration de la loi de PARIS : df I dN .. D(K)m
1 1 1 1 1 1 1 1 1
Ln(Hr/H) + (m/(1+m/2l] (Hr-H)G.::1/(1+m/2)Ln(Nr/N)
1 1 1 1 1 Log (N/Nr): F (H,Hr,m,G)
G:0,75an- 1 Hr :6,00cm
1 1 1
Hr:Epaisseur de référence /
/
/
/
/ / 1
/ m:S /
/ /
/ ,r m-::5-/ / 1
// 1 ·/ Nr: Temps de remontée pour Hr / / V G = C-Oéfficient d'amortissement thermique
1 1 1 V / l/:n:4 /
1 1 /
/ / 1
/ V / 1 ./
/ / / 1 y V / ,,/ V m:3 / /
/ / / ,,./
V V / ,,V .... ,
, / ,, 1/ / V
/ / / 1
/ / / ,,..v 1
// / / i I / / /
/1 '/ / 1 1
Sem 3 H = 10cm E:100 MPa I ;/ / /
14cm \) = 0,25~1Pa I / /\ ~ Il / / - \:: //// E: 20 OOOM~ 25cm -
/, V' 0= 0,25MPa = 1= ~ ' r • . ' 1 t 1 J ' !! -
/ff/ K.::1MPa/cm -/ 1 1 1 1 1 1
5 6 8 10 12 14 16 18 20
- Figure 26 Temps de propagation de fissure
H
- 16 7 -
empêchées par la couche supérieure. Les variations d'ouverture e seront fonc
tion du seul paramètre 8, température moyenne dans l'assise, qui est elle
même liée à l'épaisseur de la couche supérieure par une relation du type :
- yh .e
y étant une caractéristique thermique de la couche de roulement
et 6M la température de surface.
On en déduit une relation de la forme e =A e- Y h
- les lois de la mécanique de la rupture permettent d'exprimer
le facteur d'intensité de contrainte Ken fonction de l'ouverture e de cette
fissure (voir tableau I e = uz (+ rr) - uz (- rr))
e u lrr K = 2 ( 1 - v) lz f Cu 2ème coefficient de LAME)
A - Yh I ou encore K (f, h) = / (~ _ v) Îz;
Les calculs consistent alors à intégrer la loi de Paris ils
conduisent à la relation
1 [ f 1 + ml 2 _ fo 1 + ml 2] (1 + m/2)
- A u e_ yh /.rr m [2 (1-v) h ] (N - No)
où N - No est le nombre de cycles permettant de passer d'une
fissure de longueur fo à une longueur f.
En considérant les conditions initiales suivantes : fo = o et
N0 = 0 ~out en négligeant le temps nécessaire à l'amorçage de la fissure,
on obtient le nombre de cycles correspondant à la remontée de la fissure
en surface par :
N = --.---...,-.,.... B ( 1 + ml2)
h 1 + ml2
- 168 -
avec B A - yh ,/ m [
µe 1î
D 2(1-v)h]
L'influence de l'épaisseur peut être étudiée à partir de cette
formule en considérant les deux temps de remontée N1 et N1 correspondants
aux épaisseurs hi et h2. Il vient :
Si l'on considère des variations de température saisonnières ou
annuelles, le second terme tend vers 1 et l_a formule devient :
S'il s'agit de variations journalières, il y a lieu de faire le
calcul exact qui est présenté sous forme de courbes à la figure 26.
On remarque alors que le choix d'une épaisseur de 10 cm de couche
de surface au lieu de 6 cm revient à· multiplier en moyenne par 10 le temps
de remontée de la fissure depuis son amorçage_:
- 169 -
IV) CONCLUSION
La méthode de dimensionnement des couches de roulement décrite
dans cet article s'attache plus au rôle protecteur de cette couche contre
la remontée des fissures transversales de retrait des assises traitées aux
liants hydrauliques qu'à leur rôle structurel.
!. Le modèle à éléments finis BIFIS présenté ici est un outil essentiel de
cette méthode. }1algré ses imperfections (il est bidimensionnel et ne com
porte pas de zone plastique), il a l'avantage d'être adapté aux problèmes
des chaussées, de présenter une relative simplicité, et souplesse d'utili
sation et de bien schématiser la fissure grâce à son module spécial.
2. Son calage avec un modèle multicouche a permit d'étudier la sensibilité
des paramètres déflexion et rayon de courbure lorsque la charge passe au
droit d'une fissure transversale qui a connnencé sa phase d'amorçage dans
la couche de surface. La présence d'une fissure non apparente en surface
se traduit par une augmentation de 30 % de la déflexion et la division
par 2,3 du rayon de courbure, par rapport à une structure non fissurée.
3. Le schéma de dimensionnement des couches de roulement décrit de façon qua
litative le cheminement d'une fissure dans la couche de surface, ces pro
pagations horizontales et verticales y sont étudiées phase par phase, mais
son application pratique nécessiterait une connaissance plus approfondie
du collement horizontal et de fissuration verticale.
4. L'application du schéma précédent montre le rôle prépondérant de l'épais
seur de la couche de surface comme retardateur de la propagation de la fis
suration verticale, après son amorçage.
Il faut noter que la méthode proposée par les auteurs ne prend pas
en compte les fissures longitudinales qui doivent faire l'objet d'un modèle
tridimensionnel vers lequel les auteurs pensent s'orienter.
- 170 -
R E F E R E N C E S
[ 1] J. BONNOT, P. AUTRET, A. DE BOISSOUDY : "Design of Asphal t Overlays for
Pavements" Proceedings of the Fourth International Conference on the
Structural Design of Asphalt Pavements, University of Michigan,
Vol. I, pp 557-588.
[2] A.I.M. CLAESSEN, J.M. EDWARDS, P. SOMMER, P. UGE : "Asphalt Pavement
Design - the Shell Method" Proceedings of the Fourth International
Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, University
of Michigan, Vol. I, pp 39-74.
[ 3] W .J. KENIS : "Predicti ve Design Procedures - A Design Method for
Flexible Pavements Using of the VESYS Structural Subsystem" Proceedings
of the Fourth International Conference on the Structural Design of
Asphalt Pavements, University of Michigan, Vol. I, pp 101-130.
[ 4] B. CELARD : "Esso Road D"'.sign Technology" Proceedings of the Four th
International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements,
University of Michigan, Vol. I, pp 249-268.
[5] J. VERSTRAETEN, J.E. ROMAIN, V. VEVERKA: "The Belgian Road Research
Center's Overall Approach to Asphalt Pavement Structural Design"
Proceedings of the Fourth International Conference on the Structural
Design of Asphalt Pavements, University of Michigan, Vol. I, pp 298-324.
[6] S.F. BROWN, P.S. PELL, A.F. STOCK : "The Application of Simplified,
Fund;amental Design ·Procedures for F lexi:ble Pavements" Proceedings of
the Fourth International Conference on the Structural Design of
Asphalt Pavements, University of Michigan, Vol. I, pp 327-341.
[7] K. MAJIDZADEH, L.O. TALBERT, M. KARAKOUZIAN : "Development and Field
Verification of a Mechanistic Structural Design System in Ohio"
Proceeding of the Fourth International Conference on the Structural
Design of Asphalt Pavements, University of Michigan, Vol. I, pp 402-407.
- 1 71 -
[8] P.C. ERETORIUS, C.L. MONISMI'l'ij. : "Pt:ediction of Shrinkage Stresses in
Pavements containing soil-cement bases" Highway Research Road, Vol. 362
1971.
[9] D.V. RAMSAMOOJ, K. MAJIDZADEH, E.M. KAUFFMA.NN : "The analysis and Design
of the F lexibili ty of Pavements" Proceedings of the Thind International ---
conference on the Structural Design of Asphalt Pavemants, Grosvenor
House, London, vol. I, pp. 692-704.
[ 10] G.C. SIH : "Mathematical theories of Brittle Fractures" FRACTURE an
advancedtreatise, êdited by Liebowitz, vol. II, Academic Press, New York
1968.
[Il] P. GUELLEC: "La méthode des éléments finis" Bulletin de liaison des
Ponts et Chaussées - Numéro spécial S : Les mathématiques au Laboratoire
Central des Ponts et Chaussées - avril 1972.
[12] J.R. RICE "Mathematical Analysis in the Mechanics of Fracture" FRACTURE
an AdvancedTreatise, édited by Liebowitz, vol. II, Academic Press,
New York, 1968.
[13] C. STEFANI : "Eléments de Hécanique de la Rupture" Formation Continue
de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées - Méthodes d'étude en La
boratoire des matériaux de chaussées, janvier 1982.
[ 14] B. BARTHELEMY "Notions pratiques de Mécanique de la Rupture",
Eyrolles, Paris 1980.
[15] P. PARIS, F.J. ERDOGAN : "A critical Analysis of Crack Propagation
Laws" Jour. Basic Engineering, Trans. ASME, Séries D, vol. 85, 1963,
p. 528.
- 173 -
COMPORTEMENT DES MATERIAUX NON TRAITES SOUS CHARGEMENTS REPETES ET UTILISATION D'UN MODELE
DE STRUCTURE DE CHAUSSEES A ELEMENTS FINIS
Jean-Louis PAUTE
Juan MARTINEZ
= 174 -
Jean-Louis PAUTE Ingénieur E.N.S.M. Laboratoire Régional de Saint-Brieuc 12, rue Sully - 22000 SAINT-BRIEUC
Juan MARTINEZ Docteur-Ingénieur Institut National des Sciences Appliquées 20, avenue des Buttes de Coësmes - 35043 RENNES CEDEX
Résumé
On présente dans cet article l'application d'une méthode de dimensionnement d'une structure de chaussée comportant des couches d'assise en grave non traitée. Cette méthode est fondée sur la détermination directe des paramètres de comportement des matériaux et des sols à l'aide d'essais triaxiaux à chargements répétés et sur leur utilisation dans un modèle de structure à éléments finis.
Grâce à l'appareillage triaxial mis au point à cet effet, il est possible de caractériser le .comportement des matériaux non traités et des sols par des relations contraintes-déformations réversibles et contraintes-déformations permanentes. Les dimensions des éprouvettes permettent l'étude de matériaux de granularité 0/20 mm. Les résultats obtenus sur graves non traitées et sur les sols ont été traduits sous la forme de modules réversibles et modules de déformations permanentes.
Les déformations permanentes, pour tm nombre de chargements donné, sont préseptées sous forme graphique en relation avec les contraintes appliquées. Il est alors possible de déterminer tm "module de déformations permanentes" utilisable pour le calcul des structures.
Le modèle de structure de chaussée à éléments finis utilisé permet de prendre en compte aussi bien le caractère réversible non linéaire des maté~ riaux que les paramètres de déformations permanentes. Des calculs ont été réalisés· pour différents types de structures et de matériaux.
En conclusion ces travaux sont une illustration de l'aptitude de l'essai triaxial à chargements répétés pour caractériser les sols et les graves non traitées en vue du dimensionnement des structures de chaussées souples, tant pour ce qui concerne l'estimation des déformations réversibles que celle des déformations permanentes à long terme.
175-
INTRCDUCTION
~e dêveloppement de mêthodes rationnelles de dimensionnement· des chaussées permet d'op
timiser le calcul des structures de chaussées neuves, ainsi que l'établissement d'une poli
t~que d'entretien plus économique. Ces méthodes nécessitent la caractérisation des lois de
comportement des matériaux et l'établissement d'un modèle de structure: la confrontation des
estimations théoriques avec le comportement réel des chaussées est cependant nécessaire pour ajuster les modèles.
C'est sur ces principes qu'ont été établies' en France les méthodes de dimensionnement des
chaussées à fort trafic construites avec des matériaux traités au bitume ou aux liants hydrauliques /1/,/2/.
Alors que l'utilisation de matériaux non traités pour la réalisation des couches de chaus
sées à fort trafic a été rejetée en France, il n'en est pas de même pour les chaussées à trafic moyen ou faible.
Par le passé, le dimensionnement des structures de chaussées à trafic faible ou moyen s'ap
puyait principalement sur des méthodes semi empiriques quand ce n'était pas, dans de nombreux
cas, sur l'empirisme le plus complet.
L'établissement de méthodes de dimensionnement rationnelles des structures de chaussées
souples est rendu plus délicat du fait de la complexité des lois de comportement des maté
riaux constitutifs de la structure (enrobés bitumineux, graves non traitées, sols) et elles
nécessitent l'utilisation de moyens de calculs automatiques sophistiqués et très performants.
Même si, par le passé, une approche rationnelle a été entreprise en ce sens /3/, ce n'est
que depuis quelques années que le problème est à nouveau abordé.
En effet, la construction et l'entretien des routes à trafic faible ou moyen (moins de
3 000 véhicules par jour) doivent, pour des raisons économiques, prendre en compte deux pa
ramètres principaux:
- l'utilisation, le plus souvent, des matériaux non traités pour la réalisation du corps de
chaussée,
- la réduction des épaisseurs des couches de roulement en béton bitumineux du fait du renché
rissement des produits pétroliers. Pour les trafics faibles (moins de l 000 véhicules par
j~ur), on peut remplacer la couche de roulement en béton bitumineux par un enduit superficiel.
Par ailleurs, les exigences du trafic (confort et sécurité) imposent la limitation des
déformations permanentes (orniérage) à des valeurs admissibles.
Dans ce cadre, on peut donc voir que le dimensionnement des couches de roulement en béton
bitumineux de faible épaisseur ( 4 à 6 cm) repose surtout sur une étude du comportement à la
rupture par fatigue du fait des modifications d'appui de la couche sur son support, modifica
tions engendrées par l'évolution des déformations permanentes des couches non traitées de la
structure; les déformations permanentes propres du béton bitumineux étant négligeables pour
les formules pratiquées en France.
Cet article a donc pour objet de décrire une méthode de calcul i'une structure de chaussée
souple essentiellement basée sur le comportement des matériaux non traités et des sols (rela
tions contraintes-déformations réversibles et relations contraintes-déformations permanentes)·
176 -
La présence éventuelle d'une couche de roulement en béton bitumineux n'est prise en compte que sous forme de caractéristiques élastiques linéaires.
Dans le premier chapitre, on décrit le matériel d'essai permettar.t de déterminer les lois de comportement des graves non traitées et de sols. Il s'agit d'un
appareil triaxial à chargements répétés, entièrement pneumatique, permettant de
réaliser des essais à contrainte latérale variable.
Les matériaux pris en compte dans l'étude sont décrits au chapitre deux. Le troisième chapitre est consacré à la description des lois de comportement observées sur des matériaux caractéristiques des structures envisagéP-s.
La description de la méthode de calcul par éléments finis et les résultats obtenus sont donnés aux quatrième et cinquième chapitres.
I - DISPOSITIF ZXPERL.'ŒNTAL
Le dispositif expérimental r!!alisé pour l'étude du comportement des sols et des graves non traitées sous chargements répétés comprend deux appareils ttla.xiaux :
- l'un, desi:io.é à la réalisation des essais à contrainte latérale constante (CLC),
l'autre, destiné à la rêalisation des es~
sais à contrainte latérale variable (CLV).
L'analyse des relations contraintes-défor:nat:ions obtenues avec chacun des deux dispositifs permet la généralisation des relations contrainte-déformations.
Les dispositifs d'application des contraintes $Ont entièrement pneumatiques, tant pour ce qui cancerne la p~ei:isfàn "fu-tarne dë la-ceilUle que pour l'application de l'effort de compression axiale.
l .l - Cellules ttiaxiales
• ~prouvettes d'essais
Les cellules triaxiales ont été conçues pour des éprouvettes de 160 am de diamêtre et de 320 mm de hauteur. Ces dimensions ont été retenues car on dispose d'un appareillage conçu pour le compactage d'éprouvettes de graves traitées aux liants hydrauliques par vibre-compression 141 per:uattant le centrale de la masse volumique appare~te et assurant l'homogénéité de celle-ci (voir graphique d'auscultation - figure l). L'appareil réalise le compactage dans un étui en polychlorure de Vynile (PVC), fendu suivant une génératrice. Le transport de l'éprouvette est réalisé dans l'étui. Celui-ci est extrait lors du montage de l'éprouvette sur l'embrase de la cellule • Dans les cas difficile , l'éprouvette est congelée ap ri!s compactage.
Dans leà autres cas, les ép-rouvettes de grave non traitée compactées à des teneurs en eau pro-;:hes de l'optimum Proctor Modifié, et les éprouvettes de sol légârement cohérents, présentent une stabilité suffisante pour perme~ tre le· men.cage complet de la cellule.
J ..... l G Ill T granitique
30
= ..'.!. 20 W. Yd OP!f w. YdOPM =
1Q 10
1.8 2.0 u 2..4
Yd/Yw
Figure l Enregistrement suivant l'axe de l'éprouvette de la. masse volumique apparente à l'aide d'un
appareil à rayons Y •
Description des cellules triaxiales (figures 2 et 3)
Les dispositions retenues permettent :
- le contr6le du drainage aux extrémités de l'éprouvette,
= la mesure de l'effort: de compression à l'aide d'un capteur de force ?lacé sur l'embase supérieure,
-draina1Je - éprouvette - ~embrane
- pierre poreuse 4 - embas• inflrieure
- capteu~ de force - Dispositif des me-
sures. de· déf o rNations. axiales
dispositif des mesures de déformations radiales
9 - tige de chargement 10 - plateau supérieur de la
cellule Il - cellule plexiglass 12 - guidage par roulement
bille 13 - ~apteur de pression
Figure 2 Schéma de principe de la cellule triaxiale
Figure 3 Jispositif èe mesure èe la ~§fo~~a~ion axia~e
la mesure de la pression interne de la cellule .à l'aide d'un capteur de pression,
- la mesure de la déformation axiale de l'éprouvette à l'aide de trois capteurs de déplacements placés à 120° indiquant les déformations sur le tiers central (base de mesure initiale de 120 mm),
- la mesure de lia déformation radiale de l'éprouvette à l'aide de 3 capteurs de déplacement placés à 120° indiquant les variations du rayon de l'éprouvette à sa partie centrale.
:e fluide interne de la cellule est de l'air comprimé, la valeur maximale de la pression est de l'ordre de 0,5 MPa.
L'enregistrement des forces et des déplacements a été réalisé dans une première étape sur enregistreurs graphiques puis à l'aide d'un dispositif d'acquisition de données permettant l'exploitation automatique des mesures •
. Bâti de chargement (figure 4)
la cellule triaxiale est placée sur un bâti dont le portique pivotant permet aisément le relèvement de la cloche de la cellule.
le portique comprend dans son axe un vérin pneumatique interchangeable et adapté à l'effort maximum à délivrer.
L'effort de compression maximum est de 1 400 daN soit un déviateur maxi possible, q max " 0, 7 MPa.
1 Il 1 1 ---
Figure 4 3âti de chargement
·'.)n remarque le réservoir additionnel fixé à la 9ar--:ie supérieure èu ·r~r"..:ï.' .
1 77 -
1 78 -
• Dispositif de pilotage des chargements répétés.
L'effort de coœpression du vérin pneumatique et la pression interne de la cellule sont réglés à leur valeur nominale maximale• à l'aide de détendeurs de pdcision. Des vannes à co11111at1de pneumatique mettent alternativement les circuits "cellule" et "vérin" en relation soit avec la pression atmosphérique, soit avec les circuits dont la pression est calibrée comme in'iiiqué ci-dessus. auique ensemble pneumatique est piloté par un couple de delµ: temporisations permettant de régler la dude du cycle et la durée de repos entre dewr; chargements, dans la gamme des fdquences 0,2
2 Hz.
• Dispositions spéciales concernant l'essai à contrainte latérale variable.
Lorsqu'on désire réal.iser un essai CLV donc le rapport q/p = 3 (a1 - a 3 )/(a1 + 2a3)
ras te cons tant pendant la dude du chargement, il est 11écessaire que le rapport
effort de compression axiale pression i11terne dans la cellule
le demeure.
Du fait de la compressibilité de l'air, cette condition est difficilement réalisable avec un vérin pneumatique dont le volume est faible comparé au volume ïnterne de la cellule t riaxiale. Il est donc 11écessure d' augmente r le volllDle de détente du vérin de compression axiale à l'atde d'un réservoir lllCllté
en parallèle (voir figure 4) • La figure 5 montre L'enregistre'lilent de l'effort de collt"' pression en fonction de la pression interne de la cellule.
Dans la pratique l'ajustement: de ces deux paramitres 11écessite l'utilisation de fréquences basses (0 ,2 H.z).
L' essu triaxial à contrainte latérale constante (CLC) est réalisé à des fréquences de chargement plus élevées (0,5 à 1 ai).
4
1~.;i.1s t1~0.2S
(a)
q 20
lkhi 160
120
Figure 5
sa
( b 1
Forme et caractéristique des signaux de chargement
a) - Forme des signaux 'J) Chemin de contrainte réel d'un essai CLV
II - ~ DES SOLS ET GRAVES NON !RAITEES ETUDIEES
Les êtudes entreprises portent sur deux types de matériaux :
- les sols support de chaussée dont la portance dépend !troitement de la teneur en eau et de la coœpacité.
- les graves noa. trutées •.
Z.1 - Sols.
Deux types de sols oa.t été étudiû.
- une arène granitique provenant de la d'compoaition du granite. Il s'agit d'un sol. s'apparentant à la classe B4 de la. cl&ssification utilisée pour les terrassements routiers en France (5) ou SC-Sm suivant la. classification uses.
- une grave alluviot11laire dont les fines sont constituées par un limon peu plastique. Il s'agit d'U11 sol BS ou GM-Sp (classification uses).
.. .. i (.,l .. ,.. .( .. i .( ...
1JO ~ \
90 ' 80
\, i\ 1
70 ~ .. ~
1
60 1 \ ~ ....... ' 1 ! Î\ l'\lbl
5 1 l
11 "\ "' "' 1 1 ' r 11 11'-l'l 2- 1 1 11' --+
1 /""' 10 1
! 1 1 1 1
Cl""" 20 10 5 2 a.s 0,2 ana Figure 6a
Granulométrie des sols
CJ ._ 20 10 5 2 o.s 0,2 a.os
Figure 6b Granulométrie des Jraves non traitées
Tableau 1 Caractéristique des sols étudiés
1 !Essai Proctorl siWLIWP 1 normal 1
1 (g/ 1 (%) 1 (%) IW OPNI d OPN 1 lcm.3)1 1 1 (%) l(~/cm3)J 1 1 1 1 1 1
!Arène grani- J2.68l 30 1 22 1 11 1 1.91 1 1 tique 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 !Grave alu- 12-611 19 1 16 1 s.sJ 2.11 1 lvionnaire 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2.2 - Graves non traitées
Trois granulomâtries différentes d'une grave. non traitée provenant du concassage d'une roche massive ont été envisagées. Les granulométries étudiées correspondent aux limites haute et basse ainsi qu'à la courbe moyenne du fuseau grenu de la a,ecommandation SETRALCPC (6).
G2
Gl
G3
Tableau 2 Caractéristiques des graves non traitées
Ys 1 Essai PROCTOR Modifié
% 1
(g/cm3 ) <80µ ES
1 w OPM yd OP~ 1 % (g/cm ) 1
2,81 9,4 70 1 6,2 2,34 1
Il 7 Il 1 6,6 2,35 1
Il 4 " 1 6,0 2,13
Eô Equivalent de sable - du sable 0/2 mm à 10 % de fines.
III - INTERPRETATION DES ESSAIS - DEFORMATIONS REVERSIBLES ET DEFORMATIONS PERMANENTES.
L'estimation de la déflexion réversible à la surface d'une chaussée souple et de l'affaissement (ornière) pour un trafic cumulé donné nécessitent la mise en évidence pour les matériaux de la structure (couches de chaussée et sol support) de deux types de relations :
- relations contraintes-déformations réversi bles.
- relations contraintes-déformations permanentes.
Les matériaux constitutifs du corps de chaussée, tels au'ils sont formulés en France 161 m sont ~u sensibles aux déformations permanentes ; il est par contre nécessaire d'estimer leurs relations contraintes déformations dversi bles.
- 179 -
Pour la conduite des essais triaxiaux à chargements répétés à contrainte ladrale constante on s'est référé principalement au mode opératoire du T.R.B. 181. Une adaptation a été rendue nécessaire pour la réalisation des essais à contrainte latérale variable.
Les sols supports de chaussée, suivant leur nature et leur état (teneur en eau, compacité) nécessitent à la fois la connaissance ~~s relations contraintes-déformation réversibles et celle des relations contraintes-déformations permanentes.
3 .1 - Déformations réversi·bles
L'essai triaxial permet C1e relier les contraintes et les déformations réversibles, à partir :
- du module de compressibilité tangent
Kt•~ d e:~
- du module de cisaillement tangent
1 _3-. Gt ,. -3 r
d e:q
avec q • cr 1 - cr3
.,r 2 ( r r) et -q "'3 e:l - e:3
Déformations volumiques
r Les relations p - E:v traduisent la compressi-bilité du matériau. Elles sont établies à partir des essais CLC et CLV.
PAPPIN et BROWN 191 ont montré le principe de commutativité des déformations volumiques dans le plan p/ o:;.
!Cil
-+ ..
!
'
Figure 7 Relation entre la déformation volumique
réversible e:~ et le chemin de contraintes a) - chemins de contraintes dans le plan p/q b) - déformations volumiques.
- 1 80. -
Lors de l'essai à contrainte latérale constante (CLC), le chemin de contraintes décrit par la variation cyclique du déviateur, qi, est AB (figure 7a) ; la déformation volumique évolue le long de l'arc A'B' dans le plan p/ e:~ et l'on se limite la plupart: du temps à n'enregistrer que la ciliformation volumique t e,:r (B) - e~ (A) 1 (figure 7b). La déformatici'n volumique e~ (A) peut itre obtenue soit directement en provoquant une variation r::yclique de 113 (chemin OA de la figure 7a), soit indirectement comme 11 est indiqué ciaprù. Lors de l'essai à coa.trainte latérale variable (CLV), le chemin de contraintes diicrit est OB (figure 7a), la ciliformation volumique réversible est ei (B) (figure 7b) •
La cilitermination expérimentale des relations e~(B)/p pour diffêrentes valeurs du rapport
q/p(i) permet, du fait de la propriété de commutativité des contraintes, de déterminer la. déformation volumique réversible pour un chemin de contrainte quelconque.
L'analyse des essais réalisés montre que les courbes de compressibiJ.ité (Ci) définissant la relation entre la déformation volumique
e~ et. la contrainte p à q/p constant (voir figure 8) sont repdsentiies par des relations du type r b
p • a. ( eV" )
où a. et b sont des paramètres dépendant du rapport i. .
p
~ q/p constant, le Kt est donc défini
module de compressibilité par une relation du type
_r(b-l)
'°v
4001 p
q/p .. 1.88 o
3 ... 150 .. Pa)
(kPa) ... 1.71
300
200
tao\ !
a
G N T
2 4 a 10 12
Figure 8 Gra.ve non traitée - Relation entre la défor
mation volumique réversible ~~ et la contrainte sphérique q pour différentes valeurs
du rapport q/ p.
Détermination des courbes de compressibilitii (Ci) à partir des essais CLC.
Lorsque l'essai CLC est réalisé pour une valeur donnée de l'étreinte latérale cr3 et différentes valeurs du rapport q/p on décrit en fait la courbe A'B' de la figure 7b. On a pu vérifier (par la comparaison d'essais CLC et d'essais Cl.V) que les branches O'A' et A'R' admettent une tangente commune en A'.
• P(kPai ~oo
KtlMPel 300
200
!OO
ptl!Ptl
"' 0
E XPAlt, E!~
CIJMPR. ( 11)4 )
Figure. 9
0 50 !OO !SO
Détermination de la courbe de compressibilité Co pour q '" 0
a) ~ relations p/ e~ des essais Cl.C · b) relation Kt/p pour q • 0
Les résultats de l'essai CLC se présentent généralement sous forme de graphiques co=e indiqués à la figure 9 a où l' on a pour chaque valeur de o:: 3 la déformation réversible résultant de différentes valeurs du rapport: q/p.
La pent:e de la tangente à l'origine de chaque courbe donne la 1Taleur du lllOdule de compressi bili tii Kt pour le cr-3 considéré. (p .. cr 3 ). Soit IJile relation générale
Kt"' <l.pS • ~ d~
La courbe de compressibilité (Co) à q/p a 0 peut donc être .obtenue par intégration
e (pi) '" - P P r l Jpt -:3d
1f 1). 0
• ~formations de cisaillement
Suivant les travaux de PAl'P!N et BROWN l 91 , il est possible d'établir Ulle relat:ion commutative entre la déformation de cisaillement. '- ~ et les contraintes p ,q.
?our cela, il est aécessaire de disposer, pour llil l!lême matériau d'essais CLC et CLV réalisés pour les lllêmes contraintes réversibles ~oyennes ~m, qm et le même déviateur réversible qr (figure 10).
Soient, le, la longueur du chemin de contraintes de l'essai CLC ; l v, la longueui du chemin de contraintes de l'essai CLV ; e:q (c) la déformation de cisaillement de l'essai CLC; e:~(v), la déformation de cisaillement de 1' essai CLV.
q
Figure 10 Chemins de contrainte des essais CLC et CLV
La déformation de cisaillement normalisée e:n, qui permet la commutation des contraintes dans le plan p, q est alors :
lolmmcla-1 e:n • e:r (c) • ..<.;;;;; pour l'essai CLC q
et lolmmvla-1 e:n a e:r (v) • ..<.;;;;; pour l'essai CLV q
Ces deux relations permettent la détermination du paramètre a représentatif du matériau, et de En dêpendant des contraintes moyennes pm, qm.
La valeur du paramètre a est dêterminée à partir de quelques couples d'essais CLC, CI.V.
Les essais CLC, plus faciles à réalise:.- sont par cont-re utilisés pour la détermina·tioa de la relation générale donnant la valeur de e:n dm ie pian P ,q
E-~ n N + p
M et N sont des paramètres qui dépendent uniquement du matériau.
La dêformation Eq produite par la sollicitation (O,O). (p, q) est alors :
• ~ 1 (p2 + q2) 0,5 1 (a - 1) e:q N + p 0,5 p
Si q • f (En) est l'équation de la courbe représentative du comportement du matériaµ suivant un chemin de contraintes donné (figure 11), le module tangent de cisaillement s'exprime par la relation :
(a - 1) 1 af(tnl (pm) .
Gt • J oe:n fi:
q ( KPa)
500
0 5
Figure 11 Comportement du matériau suivant un chemin de
contraintes à q/p constant dans le plan (q, En)
3.2 - Déformations permanentes
L'estimation de la profondeur de l'ornière pour un trafic cumulé donné peut se faire de deux procédés différents :
à partir de relations entre les contraintes (p, q) et les déforma.tians permanentes (e::t, o:g). ou plus simplement à partir de relations entre les contraintes (p, q) et la déformation permanente axiale e:P •
1
La seconde méthode ne permet que l'estimation de la profondeur de l'ornière dans l'axe de la charge, alors que la première permet également l'estimation de la déformation permanente en tous points de la structure.
Relation entre la déformation permanente axiale e:î et les contraintes aopliquées.
Lors des essais de chargements répétés dont les paramètres q et p sont fixés , la déformation permanente axiale e:) évolue avec le nombre de chargements N suivant une loi de type puissance p _
e:1•A.ND
Les essais sont cependant entachés d'une certaine dispersion pour N donné. Comme la mon-tre la figUreü-;·:n semble que-cette dfspei:sion résulte surtout du comportement du sol lors des premiers chargements. Plusieurs explications peuvent être avan:cées (hétérogénéité des éprouvettes, perturbations au montage ••• ). Co:::me d'autre part sur le ~lan
1 81
182 -
15
10
~·. . .... 5 ~·-----+.Jt...!.•..!•W.•..!,.:..:•:..;." ---
, :'! et
CYCLES ( 103
)
' 0 25 50 75 100
Figure 12 Dispersion de déformation permanente axiale
des essais CLC
pratique il est délicat, dans la vie d'une c:hausde, de diseinguer les déf ormat:ioos peiai.anentes intervenant pendant la constructio11 de la chaussée ec celles dues au trafic:, on se réfare dans la suite de l'exposé à la différence e:) * , entre la dé.f ormad.on permanente
. axiale à & chargements et celle à 100 charge-lllenes (N »100).
e:r * • ,;~(N) - e:~ (100)
Pour réduire le nombre des essais de chargements répét§s de type CLC, il est nécessaire d' ikablir des relations entre la déforma.ci.on
_permanente réduite e:~ * pour N "' 105 et la déformation e: 95 correspondant à 95 % du déviateur de rupture obtenu pour la même va~
leur de l'étreinte latérale :r 3 lors de l'essai triaxial à chargement monotone.
La relation est établie sous forme adiment:ionnelle :
_p•; .. "'1 -95
.S... = ~~~~-'-~~-q f P*;
n+m e:l e:95
avec. de l'essai CLC
et q f • (cr 1 -· cr3), déviateur de rupture de l'essai triaxial monotone à la même étreinte lat:érale cr3 •
Cette relation est celle établie par LENTZ et BALADl l 10 I •
Les relations de ce type obt:enues pour 1' arène granitique et la grave non traitée Gl sont indiquées à la figure 13 •
~tablissement de cou:bes iso déformation permanentes dans le olan des contraintas û.S..:...
BROWN et HYDE ont montré llll l'existence d'une simili~ude de comportement du point de vue de la déformation permanente axiale entre les deux essais triaxiaux à chargements répétés CLC et CLV à ülême contraintes moyen-
125
0
arene granitique GNT
2
Figure 13 Evolution de la dêformation permanente axiale relative entre 102 et io5 ~hargements.
nes (pm, qm) et même déviateur qr (voir fi= gure 10).
La. figure 14 mont.re les._ rêsultats obtenus pour les deux types d:' essais avec. l'arène grani t:iq ue •
100 > ....! c..i
• 50 f.11
P• P• €1(v): 1.02 e, (c)-2.5
Cii 0
r 1 0.97
0 50 essai CLC
Figure 14 Comparaison des déformations permanentes axiales obtenues lors d'essais CLC et
d'essais CI.V à mêmes paramètres (qm, pm, qr).
Comme les sollicitations induites par le trafic dans une structure de chaussée sont plutôt de type CLV, c'est-à-dire, à rapport q/p constant, on se réfère, pour le calcul de la s:ructure de chaussée aux déformations per":llanentes obtenues pour ce type de sollicitation.
Les figures 15 et 16 doµnent dans le plan (p, ~) les lignes d'isodéformation permanente
€1* pour N • 105 pour l'arène granitique et la grave non traitée.
'·q (kPa)
1 200
100
Figure 15 Arène granitique
200
p (kPa l
Lignes d'isodéfo~tions permanentes i~* pour N • 10 , pour deschemins de
contraintes (O_,O)_:: _(2!_,qi)
l q (kPa) 600
400
200
0 200
Figure 16 Grave non traitée
,3--
400 p (kPa}
Lignes d'isodéformations permanentes e)* pour N • 105 pour des chemins de contrain
tes (0,0) - (pi,qi)
- 183 -
IV - METHODES DE CALCUL
La plupart q.es Œthodes traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples sont basées sur des modèles de calcul élastiques linéaires ; les modules d'élasticité des matériaux étant souvent déterminés indirectement à partir des déflexions élastiques mesurées sur structures expérimentales. Les valeurs des contraintes et des déformations obtenues par le calcul permettent alors d' incorporer les critères limite des matériaux.
D'autres Œthodes plus récentes ont été proposées qui prennent eu compte, dans les modèles de calcul, le comportement des matériaux observés au Laboratoire, notaD111ent le caractère non linéaire de la réponse réversible des matériaux granulaires non liés et des sols l 12 à 14 I . La plupart de ces Œthodes font appel à l'utilisation de progra11111es. de calcul aux éléments finis à l'aide desquels il est possible de considérer une géonœtrie de la structure et des lois de comportement des matériaux quelconques.
La procédure que nous avons suivi se rat: tache à ces dernières.
Le calcul des contraintes et des· déformations réversibles dans la structure est effectué â l'aide d'un programme standard d'élé~nts finis aux déplacements l 15 I • Le modèle de calcul utilisé est la "curve description model" de la bibliothèque du programme. C'est un modèle non linéaire qui procède de façon incré-
. mentale. La charge est appliquée en plusieurs étapes ; à chaque pas les modules tangents de rigidité sont pris en fonction de l'état de contraintes obtenus à la fin du pas précédent. Ce modèle considère les modules de conrpressibilité Kt et de cisaillement Gt comme des fonctions de la déformation volumique ev, données point par point, et interpolés linéairement (fi~e 17).
Kt,Gt
Figure 17 Modèle de calcul : "Curve description model •
Modules de compressibilité et de cisaillement tangents en relation avec la déformation
volumique
Le calcul des déformations permanentes dans la chaussée à un nombre de cycles donné peut s'effectuer suivant deux méthodes :
184 ~
Premièrement, il partir du champ de contraintes obtenu par le calcul élastique non linéaire ci-dessus et les lois de déforution peraoanente du matériau. On calcul le tassement sur une verticale. Cette méthode est pratiquh uniquement pour le calcul du tassement dans l'axe de la charge.
L'autre méthode, utilisée notalll!llent dans 1161 et l 171 jCOnsiste à traduire. les résultats expérimenl:aux en termes de modules de déformations permanentes, analogues aux modules élastiques, mais rapportant les contraintes cycllq ues à un nombre de cycles donné. On introduit alors ces modules dans un programme de c:.alcul aux éléments finis qui donne le tassement permanent en tout point de la structure.
V - EXEMPLES
Les méthodes de calcul citées sont illustrées ci-aprês il l'aide de deux exemples
Exemple l
Il s'agit d'une structure tri-couche avec une charge normale répartie uniformément sur un cercle, équivalente à une seule zone du jumelage de 6,5 tonnes du rêglement français (figure 18). Le maillage utilisé (figure 19) est
l q:662 kPa, .
~lll''!:J..!lllltU1 f: 180 m
B.B. Mr:~OOMPtl h: Bcm = o.40 Î
1 IL:. SOOMPa
G. N.T. H:32cm
mesh • 6 nri1bl1
Mr:80 MP1 (fig 191
SOL ... 0.40
Z: 4.00m
4€v (10-31, 0 .1 .2 .3 .4 . 5
Gt(Mpa)• 25 80 120 160 180 200
Figure 18 Exemple 1 - Structul:"e et carac té ris tiques des
aiatériaux
composé de rectangles à 8 noeuds et de triangles à 6 noeuds et comporte un total de 113 éléments et 387 noeuds. ~es caractéristiques des matériaux, choisies en vue du calcul du champ des contraintes dans la chaussée, sont les suivantes :
160cm
•
Il
,...////,. ;//'.'. '////~ 414a
~- - ·- ~-· - --·- ----·-· -+-· ·-----~
Figure 19 Maillage à oHéments finis
- un comportement élastique linéaire standard pour la couche d'enrobés.
- un comportement élastique linéal re pour le sol support avec des valeurs moyennes des modules dl!terminés au laboratoire •
- un comportement non linéaire pour la grave non traitée avec un module de compressibilit~ constant et un module de cisaillement variable déterminé suivant des cheoins de contraintes à contrainte latl!rale constante.
Avec les caractéristiques ci-dessus, et après un calcul incrémental aux éléments finis, on obtient le champ des contraintes dans la structure.
Le calcul de la profondeur d'ornière s'effectue alors en reportant les éléments situés dans l'axe de la charge, d'après leur état de contraintes , dans le diagra11111e (q, p, e: ~) co111111e illustd à la figure zo. Un simple calcul permet alors la détermination de le profondeur d'ornière (tableau 3).
100
50
0
q lkPal 2
1
• 1
.~----=---- .05
-----------.01
50
a)
100 p !kPal
60 l q !kPal
20
.15
.075
____ .os
=-------.04 ':::::::------·03 c._ ________________ 02
921----------·
01
01.-----------------20 40 p lkPal
b)
Figure 20 Exemple 1 - Calcul de profondeur d'ornière.
Etat de contraintes des éléments et déformation permanente.
a) - dans la couche de grave non traitée b) - dans le sol support.
Dans cet exemple, les déformations permanentes propres de la couche d'enrobés n'ont pas été dé terminées. En réalité, dans la plupart des cas, avec les formulations françaises, à faible teneur en mortier-(bitume +fines), elles peuvent être considérées comme négligeables. Dans le cas contraire, elles _seraient déterminées de manière identique.
Tableau 3 Exemple 1 - Calcul de la profondeur d 1 or
nière à N + 105
Grave non traitée
Elément h(mm) e:P (10-3) l
6.W(mm)
1 40 1,7 0,068 5 40 2,5 0,100
12 40 2,5 0,100 16 40 2,0 0,080 27 80 1,6 0,128 31 80 1,2 0,096
0,572
Arène ~anitigue
Element h(mm) e:P(lo-3) 1
6.W(mm)
41 100 Z,5 O,Z5 l.5 100 1,6 0,16 sz 100 l,l O,ll 56 100 0,85 0,085 67 200 0,70 0,14 71 200 0,40 0,08 78 200 0,30 0,06 82 200 0,21 0,041 90 400 0,17 0,068 9l 400 0,14 0,056 91 400 0 ,lZ 0,01 93 400 0,10 0,040
1,140
Profondeur d'ornière 1,712 mm
Exemple 2
On considère une structure de type bi-coucbe en grave non traitée, à enduit superficiel (figure 21).
Le chargement à symétrie de révolution a été pris équivalent au jumelage de 6,5 t du règlement français. Les modules de déformation permanente des matériaux ont été pris constants et leur valeur déterminée d'après les essais effectués au laboratoire. La figure 22 (a et b) montre l'allure des tassel!leilts permanents verticaux dans 1 1 axe de la charge et au soumet des couches •
Pour ce qui est du champ de contraintes obtenu lors du calcul élastique non linéaire on aboutit, en certains points, à des états incompatibles avec les caractéristiques à la rupture des matériaux, dus probablement à la non prise en compte de celles-Ci avec le modèle de calcul utilisé, que l'on devra s' efforcer d'améliorer.
185 -
186
S.ll.T.
M,.401•
Sol
" -Exemple 2
., .. 1111'1
v, ... 15
maillage (fil 19)
Figure 2l Systilme bi-couche Modula de dêformation zermanente des 111.&tériaux à 6 x 10 cycles
Wp11111111 0 5 10
GNT Mpa60111'11 • .2
JI0,16
. -41-------Sol M,17Ml'a
.8
.a
1.0
l
'X ~
rn
pt0.15
a)
,---i go66.2 kP!J
o~ ,4
GNT M1•60 M11e V,•0.1!!
f(IRI .a .10
W11 \
(mm!: 1--' -_-:_---~~~~~~~---------._ Sol
~t M,•7M11• Vp o0.1!1
b) Figure 22
~xample 2 : Tassements per:nanencs à 6 :i: 104 cycles
~) - dans l'axe du chargemen~ b) - en partie supérieure des couches
VI-- CONCLUSIONS
En conclusion, nous insisterons sur les points qui nous semblent les plus importants dans la llléthode envisagtie.
Au niveau de la connaissance des lllatériaux granulaires non liés, la rtialisation d'essais tr:l.aXiaux classiques à chargements rêpêtés, éclairée par l'analyse de résultats plus génêraux déjà obtenus dans œ dol!Uline, permet de caractériser le comportement mi!cauique en vue du calcul, de 111.&ni.are assez complète sans faire appel à'. des 1110yens trop sophis t:iq uês •
La. méthode des U.émeuts finis par sa possibilité de [>rendre en compte des comport;ements non lin&aires est un outil de cak.ul bien adapté au dimensiollnement: des chaussées en matériaux non liés.
rl est à noter qu'une bonne connaissance des dUormat:ioos permanentes des couches non liées, et par conséquent des conditions d'appui des co,uches de roulement en Mton bitum.inewt subjacentes doit pet'lllettre d'améliorer les méthodes de dimensionnement de celles-c:!. •
A condition de mettre en oeun-e les 1110dèles de calcul ad!!quats, on· doit aboutir à des 1>rogrès réels dans la connaissance du comportement des structures •
Cependant, il est: nécessaire également d' effectuer des illesures sur chaussées expérimentales pour vérifier les résultacs donnés par les· modèles et affiner ceux-ci. La conf ront:ac:!.on entre les résultats du laboratoire, les prédictions des modèles et les mesures in situ devraient aboutir à une optimisation rac.ionnelle des structures de chaussées •
REMERCIEMENTS
La présenta étude s'inscrit dans un programme de recherche développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Cet article fait suite au cravail de thèse [>résenté 1>ar le second auteur en vue de l' obcention d'un dipli3me de docteur-ingénieur l 18 I .
Les auteurs sont reconnaissants à M. A.. de BOISSOUDY, chef de la· section ~canique des Chaussées au Laboratoire C.:mtral des Ponts et Chaussées et à '1:. R. KOBISCH, Ingénieur au Laboratoire Rêgional de SaintBrieuc pour leur soutien et conseils. M· D. AMOROS, Professeur à l' INSA de Rennes pour nous avoir facilité l'utilisation du programme NONSAP et :1. 1. HERNA.i.'IDEZ ;iour son aide, sont également remerciés.
R E F E R E N C E S
\ 1 \
\21
13 I
J. BONNOT, P. AUTE.ET, A· de BOISSOUDY Design of Asphalt overlays for Pavements. Fourth International Conference Structural Design of Asphalt Pavements. The University of Michigan - 1977.
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187 -
- 189 -
METHODOLOGIE DE SUIVI DES CHAUSSEES A COUCHES DE BASE BITUMINEUSES EPAISSES
Michel DAUZATS
Richard LINDER
= 190 -
Michel DAUZATS Docteur 3ème cycle Section Mécanique des Chaussées Laboratoire Régional d'Aix-en-Provence Zone industrielle d'Aix-en-Provence B.P. 39 - 13762 LES MILLES CEDEX
Richard LINDER Ingénieur I.N.S.A. Section Propriétés des Matériaux de Chaussées Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Orly Sud n° 155 - 94396 ORLY AEROGARE CEDEX
Résumé
Les premiers désordres constatés sur les chaussées bitumineuses construites en France depuis 1979, ont conduit à accélérer la mise au point d'tme méthode d'analyse et de surveillance de ce type de chaussée.
Après un bilan sommaire de comportement des chaussées bitumineuses portant sur 1400 km, la méthode décri te dans ce document s'appuie d'une part sur les principes généraux d'organisation communs à toutes les structures traitées, d'autre part sur des essais particuliers dont l'interprétation fait l'originalité de la méthode. Après une courte description des moyens d'auscultation, une part importante de ce document est consacrée, à l'analyse du fonctionnement mécanique de la chaussée à partir d'essais courants comme la déflexion, le produit R x d et d'essais récents, comme l'essai d'ovalisation dont l'intérêt est de mesurer les déformations élastique dans ia chaussée. Des essais sur matériaux prélevés in-situ et en particulier l'essai de traction directe à déformation imposée qui fait l'objet d'iJne description détaillée permet de déterminer, les modules des matériaux, les caractéristiques à la rupture et par le biais de corrélations la déformation admissible en fatigue à 106 cycles.
La méthode s'appuie sur le calcul de la probabilité de rupture de la chaussée basé sur l'hypothèse probabiliste de l'apparition des dégradations structurelles en fonction des dispersions des épaisseurs de la nature du matériau et de s.a loi de fatigue.
Cette-méthodologie qui fait l'objet d'application dans le cadre du suivi et de l'entretien des chaussées permet de porter un jugement sur la qualité structurelle de la chaussée et de fournir les éléments nécessaires à la définition des tâches d'entretien et éventuellement au dimensionnement du renforcement.
- 191 -
L'auscultation des chaussées de type pathologique ou à caractère général constitue depuis longtemps une activité importante des laboratoires des Ponts et Chaussées Français.
Cette activité d'auscultation qui s 1est exercée d'abord sur des chaussées à structure traditionnelle puis sur des chaussées à assises traitées aux liants hydrauliques, s 1est étendue depuis ces dernières années aux chaussées bitumineuses épaisses. En effet, celles-ci représentent un pourcentage non négHgeable de chaussées neuves ou renforcées à circulation lourde, bien que la mise en application de la technique des graves bitumes soit encore relativement récente (1970) et malgré l1augmentation du coût des produits pétroliers (tableau 1).
Technique Graves traitées aux Graves bitume liants hydrauliques
Kilométrage Chaussées Renforcements Chaussées Renforcements construits neuves neuves entre
1968 et 1978 14 % 51,4 % 5,3 % 29,3 % 7 790 km*
* Chaussées neuves ou renforcement
TABLEAU 1
Les assises de chaussées réalisées suivant la technique des graves bitumes depuis 1972 ont subi un été particulièrement chaud en 1976 et, si aucun hiver n 1a été exceptionnellement rigoureux, les contraintes dues au trafic et au caractère très humide de nos hivers ont été particulièrement sévères pour les couches de roulement. Ces quelques années de recul ont permis de faire un bilan très significatif du comportement des chaussées bitumineuses épaisses et en particulier de constater après examen visuel que malgré les qualificatifs flatteurs qu 1on leur a attribué, elles peuvent être el les aussi sujette_s aux phénomènes de dégradation.
Les problèmes posés par l'apparition de ces désordres un peu inattendus, ont conduits à accélérer la mise au point d 1une méthode d 1analyse spécifique aux chaussées à couche de base bitumineuse afin de vérifier si les dégradations constatées étaient dues à des défauts de dimensionnement ou de comportement des enrobés.
- 192 -
Cette méthode d'analyse qui bénéficie des recherches antérieures sur les autres techniques dont elle emprunte l'organisation générale a pour originalité la mise en oeuvre d'essais récents non spécifiques à ce type de chaussée mais dont l'interprétation est particulière. Son objectif est de sélectionner et de classer différents tronçons de chaussées d'un itinéraire par ordre de qualité, de diagnostiquer les causes de ces désordres pour ·en corriger les effets le plus en amont possible et surtout de fournir les éléments nécessaires pour définir les solutions d'entretien, ou pour dimensionner le renforcement de la structure,
Cette méthode d'analyse appliquées au cours de sa mise au point sur 25 sections témoins représentatives des chaussées bitumineuses françaises, fait maintenant l'objet de nombreuses applications dans le cadre du suivi et de l'entretien du réseau national.
-oOo-
- 193 -
1 - DEFINITION ET COMPORTEMENT VISUEL DES
CHAUSSEES BITUMINEUSES
La méthode d'analyse présentée concerne les chaussées bitumineuses épaisses, c'est à dire celles dont la structure comprend au moins une couche de base en grave bitume et une couche de surface en enduits superficiels ou bétons bitumineux d'épaisseur inférieure à 10 cm. ·
Ce type de chaussée est parfois nommée chaussée souple par opposition aux chaussées semi-rigides traitées aux liants hydrauliques.
Appliquée aux chaussées neuves comme aux chaussées renforcées, la méthode couvre des épaisseurs comprises entre 1 O cm de GB + (revêtement) pour les renforcements dits légers à 42 cm de GB (plusieurs couches) + 8 cm de BB pour les chaussées neuves les plus chargées reposant sur des sols peu portants.
1 . 1 . Les matériaux
La grave bitume correspond à un matériau bien codifié, (25) caractérisé essentiellement ·par la qualité de ses granulats (granularité, angularité, dureté, propreté), par un pourcentage de bitume dur (40/50 ou 60/70 suivant les régions) utilisé à faible teneur ( 3, 5 à 4, 5 %) et par une assez forte teneur en filler de 6 à 8 %. Après mise en oeuvre en épaisseur minimale de 1 O à 12 è:m, on obtient des teneurs en vides de l'ordre de 6 à 10 %.
En couche de roulement, la technique des bétons bitumineux (26) est actuellement la plus employée depuis ces vingt dernières années. Réalisés à partir de matériaux issus de roches massives ou de matériaux alluvionnaires ayant un bon ra!(port de concassage, non polissables et à partir de liants bien définis en fonction des zones climatiques, les bétons bitumineux sont considérés en France comme des produits de qualité pour la protection des assises traitées.
1 • 2. Dégradations
NOTATIONS
L 1état de surface, examiné plus particulièrement d 1un point de vue structurel sur un échantillon de 1 400 km de chaussées, a permis de constater. l 1absence de déformations permanëntes imputables à la grave bitume.
GB : Grave-bitume BB : Béton bitumineux PL : Poids Lourds > 5 T. de charge utile
~ 194 -
Les dégradations observées sur les structures bitumineuses épaisses sont uniquement de type fissuration, et si l"on met à part quelques cas de dégradations par fatigue de structures sous-dimensionnées, des dégradations au niveau des joints, ou des dégradations de chaussées à faible trafic dans des régions montagneuses à contraintes climatiques sévères, on observe :
- des fissures longitudinales, (photo n°1)
des fissures d'orientation anarchique, ou en étoile,
- des fissures transversales, d'un aspect tout à fait comparable à celui des fissures de retrait des graves traitées aux liants hydrauliques mais en général isolées et en dents de scie, (photo n°2)
- parfois du faiençage à maille large.
Photo 1 - Fissures Longitudinales
195 -
\... . -:... ~ ..... ·~· .···t
~";"';~"·'•1·~~'-'. .. ,~·
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Photo 2 - Fissures Transversales
Une estimation quantitative réalisée sur un échantillon de 500 km de chaussées renforcées (structures 10 GB + 6 BB à 20 GB + 8 BB) n'ayant jamais reçu une couche d'entretien a permis de fournir des indications chiffrées sur l'importance des dégradations affectant les chaussées bitumineuses. Les graphiques (fig. 1 et 2) représentent l'évolution de trois types de dégradations (fissuration transversale, fissuration longitudinale et faiençage) en fonction de l'âge et du trafic cumulé exprimé en nombre de poids lourds de charge utile > à 5 T.
- 196 -
50
40
• X
0.2 Q.4 0,1
• I
X I
I o
1,6 3.2 6,4
% cie .Jccf/o~ ~,"0r9ea'.., % de .stic:Ho'J'6 /',~unu lre'/'.,._,..,d/•~ % d,,, .scc/,"o?' /,33v,.e·a lo?gilvdtf;elUIJe?I
Fig. n°1 - Evolution du % de sections dégradées en fonction de l'âge et du trafic poids lourd cumulé
L'analyse de ce bilan montre qu'une fissuration longitudinale peut apparaître ~rois ans après la mise en oeuvre ou après le passage de 5. 10 poids lourds, alors que la fissuration transversale va progresser de façon plus anarchique, conformément au caractère assez aléatoire d'apparition de cette dégradation.
La figure 2 permet en fonction des deux paramètres précités de déterminer trois ratios :
- le % de sections de 200 rn sans fissures longitudinales,
- le % de sections de 200 m ayant moins de 10 m de fissu~ res longitudinales,
- le % de sections de 200 m ayant plus de 1 O m de fissures longitudinales.
.,. 100
IJO
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60
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l.O
- 19 7 -
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Fig. n° 2 - Evolution de la fissuration longitudinale en fonction de l'âge et du trafic PL cumulé
Si l'on fixe à 5 % le pourcentage de longueur de chaussée fissurée admissible, la figure 2 permet de faire une prévision sur le linéaire de chaussée pour lequel il y aura lieu d'opérer un entretien sa551ant que ce seui 1 d'intervention se situe à 3 ans, ou à 5.10 PL.
Ce bilan montre surtout qu 1il y a lieu de mettre en place à la même échéance une surveillance de ces chaussées s'appuyant à la fois sur des mesures et sur l'évolution de l'état de surface.
= 198 -
2 - LA METHODOLOGIE D'AUSCULTATION ET DE SURVEILLANCE
L'auscultation des chaussées a pour objectif de "radiographier" l'état de l'assise au travers de la couche de roulement. Cela exige une certaine quantité d'investigations toutes nécessaires au diagnostic des divers défauts. Si les essais rapides permettent d'examiner une grande longueur de chaussée, en .revanche les essais ponctuels et lents ne permettent pas en général d'effectuer un balayage général sur l'ensemble d'un itinéraire.
En conséquence,· un jugement précis ne peut être effectué de manière efficace que sur des sections de quelques kilomètres de longueur. La méthode d'analyse consiste donc :
- dans une première phase à utiliser des informations globales ou à caractère continu pour sélectionner des sections homogènes,
- dans une deuxième phase, à évaluer ces sections homogènes par des diagnostics fins opérés sur des sections témoins,
- dans une troisième phase, à procéder à une vérification de la représentativité de la section témoin dans la zone homogène.
La méthode d'auscultation repose sur l'examen de trois points fondamentaux qui interviennent à des degrés divers dans le cadre de l'analyse :
- l'histoire de la chaussée,
- l'état de la surface,
- la connaissance de la structure de chaussée et de l'état de ses matériaux et celle de son fonctionnement.
2.1. L'histoire de la chaussée
La recherche d'une exploitation logique du comportement d'une chaussée et de son évolution, est grandement facilité par la connaissance des conditions de construction et de son entretien. Les informations disponibles et leur qualité correctement archivées par le service gestionnaire de la route influeront à deux niveaux :
- en augmentant la fiabilité des études par un meilleur choix des sections homogènes,
en réduisant les moyens d'investigations à mettre en oeuvre.
- 199 -
Les quatre niveaux d'informations possibles sont les suivants :
1°) Connaissance du sol support ou de l'ancienne chaussée (déflexion, identification des sols, essais de plaque, dynaplaque).
2°) Connaissance des études de dimensionnement, structure théorique.
3°) Connaissance de la formulation et de traction directe) .
qualité des matériaux comportement, essais
(études de de fatigue,
4°) Schéma itinéraire de contrôle et auscultation de référence à la mise en service.
L'expérience montre que l'on approche assez bien les niveaux 1, 2 et 3, mais que le niveau 4 est généralement insuffisant et concerne seulement quelques mesures de réception au déflectographe.
Comme la qualité des études est en partie liée à la qualité des informations disponibles sur l'histoire de la chaussée, cette r-echerche de documents est indispensable pour l'application de la méthodologie.
2. 2. Etat de surface
L'état de surface relève de mesures ou d'observations portant sur deux points : le comportement structurel, et les désordres de surface propres à la couche de roulement (arrachements, usure, etc ... ) qui affectent à la sécurité et le confort de l'usager. Ce dernier point non specifique à ce type de chaussée n'est pas traité ici.
L'observation et le relevé précis des dégradations sera complété par des carottages afin de vérifier si la dégradation est superficielle ou structurelle. L'intérêt de relevés précis manuels ou automatiques ( GERPHO*) est de permettre de suivre l'évolution de l'état de surface dans le temps.
GERPHO Groupe d'Examen Routière par Photographie
~ 200 =
2. 3. Connaissance de la structure de chaussée et de son fonctionnement mecanique
La connaissance de la structure de chaussée et de son fonctionnement est le point clé de la méthode qui consiste à situer le comportement de la chaussée réellement en place par rapport au schéma théorique de fonctionnement. Pour cela on dispose :
- d'observations extérieures non destructives directement liées a la structure telles que les mesures de déflexion, les mesures de produit Rd (Rayon de courbure x déflection) et de propagation d'ondes (vibreur léger) et les mesures d'ovalisation.
- d'essais sur matériaux prélevés par carottage afin d'une part de vérifier si les informations recueillies dans l'historique de la chaussée sont suffisantes (teneur en liant, granularité de !'enrobé .... ) d'autre part, de collecter les données nécessaires pour évaluer la qualité résiduelle de la chaussée en matière d'épaisseur, collage entre couches successives et indirectement modules et autres caractéristiques des matériaux prélevés in-situ.
3 - LES MESURES 11 IN-SITU 11
Parmi les mesures 11 in-situ 11, il faut distinguer les mesures à carac
tère continu effectuées à cadence élevée, et celles qui n'autorisent que des opérations ponctuelles. Le tableau N°2 indique les moyens disponibles pour ce type de chaussée, les cadences de mesure et le paramètre mesuré.
- 201 -
1
Moyens Paramètre Cadence mesurée
Défl extographe Déflexion, 1 mesure tous les 4 m 1
15 km/jour
Poutre Benkelman Rayon de courbure et déflexion 100 pts/jour enregistreuse
Vibreur 1 éger Célérité des ondes de Rayleigh 5 pts/jour Module et épaisseur des couches
Ovalisation Déformations à différents 4 pts/jour niveaux dans 1 a structure
Carottage Epaisseur - Collage des couches 10 à 15/jour origine des dégradations
Tableau n° 2
Chaque paramètre mesuré s'inscrit dans le cadre de cette méthode d'analyse avec un intérêt d'autant plus important que les résultats qu'il fournit sont fiables et indispensables pour faire un diagnostic.
3. 1 . La déflexion
La déflexion joue naturellement un rôle important dans le découpage de l'itinéraire en sections homogènes d'une part parcequ'il s'agit de mesures en continu qui permettent de tester le critère d'homogénéité, d'autre part parcequ'elle est un indicateur de mauvaise qualité (et non l'inverse).
En effet, d'une manière générale le niveau de déformabilité est faible et inférieur à 30 centièmes de mm pour les chaussées neuves (fig. 3a) et 40 centièmes de mm pour les chaussées renforcées (fig. 3b).
Toutefois, et pour des cas précis de sous dimensionnement de la structure, les mesures (fig. 3c) sont plus dispersées et mettent en évidence un défaut de structure.
- 202 -
40
JO JO.
20
Clè~a. oc dë/lc,.;op 0 '--~.J.-..L-.-1-~-'--~-'-~--'~~...___..,
20 40 60
~} :t 10
IO 100 120
Z0.3 19.7
•1.
50 47.2
40 35,4
30
20 © 11,2
10 ~.4 C/~.s.:J• de cict/c;u'o_p
0 0.1
20 40 60 IQ 100
4.1 C/,::.,se ~ clc'flui':P . 0 ~OU...-L~-.1.~~L-~..J..........::::::::::::::::::0=.9~0~2~0=.9~0.~6'----<~
2D 60 IO 100 120 140
Figure 3a 3b
8BB+l5GB 6BB+l5GB Structure (cm) +15GB +Ancienne
chaussée
Nombre de mesures 5 255 5 159
Défl ex i oh moyenne 10-2mm 13 21
Ecart type q"' 5 8
Longueur de chaussée en km 20 20
Figure 3 Histogrammes des mesures de déflexion
3c
«
6BB+20GB +20GNT
865
47
19
2,5
- 203 -
3.2. Le produit Rxd (Rayon de courbure x déflexion)
L'association déflexion-rayon de courbure permet d'apprécier la rigidité des structures semi-rigides à assises traitées aux liants hydrauliques. Pour les chaussées bitumineuses, il faut tenir compte dans l'interprétation, de la température et du temps de chargement de l'essai.
La pratique montre que le paramètre le plus influencé par la température dans le produit Rxd est le rayon de courbure, en effet sa valeur est décuplée lorsque la température passe de 24° à S°C alors que la déflexion varie dans un rapport inférieur à 2 et reste relativement faible (généralement inférieur à 40/100° de mm pour les chaussées bien dimensionnées et pour les températures les plus fortes).
La variation du produit Rxd en fonction de l'épaisseur (h) de la couche de chaussée, montre que sa valeur est peu affectée par les variations d'épaisseurs de cette couche lorsque h est 1- 20 cm et quand le rapport des modules est élevé.
Les abaques bicouches élaborées à partir du programme ALIZE 111 permettent de déterminer Et à partir des courbes d 1 isodéformation fig. ( 4), connaissant la déflexion le rayon de courbure et le rapport des modules pour une épaisseur constante supposée connue de la chaussée,
Les courbes d 1isodéformation dans le diagramlme Rxd pour une couche bitumineuse d'épaisseur donnée constituent les valeurs limites au delà desquelles le risque de rupture en fatigue est :
- supérieur à 50 %,
- compris entre 50 et 1 OO % et correspond à une chaussée douteuse,
inférieur à 10 % et concerne une chaussée en bon état.
11 suffit alors de savoir comment varie la déformation limite en fatigue pour un nombre de cycles donnés.
Les valeurs de 6 adoptées dans le diagramme sont celles données dans le tableau 3.
- 204 ~
: pr&$t.1"u bOIJ9~
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; pr•4"'7Jlff /l')~Ul/0/31l._ srol--~-+-:..+-t-Ti:Tf~~ 4001--~-+--t--t-iï"tî~
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1
1
j
Figure 4 1 sodéformation dans le diagramme Rxd (ALIZE Ill) (zones limites d 1interprétation du Rxd
Température 10-6 10-6 oc Risque 50 % Risque 10 0/
10
30 200 150
20 120 90
15 120 90
10 110 85
0 1
75 85
Tableau 3
- 205 -
L'expérience acquise a conduit à définir sur les planches d 1isodéformations dans le diagramme Rd (réf. 1.2.10.) :
- deux déflexions limites (une mauvaise si : d supérieur à d inférieur à 50/100e de mm, situe entre ces limites) ;
chaussée est présumée 80/100e mm, bonne si et douteuse si el le se
- deux valeurs limites du produit Rxd (une chaussée est présumée !!puvaise si Rd est inférieur à 6 000 m x 10 _2mm, bonne si Rd est supérieure à 10 000 m x 10 mm et douteuse entre ces valeurs.
Ces valeurs limites admissibles sont déterminées pour chaque courbe d'isodéformation définie par une température, une épaisseur un temps de chargement, un rapport de module et un risque choisi pour un nombre de cycles. La prise en compte de ces éléments permet de porter alors un jugement de valeur sur la qualité de la chaussée.
3.3. Carottages
Cet essai destructif, complémentaire des mesures en cavité, constitue l'outil de prélèvement qui permet de vérifier statistiquement les épaisseurs en place. 11 renseigne de manière globale et parfois pessimiste sur les liaisons aux interfaces, et vérifie si la dégradation intéresse tout ou partie de la structure, c'est ainsi qu'on a pu mettre en évidence (fig. n°5) que les fisssures longitudinales ou d'orientation anarchique, et les fissures trasversales courtes n'intéressaient généralement que la couche de roulement et parfois uniquement sa surface. Par contre les fissures transversales de 6 à 7 mètres traversent la totalité de la structure.
= 206 -
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dSUr
Figure 5 Observations sur carottes
Très souvent, lorsque des fissures sont observés en surface, on constate au carottage un décollement du béton bitumineux et de la grave bitume. Une section d'autoroute qui est dans ce cas, est aussi fissurée sur la voie rapide que sur la voie lente, ce qui suggère un processus de variation volumique non lié au trafic.
3.4. Les mesures en cavité (l'ovalisation) [6j
L'application de la méthode rationnelle de dimensionnement des chaussées oblige à confronter, les contraintes ou les élongations dans les matériaux à leurs lois de comportement. L'essai d'ovalisation mis au point en 1978 (par KOB 1 SCH et PEYRONNE) permet d'approcher directement dans une couche le rapport entre la contrainte horizontale et le module d'élasticité de celle-ci ( cr/E). Le principe de l'essai consiste à mesurer, à différents niveaux les variations de diamètre du trou lors du passage de la charge. Le passage de la déformation relative des diamètres de la cavité à la déformation que l'on mesurera dans un matériau en absence de trou s'effectue par deux modèles mathématiques.
- 207 -
Cet essai permet donc en mesurant les variations de !::.. Q) du diamètre Q) d'une cavité cylindrique verticale réalisée préalablement dans la structure à tester , de déterminer d'une part les allongements relatifsf.à différents niveaux de la structure et d'autre part par un choix judicieux des niveaux, de calculer le glissement entre deux couches en faisant la différence entre les allongements relatifs obtenus de part et d'autre de ! 'interface par exemple
u = E. Base é. .
Fondation
GB GB
Le gradient des élongations (fig. 6) permet par extrapolation de trouver les déformations maximales en bas des couches.
Figure 6 Diagramme des élongations dans une structure de chaussée déterminée par mesures en cavité (aval isation)
La détermination du fonctionnement de la structure au moment de l'essai nécessite la connaissance des lois de comportement des matériaux la constituant pour la température de l'essai et le temps de chargement. Les rnatériaux prélevés par carottage permettent d'approcher ces lois de comportement.
Cet essai constitue un moyen puissant pour détecter l'origine des désordres et pour faire un diagnostic valable qui est indispensable pour déterminer le traitement à apporter à la chaussée.
11 permet d'ajuster un modèle de ctia_ussée à toute structure réelle, en adaptant le modèle pour reproduire les déformations élastiques mesurées aux différents niveaux des couches de chaussées ; il est alors possible, de prévoir valablement le comportement ultérieur de la chaussée.
.
- 208 -
Utilisé judicieusement sur des sections témoins représentatives d'une section homogène, cet essai définit les conditions réel les de fonctionnement de la chaussée et permet d'apprécier en quelque sorte sa valeur résiduelle.
La synthèse des résultats des mesures exécutées sur 25 sections témoins (80 essais) donne à titre indicatif dans le tableau n°4 les niveaux des déformations en bas de couche pour une plage de température et différentes classes de trafic ; le diagnostic sur l'état de la chaussée qui résulte de l'application globale de la méthode est donné dans ce tableau pour situer l'étendue des mesures susceptible d'être rencontrées en fonction du dosage et de la nature du liant, du trafic, du dimensionnement et de son support.
* Structure Etat de Plage de Trafic 10-6 BB + GB la chaussée température
CHAUSSEES 30 à 50 cm Bon état 5 à 17°C Tl - TO
NEUVES 22 à 28 cm Signes 13 à 2Ô°C TO à T3 de fatigue
20 à 25 cm Etat 13 à 18°C Tl à T3 critique
16 à 21 cm Bon état 5 à 10°C Tl à TO
CHAUSSEES 21 à 25 cm Bon état 10 à 20°c Tl à TO
RENFORCEES 16 à 18 cm Bon état 7 à 25°C T2 à T3
16 cm Signes 7 ~ 10°C T3 de fatigue
'
*Catégories de trafic du catalogue des structures, au nombre de poids lourds de plus de 5 tonnes de charge utile par jour, sur la voie la plus chargée :
îo 750 à Tl 300 à r2 150 à Î3 50 à
2 000 750 300 150
(étendue)
10 à 45
70 à 90
120 à 340
20 à ïO
30 à 70
50 à 95
90 à 120
1
1
1
1
1 1
/
1
1 1 i
1
1 1
- 209 -
4 - ESSAIS DE LABORATOIRE SUR PRELEVEMENTS
L'apparition de fissures dans les graves-bitume et les bétons bitumineux conduit ti rechercher des informations sur l'état d'endommagement par flexion répétée des graves-bitume et sur l'état de vieillissement du bitume. Pour cela on utilise les essais classiques de la rhéologie du bitume ainsi qu'un essai de traction directe mis au point récemment au LCPC et dont on exposera également les fondements.
4. 1. Essais sur les bitumes
Ils sont effectués sur le bitume extrait de l 1enrobé provenant d'une trentaine de sections de chaussées agées de 1 à 1 O ans et soumises à des conditions de climat très diverses. La mesure de la pénétrabilité en fonction de la température permet de calculer l'indice de pénétrabilité 1 P ; on détermine par ailleurs la température de ramolissement bille-anneau T BA ainsi que la température de fragilisation d'après l'essai tle Fraass.
On constate que les bitumes ont vieil! i de façon diverse après 6 à 7 ans. Près du tiers des graves bitumes fabriquées avec un lian.t 40/50 ont à présent une pénétrabilité à 25°C inférieure à 15 et l 1IP voisin de 0 à l'origine est supérieur à 2. Cette proportion n'atteint que 20 % sur les bétons bitumineux. Les liants 60/70 sont presque tous restés au-dessus du seuil de pénétration de 15 en dessous duquel apparaissent en général des problèmes, alors que l 1 I P a évolué comme celui des 40/50. Les températures de Fraass présentent une dispersion plus forte sur les bétons bitumineux - 10°C à + 10°C contre - 6 à +4°C pour les -graves-bitume.
La variété des résultats montre qu'il est difficile de prévoir simplement l'évolution du bitume dans la chaussée avec les moyens actuels et que les essais sur liants récupérés à différents âges sont nécessaires pour faire un diagnostic.
4.2. L'essai de traction directe sur les enrobés
L'objectif de l'essai est de permettre la comparaison des enrobés de couches de base notamment du point de vue dimensionnement en fatigue. L'essai reproduit les sollicitations critiques de traction existant à la base de la chaussée et fournit une prévision de l 1évolution en fatigue qui est fondée sur des relations statistiques avec l'essai de fatigue. Son pouvoir de prévision est beaucoup plus élevé que celui des essais traditionnels et son coût est moins élevé que celui des essais de fatigue.
- 210 -
Le processus opératoire de l 1essai a pu être simplifié au maximum de façon à obtenir tous les renseignements pour chaque éprouvette, ce qui n'est pas évident a priori, à cause du caractère viscoélastique du matériau et de la non linéarité de sa loi de comportement.
Cet essai qui est peu dispersé permet d'apprécier les effets de composition et de fabrication sur des éprouvettes confectionnées en laboratoire ou prélevées sur des carottes de chaussée ; il permet également de connaître l'état de dégradation de !'enrobé de chaussée sous les effets du trafic, de l'eau et du vieillissement du liant.
Etant donné le caractère récent et encore peu connu de cet essai on donnera une description de l'essai et des corrélations avec l'essai de fatigue en flexion. On s'en servira ensuite pour étudier les prélèvements effectués sur 5 sections de chaussée.
4.2.1. Reproduction des sollicitations crituques à la base d'une chaussée par un essai de traction à déformation imposee parabolique = at
Pour une ch'9ussée qui n'est ni trop souple (module du matériau> 10 Pa) ni trop mince (épaisseur> 10 cm) et qui repose sur un sol assez déformable (module inférieur à 1/1 O du module des matériaux de chaussée), les contraintes horizontales à la base de la couche sont en traction et leurs amplitudes sont nettement supérieures à la valeur absolue de la contrainte de compression verticale correspondante 5 11 en résulte que ces contraintes de traction ont des valeurs voisines des contraintes de Tresca ou de Von Mises et qu'on peut les considérer comme une bonne représentation des contraintes critiques.
L'application des relations de l'élasticité ou de la viscoélasticité montrent que l'amplitude des allongements correspondants aux contraintes critiques est déterminée à plus de 90 % par ces contraintes critiques dans les conditions mentionnées ci-dessus, la contribution de la compression verticale étant faible 5 . On peut donc considérer également dans ce cas que l'amplitude de l'allongement à la base de la chaussée est une bonne caractérisation de l'état de sollicitation critique.
( 2)
- 211 -
Pour prendre en compte la viscoélasticité on assimile la variation de l'allongement au cours du temps à un signal parabolique d'une durée de 0, 02 sec. correspondant à la valeur moyenne de la demi-durée de l'impulsion à la base de chaussées ni trop souples rai trop minces reposant sur un massif de module de 1 o Pa lorsque les véhicules circulent à 70 km/h {figure 1). Le signal parabolique a été choisi parcequ'il permet l'utilisation de machines d'essais courants électromécaniques et non asservies ; ces machines ont la propriété, dans une configuration voisine des presses de compression LPC, de délivrer des allongements {mesurées à l'aide d'un extensomètre) de la forme suivante (figure 2) .
{ 1 ) é. {t) = a.tn 1
+ n = 1 ,65 - O, 15 pour toutes les conditions d'essai qui nous intéressent ; le coefficient a. est surtout fonction de la vitesse affichéé i, mais également de l'impédance de l'éprouvette ; cette loi est bien vérifiée dans une asse~5 grand domaine de déforma-tions : 210 < < rupture.
Comme la valeur de l'exposant n est suffisamment constante il est possible de considérer la classe de modules sécants S qui est alors définie avec une bonne précision en viscoé~asticité 1 inéaire ; pour tout essai i le module sécant ne sera fonction que du temps, suivant l'expression (2) où r(t) désigne le module de relaxation.
Figure 7
ûi ( t) c::i ( t)
n (t n-1 = -n- ) r ( t- ~). ;:; . .. d ~
t 0
Extension à la base de la chaussée
Figure 8 Presse de compression LPC essai parabolique
- 212 -
4. 2. 2. Loi de comportement
On sait que d_'tf:S le domaine des très petites déformations ( ê < 10 ) les enrobés bitumineux peuvent être considérés comme viscoélastiques linéaires ; ce comportement constitue en fait une première approximation du comportement viscoélastique non linéaire qui est observé lors des essais de traction ou de compression uniaxiaux. La connaissance de la loi linéaire permet notamment de prévoir les réponses à différentes histoires de sollicitations uniaxiales, donc d'apprécier certaines erreurs expérimentales et de simplifier le processus opératoire en connaissance de cause.
Nous avons pu utiliser la loi de comportement suivante en déformation imposée l 14 - 13 1
~ t J~ (3l. û (~) = [t .go (é)} S. r(Lz:). É(z;)d~+(Lt).Ê(z:).dz;. K(t.z:).i(e.(z;)J.dz;
En particulier O O
Lorsqu'on impose des échelons de déformations Ë, 0 on a :
où l'on peut utiliser les expressions empiriques suivantes ( 1 )
(5 bis) K(l:):lo910t
pour t >,. 1 seconde (domaine expérimental)
Compte tenu des relations (3) et (5) on a l'expression suivante de ($"' ( t) pour les essais de type €. = atn avec n > o entier ou non :
où 1- r est le facteur de non linéarité etrla perte de linéarité
( 6) ~ ( t) :: e. S,, (. t) [ L ~" (~) - ~o (€.). l09iOt1 è'VCC.
9? = 30 -f'.,°'1~ - .À,,~2ê.z. p 1 = î<"') .. o.s~zz.. À., =: "t ( z") "" o.s1zz.
1Jr., = F1 ( 1+?) j r; (it !'))
- 213 -
F est la fonction enlérienne que l'on peut trouver dans des tables numériques. Le tableau 5 donne les valeurs de coefficients f. et).. en fonction de n, ainsi que les variations de la perte de linéarité g - g pour un béton bitumineux
5 ayant les n con~tantes -l1 = 500
et o/... = - 3. 10 et -~n se plaçant au niveau de déforma1ion é = 5. 10 . On voit que lorsque n varie de 1,50 à 1,80 la perte de linéarité ne varie que de - 0,02. Par ailleurs la même variation de n produit une croissance du module sé~ant linéaire d'environ 3 % dans le domaine S (t) ~ 10 Pa pour les bétons bitumineux étudiés, cen qui pourrait être interprété à toRt comme une croissance de la perte de linéarité de 3 % également.
n µ ~ g -n go
0 0 0 0
1 1 1,5 - 0,14
1,50 1,2/ 1,82 - 0,18
1,65 1,34 1,91 - 0,20
1,80 1,41 2,01 - 0,21
2 1,50 2,08 - 0,22
L'exemple montre que les résultats de l'essai ne sont pas très sensibles aux variations de 1 'exposant n. On peut donc déterminer d'abord le module sécant S ( t) dans le domaine des petites déformations avec diffé?-entes vitesses affichées, puis la loi de comportement non 1 inéaire à l'aide de deux essais seulement dans le domaine des grandes déformations (relation 5 bis) à condition que n soit fixe.
- 214 ·~
Les figures 11 et 12 montrent le procédé graphique d'analyse de l'essai ; sur les courbes cr (t) obtenues à chaque essai on trac~ 51e rés_Etfu de courbes isodéf~4mées aux niveaux e= 5k10 ; 10 ; 2 - 3 - 4 et 5.10 par un procédé de lissage ; les relations S (é.) pour des temps fixés sont obtenues par une régression de degré 2 et l'on détermine S (0) par l'extrapolationé-0. On peut alors calculer le ·facteur de non linéarité r ... défini pour net t fixés n, L
= Sn, t (E) Sn, t (o)
c -4 en pratique on prend ra toujours r;. = 5, 1 O et si rupture a lieu un peu avant on extrapole.
4.2.3. Matériel d'essai et procédure d'essai simplifiée
la
L'essai utilise aussi bien des éprouvettes carottées dans des plaques O, 4 x O ,6 x 0, 12 m compactées avec une table de compactage à 2 pneumatiques, que dans des carottes (/) 0, 25 m prélevées dans la chaussée et recarottées horizontalement et sc1ees aux mêmes dimensions (/) 80 mm et H 200 mm pour les graves-bitumes. Pour les bétons bitumineux on peut utiliser des carottes (/) 50 mm et H 125 mm.
Dans la procédure d'essai simplifiée on effectue d'abord tous les essais qui n'endommagent pas l'éprouvette aux différentes températures suivant l'ordre indiqué dans le tableau 6 en ne dépassant pas trop la déformation maximale indiquée, en ménageant une période de· recouvrance suffisamment longue entre les essais et en satisfaisant bien les conditions d'alignement du système d'accrochage à rotules des éprouvettes. L'essai de rupture a lieu à la fin.
.,.-, 1 1
"""'~7,'7,'.~~~~~~~~;;;::;:::=:---f-,f'1co~teurdeforce
Fig. ~
1 , ___ ..x...... ___ _
1 ponts 1 d"extensométrie 1 1 1
' 1
caisson thermostoté
enregistrements
Schéma de l'appareillage
2' c 111.aciuc.s ,,,cll!J//;9uc.s 1 -co//u ..; /<t:,.oLdif«.
2 _ Ll,.,.,oeu _,up:.r1our dca i:'iico!thÔ? .e vec:. cout.a.eu• .
3 .. 4,,,7«.u ,.,,F~ncur.
4 _ .J cepl'cur.s '?duefi/., t 1""'1
_ 3 v1.s de r-•9l.egœ de J!e ro ' do.s C!•pi"eur~ .
"° _ ,3 !.,,,_ .souplo.s .;, coutc••a
, _ 3 v1.s de ..5czrro9e · '--~~~~~~~-"'(
Fig. 1 o - Echantillon avec extensomètre
- 215 -
= 216 -
Rang
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Température Vitesse Déformation Durée 1 oc affichée maximale repos 1 1
1
1
1
1
-..!-. mm/s ·no 1 5 mn
1 0 1 mm/mn 10 15 mn 1
1 '"""?60 mm/ m n
-~ mm/s 5 mn
20 1 mm/mn 2. 10 15 mn
1 . 'f6ô' mm/ mn
1 mm/s 5. 10 5 ~ mn
0 1 mm/mn 5. 10 15 mn
__J_ / ·· fbO mm mn rupture
Tableau 6 Essai simplifié
A l'aide des moyennes ou bien sur chaque éprouvette isolément s'il s'agit de prélèvements de chaussée (on n'a pas de vraies répétitions) on trace les courbes de modules isothermes ainsi que la courbe maitresse (fig. · 4). Nous n'effectuons qu'un essai de non linéarité (l'essai de rupture) sur les 2 essais qui sont théoriquement nécessaires et nous admettons que la perte de 1 inéarité va!'~e peu sur 1~if1terval le de temps séparant ê = 5. 1 O et E. = 5. 1 O sur cet essai. Par les points aux diffé.,.. rents niveaux de déformation nous pouvons alors faire passer des parallèles obtenues par translation verticale et nous obtenons ainsi une approximation du réseau des courbes isodéformées au voisinage du temps 300 secondes (fig; 1 2) .
S N/m1 10101-~.....,..~-.-~~~-.-~~~--.~~~.....,.....-~~~-.-~.....,..·~~~.....,..~~
---LI r
·-----10' l-~.....,..~-1-.....,..~~-1-~~~--1~-'--~.....,..~.,,--'-~-+-~.....,..-"'::-l-~~~--4
1 T 1 1----1 io• 1--~.....,..~-1-~~~....;.-~~~--1,__~~.....,..-1-~~~--1-.....,..~~--1~.....,..~---1
J.10'
1 1 1
0.02
So
0 . J...
- 217 -
- 218 -
4.2.4. Le fondement de l'essai : corrélations entre les résultats d 1essais de fatigue et de traction
La recherche de corrélations avec les essais de fatigue à amplitude de déformation imposée à 25 Hz et 10°C en flexion (9) s'est effectuée en deux étapes.
Dans un premier temps on a effectué des essais de traction à plusieurs vitesses (ordre 2 à 4) et plusieurs températures (au moins o et 20°C), chaque essai étant destructif on a recherché les conditions expérimentales qui pouvaient donner les meilleures corrélations. L'essai de traction est caractérisé par les contraintes ()' à la rupture et les déformations correspondantes ê r ainsi que les temps de charge correspondants t ( duréè de la sollicitation jusqu'à_lf rupture), les pertès de linéarité au niveau € = 5. 1 O et à différentes durées d'essai ( 14). Les essais de fatigue ont été réalisés sur des matériaux identiques du point de vue formulation et fabrication (ou prélèvements de chaussée) ; le résultat de6 l
1essai est caractérisé par E. 6 déformation admissible à 10 chargements et par la pente p de la droite de Wohler E (N) en coordonnées logarithmique. La meilleure régression sur E 6 a été trouvée à l'aide des vari~~les explicatives 1 - r et du module S mesuré à ê-:::10 à 0°C et 300 secondes, mais le nombre de formules testées était encore faible ( 8).
A la suite de ces premières constatations on a pu simpli~ fier l'essai de traction suivant le processus indiqué au paragraphe IV. 2. 3. ce qui a permis de tester une gamme d'enrobés suffisamment variés permettant d'établir une meilleure corrélation et d'étudier par ailleurs divers effets de formulation. Les caractéristiques de composition des 17 formules utilisées en fatigue et en traction sont indiquées sur le tableau 7. J-e graphique 14 indique les résultats sur l'ensemble des enrobés qui sont rangés par modules décroissants et d'où on a pu tirer les régressions (7) et (8).
- 219 ~
1
1
;
1 No Type mélange Agrégat Dosage et type
% de 1
1
de bitume l
1
1
1 Grave bi ttm1e Silico calcaire concassé 4,5 % B 40/50 1 c = 89 ~.
2 Grave bitume Silico calcaire roulé 3,5 % B 40/50 c = 92 %
3· Grave bitume Silico cale.aire concassé 3,5 % B 40/50 c = 90,5 %
4 Grave bitume Silico calcaire concassé 3,5 % B 40/50 c = 86 %
5 Grave bitume lsil. cale. 10 % sable éolien 3,5 % B 40/50 c = 93,5 %
6 Grave bitume Silico calcaire 3 % B 40/50 c = 88,4 %
7 Grave bitume Diori té 6 °-'o bitume spécial c = 98 ~.
8 Béton bitumineux Diori té 0/10 discont. 4/6 5,5 % B 40/50 c = 94,5
9 Béton bitumineux Diori té 0/14 discont. 4/6 5,5 'l'o B 40/50 c = 95 %
10 Béton bitumineux Diorité 0/14 discont. 2/10 5,5 % B 40/50 c = 95,7 %
ll Béton bitumineux Diorité 0/14 discont. 2/6 6,5 % B 40/50 amiante f" = 95,6 % "
12 Béton bitumineux Diorité 0/10 5,5 % B 60/70 + Asphaltènes
13 Béton bitumineux Diorité 0/10 5,5 % B 60/70 + Elastomère
14 Béton bitumineux Diori té 0/10 5,5 % B 60/70 + Copolymère
15 Béton bitumineux Diori té 0/10 5?5 % B 60/70 + E.V.A.
16 Sable bitume éolier 3,5 % B 20/30 c .. 68 % '
17 Béton bitumineux Diori té 0/10 6 9-o B 40/50 9 %
TABLEAU 7 Composition des enrobés testés
- 220 ~
<;'~ ! ,. • \ / 1 '1 I / ' '-T' 1 • / \ ,~ /• \ 11 I '~
11
'· r f-4 8 • ' . 1 t \ I ' \, 1 r· . ' './ ' ' ' ' ' i1,S 1 : 1 17 ~ >-. 5'r fi ;\ 1\ Y \ , ........ , ,1 \
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.Lli'.' I.·" fi k. 1: \/ N~~I \\' /i'"\J. \V / \ ï 1 & ~ l~I ·~ .·f-··'1 1·
' 1· ' 1 ~ 1 ./r\ , \fr--..........J \,., /~.~ I~·"
1 1 . / -- I •• î I •. ~· ' 1 f i1 f 1 ! 1 2 / \ / \ . ; \ / ""'.._ >L .. -1 1 , T !/ \/ \ ! ~ \, : i 1 i ~1--ll~-~-·~-+--l----~-l---+--l---l~.:i:..--l----~-1--1-~l--~-.::i.~
:a io i::i ii Io . . ""
7 5 10 8 9 J 2 11 6 12 14 t 13 15 17 16
Fig. 14 Résultats des essais de traction à o°C et de fatigue à 10°C
- 221 -
(7) e6T = 10-4 i 2,77 - 5,55 (1-r) + 1,69.10-10s} E6T désigne l'estimation par l'essai de traction de la
. déformation admissible en fatigue de flexion à 10°C · et 25 Hz
-r et S (en Pascals) sont mesurés à 0°C et 300 secondes.
-rest la perte de linéarité entre é= o et 5.10-4
S est le module mesuré aux environs de E. = 1 o-4
Cette régression présente un coefficient de corrélation R = O, 978 et les intervalles de confiance calculés sur les 3 coefficients au seuil de probabilité de 5 % sont les suivants
(7bis)
+ l •o = 2,77 - 0,07
+ a1 = - 5,55 - 0,21
a2 = (1,69 :!: 0,05) 1 0-1 0
é6T :!: 20 % au point central f6 -4
= 1 '50. 10
Par ailleurs il n'y a pas de relation significative entre les coefficients a1 et a2 dont le coefficient de corrélation vaut - O, 11. Cette régression présente un bon pouvoir prévisionnel si la quai ité des essais de traction est bonne (dans le cas où le nombre de répétitions est suffisant relativement à la dispersion des essais).
La prévision de la pente de la droite de fatigue est beaucoup plus aléatoire, essentiellement à cause de l'imprécision de cette pente liée elle-même à la grande dispersion des durées de vie. On a :
E. r ( 8) PT = O , O 6 8 + 0 , 1 3 O 1og1 0 ê 6 T
PT désigne l'estimation par l'essai de traction de la valeur p de l'expression
é(N) =E1.(N/
E est la déformation à la rupture en traction à r 0°C et à la vitesse la plus lente.
Le coefficient de corrélation n'est que de 0, 754 ; i 1 est cependant plus réaliste d'utiliser cette régression plutôt que l'hypothèse.
- 222 -
( 8bis)
P=Cte=0,185
La régression (7) met en lumière le rôle prépondérant joué par la perte de linéarité 1- r mesurée dans un essai avec un seul chargement effectué dans un domaine de déformations assez grandes" On peut considérer 1- r comme un dommage qui serait équivalent à celui qui est causé par l'accumulation de dommages créés par un grand nombre de chargements de faible amplitude.
L'origine de cette non linéarité réside dans le caractère macroscopiquement hétérogène de !'enrobé et l'existence
·de phénomènes mécaniques de type contact intergranulaire avec un film cohérent.
Signalons encore que les coefficients de corrélation entre 8 6 et la déformation ou la contrainte à la rupture ou le module sont faibles, quelles que soient les conditions de ! 'essai de traction. Nous considérons que' ces grandeurs ont un très faible pouvoir de prévision par rapport à la tenue en fatigue.
- TABLEAU 9 : CARACTERISTIQUES VES GRAVES BITUME CHAUSSEES ET LABORATOIRE
No Origine Bitume de Compacités Liant récupéré Modules 10°c lOH
Section minérale fabrication Trafic * Pénétr. TBA IP TF ra as Traction Van der Puel
25°C SHELL
1 diorite 3,6 % 40/50 90 % 15 65,6 -0,3 10 10
2,5-106 - 1,14.10 Pa 1,45.10 Pa
2 calcaire 3,5 % 40/50 90,6-92,2 % 14 68,5 0,1 0,5 1,4.1010 l,80.1010 6 1,7 .10
3 Alluvion. 88,7-94,3 % Sil ic.calc. 3,7 % 40/50 1.106 7 110°c 6,48 ll ,5°C 0,74 0 ,45 .1010
4 Silico-cal. 3,5 % 40/50 90,2-93,6 % 1 , 1. 10 23 72 1,5 - 1,34 0,8.1010
5 Quartzite 3,9 % 20/30 91-95 5
11 69,8 0 1,74 2,2.1010 1,4 .10 -
Labo Alluvion.concassé 3,5 % 40/50 90,6 % 1,07 31
32 Alluvion.concassé 3,5 % 40/50 86 % 0,778
33 Alluvion. roulé 3,5 % 40/50 92,5 % 1,14
34 Alluvion.concassé 4 % 40/50 92 % 1,07
51 Quartzite 3 ,9 % 20/30 92 1,5
( :I.'.) .tJw6-i..c.. c..wrud'.é en v..1.iieux équivalen;U de 1 3 tonnv..
z
Ovalisa-
tion
10 1,2.10 Pa
1,1.1010
0,30.1010
0,7
1,7
N N lN
- 224 ~
1 1 -1
cl: "'3" ~ '.::> <:-J 1
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-~~ ~- l~~ ~~ cl. Cl) ~~ C,.)
Q., 1<:>.I 0 0 <:-J \.U \::>::: :::;;: Cil :::: ..0 \.U
1 21 1 11,4 0,72
Labo 10,7
31
Labo 7,78
32
Labo 11,4
33
Labo 10,7
34
2 18,5 0,38 12,7 0,40
2 12,5 0,38 15,5 0,35
3 21 0,02 7 1,50
3 21 0,02 9 1,30
4 28 0,35 12,3 0,45
4 18 0,35 15 0,37
5 23 0,3 15 1
0?50
5 23 1
0,3 1
19 0,42
Labo 51
15
i
Tableau 10
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\.U \.U 2
0,85 0,50 S,lS 0,84 21 1,82 4 34 0,155 2,7
0,39 4,3 1,28 16,5 2,3 6,1 44 0,155
0,38 2,83 1,18 21 1, 72 8,3 37 0,177
0,40 4,23 1,32 16 2,80 9,2 52 0,176
1
0,33 4,3 1,66 14 3,25 9,2 60 0,163
0,95 0,35 6,8 1,98 1
10 2,23 3 36 1 0,090 1 ) 10 1 1
0,83 0,45 11 2,13 /
8 2,84 3 43 0,090
~
1,25 0,60 3,25 1
0 ) 50 1,06 4,3 25 -
1
1,05 0,50 3,50 0,6 25 1,2 3,5 24 1 0,160 ! 1
0,55 0,42 5,9 1,43 13 24 4,5 41 1
0,131
0,44 0,43 8,2 1, 77 10 30 46 47 0,120
o,58 0,47 6,5 1,26 13 16,7 3,3 242 1 0,121 1 1 1
1
1
1 1
0,49 0,48 9,2 1,67 9 23 3,5 312 ! 0,108 1 i
0,31 7,1 2,27 7,5 16 2,9 230 0,080
1
Résult;:its d'essais de traction et application à des bicouches "Alizé 111 11
) 10
0
0,01
) 10
> 10
> 10
) 10
1 1 J
.1
1
- 225 -
4.2. 5. Exploitation des résultats obtenus sur prélèvement~ de chaussée
Sur 5 sections de chaussées plus ou moins dégradées on a analysé la composition des graves bitume et les caractéristiques du 1 iant (tableau 8) pour compléter les résultats des essais de traction effectués d'après le mode opératoire simplifié. Ces résultats peuvent être comparés (tableau 9) à des graves bitume fabriquées en laboratoire avec les mêmes matériaux pour les sections 3 et 5.
La prévision de la déformation admissible à 106 chargements, notée é GT a été calculée d'après la régression. Par rapport aux graves fabriquées en laboratoire (n'ayant subi ni vieillissement ni f~~igue) et qui sont situées dans la plage 1, 18 à 2, 27 1 O on remarque que les prélèvements de chaussée sortent de cet intervalle par le bas, ce qui est dû aux fortes valeurs de la perte de linéarité. La section n°1 présente une diminution importante de E. GT sans être encore catastrophique, alors que la section n°3 présente des matériaux proches de la ruine, ce qui explique bien l'état de fissuration très avancé que l'on constate sur cette chaussée dans toute son épaisseur. Les 3 autres sections présentent de bonnes caractéristiques E. GT, ce qui correspond effectivement à une absence de fissuration sur la chaussée.
On peut comparer tous les matériaux (du laboratoire ou de la chaussée) entre eux grace à l'utilisation d'un indicateur de qualité épaisseur IQE. C'est l'épaisseur en cm qui !Permet d'assurer théoriquement une durée de vie de 1 O chargements d'essieux de 130 KN à une couche d'enrobés à + 10°C posée sur un massif semi-infini dont ae module a une valeur constante qui est prise ici à 10 Pa @. Pour des matériaux très performants on' obtient des 1 QE inférieurs à 1 O cm, des matériaux moyens entre 1 O et 15 cm, alors que des matériaux de qualité médiocre ou des matériaux fatigués se situent au-dessus de 20 cm (ex. : section 3, matériaux sous compactés comme la formule 32) .
On peut également calculer une durée de vie résiduelle théorique des graves-bitume en utilisant le module du sol obtenu à la suite des essais d'ovalisation (calage à l'aide d'un modèle bicouche) et en considérant que la température moyenne équivalente pour toutes ces sections est égale à + 10°C pour simplifier le problème. On voit alors que les matériaux de la section n°3 ont une durée de vue nul le ou très faible, alors que les autres sections qui ont un sol beaucoup moins déformable présentent encore une durée de vie très élevée : plus de 10 1 pour les sections 2,4 et 5 (valeurs limites des essais du laboratoire). Ces sections peuvent cependant périr par d'autres phénomènes, notamment à la suite du vieillissement du bitume.
226 -
CONCLUSION
L'expérience acquise sur l'essai de traction montre que la
perte de linéarité a un poids prépondérant dans la
régression donnant E GT . ; ont peut observer en effet
qu'une variatf.on de 1- r de + 0, 40 entraîne une chute de -4
- 2, 2. 10 sur éGT alors qu'un accroissement du
module S ( 0°C, 300 s) de 5. 109 Pa n'entraîne qu'une -4 amélioration d'environ 0,8-10 . On peut établir une
échelle de qualité des matériaux à l'aide de la caracté
ristique 1- r (tableau 15).
Les valeurs de la contrainte à la rupture ()r permet mal
de discriminer l'état de !'enrobé, car le vieillissement ou
une compacité élevée augmentent facilement<!" , alors qu'à r
l'inverse un liant mou les diminue ainsi qu'un état de
fatigue avancé.
L'essai de traction exploité avec la méthode du LCPC fournit des informations importantes sur l'état de dégradation ou le vieillissement des enrobés bitumineux de la chaussée. Malgré l'expérience encore un peu réduite sur les prélèvements de chaussée, la bonne concordance observée avec les dégradations relevées sur chaussée et à l 1expérience acquise en laboratoire sur les effets de formulation ou les effets de l'eau permettent de considérer que cet essai ouvre un nouvel horizon dans le suivi des chaussées bitumineuses.
- 227 -
5 - ANALYSE DU FONCTIONNEMENT MECANIQUE DE LA CHAUSSEE
Couc};c de
Pour déterminer la qualité résiduelle d'une chaussée la méthode consiste à situer les paramètres de fonctionnement de la chaussée par rapport à une référence. Connaissant la déformation admissible pour un matériau donné et la déformatton mesurée dans la chaus~ée par ovalisation, on détermine le potentiel de chargements qu'offre la structure par application de la loi de fatigue des matériaux bitumineux.
E:.o = a - b log N
Toutefois, comme l'essai d'ovalisation est réalisé à une température donnée et pour un temps de chargement de l'ordre de 0, 1 à 0,2 secondes (1 Hz), alors que toutes les références sont prises à 10° Cet 10 Hz, la méthode consiste à modéliser la chaussée, afin de recaler le modèle sur les bases de la référence.
5. 1. Modélisation
Deux méthodes sont possibles, faire appel au programme de calcul ALIZE 11 l ou assimiler la chaussée à un bicouche avec les hypothèses simplificatrices suivantes :
' <
AL L
b-• (G.s) Et 'i-lt
Fo?tfdi,°'J ,. .Sol OU è?ciCl')l}e
cl,e~c
Fig. 15
- Coucl,c.:. coll~ - - - - Coucl}~ d.&colléc.:.
Modèle simplifié de structure
~ 228 ~
- les couches de roulement et de base sont ramenées à une couche unique lorsqu'il n'y a pas décollement par la relation.
H1 = h + h 1 ~
h = l'épaisseur de la couche de base El = module de la couche de base h' = l'épaisseur de la couche de roulement E'l = module de la couche de roulement
- le sol support et la couche de fondation non traitée sont assimilés à une seule couche d'épaisseur infinue et de module équivalent à celui du sol support estimé à partir :
des essais réalisés à la construction pour les chaussées neuves, (essais CBR, essais de plaques, déflexions, dynaplaque) et de relations empiriques du type
E (105
Pa) = K 100 CBR K = 0,5 si CBR < 15
des mesures de déflexion que l'ancienne chaussée et seulement dans le cas de chaussées traditionnelles à faible épaisseur d'enrobés à partir de la relation 1 O
5 E ( 1 0 Pa) =
118 3 -2 . 10
d(lO. mm)
- le module complexe des enrobés est déterminé :
soit par la méthode SHELL, à partir des modules de rigidité des bitumes extraits sur les échantillons prélevés in-situ (abaque VAN DER POEL),
soit par l'essai de traction directe à partir des isothermes et courbes maitresses du module.
- 229 -
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O,L E:==~;l.._.;;;.~~~-...k:-!--+~;;:--~~--=~..d--++-l-!=S...~--+--1--+~-+-~--~--+-+-l
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0.0L LCPCI ALIZE 3 O,Cl
i-L-. 0: 12,S an ll11i11 • .,;, q= 0,662MPc }h ~1 ~ "tri-
-.:2 ; d: 315 cm
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1, 6
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E:T. E2
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1 .
1 2. 3 4 5 6 8 10 2CC
FIG:JP.E 16
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1 1 LCPCI ALIZE 3
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........ ~ :--- l---~..9-1 q= 0,662MPc
{~ d= 37,S cm
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1
- 230 ~
5.2. Calage du modèle
En fonction des paramètres que l'on a mesurés sur la chaussée (déflexion, rayon de courbure, ovalisation) et de ceux que l'on introduit dans le modèle de calcul :
:.. l'épaisseur utile,
- le module estimé du support,
- le module des enrobés à la température de l'essai d'ovalisation et pour une fréquence de 1 Hz,
on cale à l'aide d'abaques bicouches (fig. 16 - 17) ou du programme ALIZE 111, le modèle par itérations successives jusqu'à ce qu'il y ait une bonne correspondance entre les valeurs mesurées dans la chaussée et celles données par le calcul (fig. 18).
Le modèle est alors défini par trois paramètres
- le module du support,
- le module de l'enrobé pour 10°C et 1 O Hz,
- l'épaisseur utile.
5. 3. Application des lois de fatigue
La comparaison de la déformation mesurée avec celle qu'elle devrait avoir pour un nombre N de cycles équivalents et pour un matériau similaire permet de calculer, en donnant au problème un caractère probabiliste sur la section témoin, la probabilité de rupture de la structure au moment où la mesure a été effectuée en partant du principe que :
- les propriétés des sols supports et des matériaux de chaussée sur une section donnée sont dispersées ;
- la rupture par fatigue d'un matériau est un phénomène aléatoire, avec une durée de vie particulièrement dispersée pour des conditions de sollicitations fixées ;
- l'épaisseur des diverses couches de chaussée est également dispersée.
Pour ce faire on transforme la courbe de fatigue en courbe probabiliste tenant compte de ces dispersions
- 23f -
L'équation de cette courbe de fatigue s'écrit
logE. =a - b (log N +Se) (1)
où é est l'allongement relatif provoquant la rupture pour N chargements,
a et b des paramètres de la loi de fatigue
4 : l'écart type de la loi de fatigue
e une variable aléatoire de moyenne nulle et d'écart type égal à 1
La dispersion des épaisseurs (h = h :!: Ah) entraîne une variation des allongements relatifs que l'on écrit de façon simplifiée :
I
1 og E = 1 og é - B S 1 h ( 2 )
où ê est l'allongement mesuré et E' l'allongement nominal
h est l'écart type de l'épaisseur en place
B un ceofficient numérique dépendant du matériau
$ une variable aléatoire de moyenne nulle et d'écart type 1
La combinaison des équation ( 1) et ( 2) conduit à la relation
log N =
durée de , vie
moyenne
' B ~ 1 og E + 13 p 1 h +
taux de travail nominal en un
point de la chaussée (terme fixé)
e
terme aléatoire (dispersions)
où le logarithme du nombre de cycles conduisant à la rupture par fatigue est une variable aléatoire de moyenne
[ Ë - ~ log E.] et d'écart type $ 1 N en logarithme du
nombre de cycles.
- 232 =
Valeur numériques
,Se =écart type de la loi de fatigue= 0,4
B = 0,02
1 B = 5,25
S1h = écart type des épaisseurs mesurées
On introduit ainsi une notion de probabilité de rupture qui s'exprime numériquement sous la forme suivante :
log N = log N + uSN
u =
I
N log ( N )
ê I 1 /b log(-g )
=
_.5 N
où E. = allongement nominal pour N cycles E.. = allongement mesuré ajusté pour 10°C et
10 Hz
La probabilité de trouver une valeur < u dans le cas d'une loi normale, est donnée par les fractiles de la loi normale réduite ; en introduisant u, on obtient les valeurs de F (u) ou F est la fonction de répartition déduite de la variable aléatoire log N.
La probabilité de rupture est donc
p % = [1 - F (u)J- 100
/Jcllcxio9 C.S.R !.po1~~eurs âc9';/Jc1:f!o~ '?lcrÎôcC$ b;flJl'r)C
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Module. El du llUL6.&i6 bUu.mine.ux poWI. e.Mai et 1 Hz e.n MPa
Modui.e. El du l'l'!M.&i.g bilumine.ux poWL 10 C e..t 10 Hz e.n MPa
Modtde. équi.va.1.e.n.t du duppou e.n MPa
Epai.6.&e.WL h du ma..6.6-i.6 bilumi..ne.ux e.n cm
Vé6oJUng-t<.on c..a.1.c..uf.ée. e.n 10- poWt lOQC e..t
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- 235 -
6 - CHRONOLOGIE DES OPERATIONS
6. 1. Découpage en sections homogènes
L 1analyse simultanée des informations recueillies à caractère continu est effectuée de manière à dégager le maximum de relations de cause à effet entre les paramètres d 1auscultation, Dans un premier temps il s1agit d 1examiner s 1il y a des 1 iens entre :
déflexions
dégradations
Constitution et Réalisation· de la chaussée
La méthode consiste, à partir d 1un schéma itinéraire rassemblant ces informations, à découper par approximations successives l 1itinéraire en sections homogènes. Le tableau· 12 donne pour deux critères de jugement :
- déflexion - dégradation
divers types de possibilité pour choisir et localiser ces .sections homogènes
CRITERE CAS DE FIGURES POSSIBLES
Histoire de la chaussée Structure homogène
Etat visuel suivant procédure Gerpho dégradée peu dégradé bon état
- Déflexions (Déflectographe 03-04) > 40/lOOe 20 et 40/100 < 20/lOOe
Tableau 12
- 236 -·
Le découpage sera orienté en tenant compte des critères déflexion et état visuel pour une structure elle même homogène ; par exemple
- une chaussée en bon état d 1après son aspect visuel avec une déflexion < à 20 centième de mm
- une chaussée très dégradée avec un niveau de défie~ xion > à 40 centièmes de mm sera préjugée mauvaise.
De même les renseignements acquis lors de 11exécution du chantier, comme les études de dimensionnement, permettent une bonne approche de la connaissance du sol support et du corps de chaussée, ils peuvent être utilisés à cette fin si ces éléments sont suffisamment nombreux et bien repérés (schéma itinéraire point zéro).
6.2. Choix des sections témoins sur lesquelles sont réalisés des essais ponctuels
L1analyse du comportement mécanique de la structure exige la mise en oeuvre d 1essais ponctuels coûteux à cadences faibles. 11 est donc nécessaire de concentrer ces essais sur des échantillons de 500 à 1 000 m choisis dans les sections homogènes, qui serviront de témoins pour l1explication du comportement et les prévisions de tenue de l1ensemble de la section. On admet que le linéaire des sections témoins auscultées doit être compris entre 1 O et 15 % de la longueur de I~ section homogène.
- 237 -
Le tableau n° 13 classe les essais par. group~ d'intêret pour établir un diagnostic.
ESSAI A METTRE EN OEUVRE PAR SECTION TEMOIN
- mesures de la déflexion - déflectographe 04
- carottages en 0 150 mm
• Agencement des couches
- épaisseur - collage - prélèvements - état de dégradation interne des
couches (niveau de dégradation)
. Caractéristique~ des matériaux
- identification du liant
. pénétration
. bille et anneau
. FRAAS
- granulométrie - teneur en liant - compacité - banc gammadensimétrique - essai de traction directe
- Mesures d'ovalisation +mesure de température dans le corps.de chaussée
- Produit Rxd
- VibreYr léger
Tableau 13
+++ Essai très utile à indispensable ++Essai utile + Essai souhaitable
Intérêt
+++
+++
+++
+++ +++ +++
++ ++
+++
++
+
Fréquence des mesures/section
continu
15 à 20 dont 50 % sur fissures
1
5 essais 5 essais 5 essais
10 éprouvettes 10 éprouvettes
3 cavités
25 à 30 pts
4 pts à 32 fréquences 1
!
A. 51 Deflexions date des me-sures 1977 voie droite
en fis.sures longitudml~ c fissures transversales l o taiençage ;; affaissement ca bourrelet
"O déseorobage f nid de poule Cl Ill 0 1 d;itc : rn.;ii 1979
STRUCWRE: THEORIQUE
a 11~:i;~I s.s en 4) tn 1 20 ta ..... ... 0 1 20 L. CU
(.)
Jk , 1000 "g 500
a: 11:1
GB
substratum date: : 1978
~
. ' c Il .. 10 50 100 d
d.ate:1978 ciel e·~1°c
r: t. t El 0 et- t: l -..... ét EL ('Q Cil
ft E.l
~ 1 é l déformation 1.ongitud-0 € t déformation transv.
REFERENCE SECTION P.R BOO 50 200 1
':j ~~~~~~~~;z~z~z~~z~z~z~z~zZ::zr=<~z~z~z~.<~.z~z~z1,;z~z~z~7z::zz::::zz::z1,=z::z2z~z1 TP.c !? z ? ? 4 ? z ? < - - • ..... ' ... ---.. .... _
voie rapide 1 \ 111 \ 1 I 1 1 1 Il 1 1 1 1 1 1 • carottages
"""' - - - ...._
voie lente ln\ 1
• 11 1 •• ,,, 11 ".l lJ\~\; 1 1~ }!
P.R-to- 7. 978 7.851* 7.709 tissure 7.337 7.120 7.278 décollement 7.oso*
1••7 7,5~ Ill ~!
1l 12 P.R 7.960
7.5 ••
21~
·a; 20
0
"' N
11
8,5 ==,,./ 61 •• 6.5 ..
13 ~ 2oœ 21.5~ 19 ~ 20
10* 9 8 1 6 5 4 3 2 7. 715 7, 394 7.326 7. 310 1.100
1 DJlll 6,5 ~· 1 &• 11• ~·~ ':~ ~ ~1 19.5~ 20~ 9 E)f3 18 1l,5 *avec ess;ai 5 ~12'.l d'ovalis.rtion
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30
- 239
6. 3. Analyse des sections témoins
Les résultats mis en forme sur une fiche signalétique (fig. 19) sont exploités pour chacun des essais suivant la méthode décrite au chapitre précédent. On détermine le nombre de passages de véhicules depuis la mise en service, en supposant que le rapport du nombre de poids lourds de plus de 5 tonnes de chargement au nombre d'essieux de 130 kN équivalents, est de 1,0 sur chaussées neuves, 0,8 sur
· renforcement ; on compare ensuite les résultats obtenus à ceux qu'ils devraient être si une chaussée de référence avait subi des contraintes de trafic équivalents. Le report sur le graphique (fig. 20) de la déformation avec le nombre de cycles supporté par la chaussée permet de visualiser l'état probable de la chaussée, compte tenu de la courbe de fatigue type du matériau utilisé dans le calcul.
birurryrt 40/50 .;. .3,5 ,-o
Fig. 20
2 ) 456799, 10
Nb.i'd' ~1eu · ry p& d.e 1.3 ro177c>
1 1
2 l 4 s i719' 111
Situation des sections témoins
Le calcul de probabilité de rupture qui découle de cette analyse permet ensuite de porter un jugement sur le comportement de chaque section témoin et de définir des prévisions de travaux (tableau n°14).
~ 240 -
Perte de l i néa rité 1- Estimation de l'état de la chaussée
< 0,25 Très bon état 0,25 - 0,31 Bon état 0,32 - 0,39 Assez bon 0,40 - 0,47 Satisfaisant 0,48 - 0,55 Endommagé
> 0,55 Maté ri au ruiné
Indicateur de qualité épaisseur e (cm)
< 10 Très bon comportement 10 - 15 Bon 15 - 20 Peu satisfaisant > 20 Mauvaise
Caractéristiques à la rupture
r<l,5105Pa Très endommagée
r < 4 10-4 Agée ou (et) endommagée probablement par rupture thermique
(contraction)
Tableau 15 : Evaluation à la qualité des matériaux
La confrontative des résultats obtenus pour ces trois critères permet d'affiner le jugement sur la nature des travaux à entreprendre (rechargement ou renforcement). Le calcul de dimensionnement du renforcement consiste à partir du modèle de l'ancienne chaussée, à déterminer les épaisseurs d'enrobés à mettre en oeuvre pour fournir un allongement constant dans une même classe de trafic, par exemple pour la cla?~e de trafic Tl ( 350 - 750 PL/jour et par voie) é = 70 10 . Ce calcul peut être réalisé à partir du programme ALIZE Ill ou des abaques bicouches en effectuant des hypothèses simpl ificatrices.
Les résultats et le socnclusions de l'analyse des sections témoins, doivent être étendus à la section homogène, pour cela il faut s'assurer si cette généralisation est possible, dans la négative, des essais complémentaires sont à envisager pour confirmer ou infirmer les conclusions initiales.
- 241 -
Probabilité de Appréciation Prévision de travaux rupture
0 - 10
10 - 25
25 - 50
50 %
%
Bon état EtancMité
Douteuse Rechargement
Mauvais état Renforcement
Trés mauvais état Renforcement lourd ou reconstruction
Tableau 14
Le jugement peut être affiné, en combinant les résultats de l'essai d'ovalisation avec ceux de l'essai de traction directe.
Les para mètres :
- perte de linéarité, - caractéristiques ~e rupture, - déformation à 10 chargements
autorisenty un classement plus rigoureux de la chaussée, en effet, on peut à partir des résultats obtenus faire le classement suivant les indications du tableau 15.
-- 242 -
CONCLUSIONS
La méthode d'analyse et de surveillance des chaussées bitumineuses épai~ses s'appuie :
- sur des essais courants comme la mesure de la déflexion ou le comptage des dégradations, utilisés en parallèle avec l'historique de la chaussée pour découper l'itinéraire étudié en sections homogènes ;
- sur des essais ponctuels, effectués sur des sections témoins représentatives de la section homogène tels que :
le produit Rxd, rayon courbure x déflexion
les carottages,
les mesures en cavité (ovalisation) qui' sont un des points clés du diagnostic
- sur des essais de laboratoire (traction directe + identification) qui permettent d'appréhender les caractéristiques des enrobés en place.
Cette méthode exige un certain nombre d'approximations, liées aux lois de comportement des enrobés, en effet, les auscultations sont réalisées pour des temps de chargement longs et des températures variables alors que toutes les références sont ramenées à des temps de chargements courts (0,02 sec) et à des températures moyennes. Les recherches engagées ont permis de pallier en partie à ces défauts :
- par une réduction du temps de chargement, afin qu'il soit plus proche des conditions de sollicitations réelles (essais d'ovalisation à 40 km/h) ;
par une meilleure connaissance des caractéristiques des matériaux avec l'insertion de l'essai de traction directe dans la méthodologie.
Néanmoins, il reste des progrès à réaliser, en informatisant toute la méthode d'analyse, et par une meilleure prise en compte, du nombre d'essieux de dimensionnement à partir des comptages réels ; de la température qui varie et pour laquelle il faut déterminer une température équivalente. Le calcul de cette dernière fait appel aux lois de comportement des enrobés et à la loi de Miner sur l'additivité des dommages.
- 243 -
L'introduction du phénomène aléatoire par le calcul de la probabilité de rupture montre les liaisons entre état de fatigue de la structure et surfaces dégradées pouvant être mises en défaut dans la mesure où les dégradations du type fissure observé en F·rance sur ce type de chaussée ne sont souvent que des désordres superficiels n'intéressant que la partie supérieure de la couche de surface. Ceci implique de confronter, calculs, essais sur matériaux et observations pour porter un jugement sur l'état structurel de la chaussée. ·
Cette méthode d'analyse et de surveillance des chaussées bitumineuses, appliquée pendant sa mise au point sur 25 sections témoins représentatives des chaussées françaises, est maintenant opérationnelle et fait l'objet d'applications classiques dans le cadre de la surveillance et de l'entretien des chaussées neuves renforcées du réseau routier national.
. Les éléments qu'elle fournit, permettent de définir les tâches d'entretien et de dimensionner si nécessaire le renforcement. 11 est probable qu'une fois l'expérience acquise, la méthode pourra être simplifiée et sera complétée par une méthode normalisée de dimensionnement des renforcements de chaussées bitumineuses épaisses.
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