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JOURNÉESTECHNIQUES ROUTES
1ER ET 2 FÉVRIER 2006
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ORNIERAGE DES CHAUSSEES SOUPLESJOURNÉESTECHNIQUES ROUTES
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ORNIERAGE DES CHAUSSEES SOUPLES – EXEMPLE DES ASSISESEN CALCAIRES TENDRES
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INTRODUCTION – RECHERCHES SUR LES CHAUSSEES A FAIBLE TRAFFIC
ETUDE EN LABORATOIRE DES DEFORMATIONS PERMANENTES DES GNT
METHODE DE PREDICTION DE L’ORNIERAGEEXEMPLES – COMPARAISONS AVEC DES
MESURES SUR CHAUSSEES
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INTRODUCTION
Besoin d’améliorer la méthode de dimensionnement des chaussées à faible trafic, à assises non traitées, très empirique
• Les modules des GNT sont définis à partir de critères empiriques (dureté, angularité, propreté des granulats)
• Seul critère de dimensionnement : limitation des déformations verticales élastiques εz sur le sol support :
N : nombre d’essieux de référence A, B paramètres indépendants du matériau !
Bz NA −⋅≤ε
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OBJECTIFS DES RECHERCHES SUR LES CHAUSSEES A FAIBLE TRAFFIC • Développer des méthodes d’essai pertinentes pour caractériser le comportement mécanique des GNT
Comportement élastique
Résistance à l’orniérage• Développer une méthode de calcul pour les chaussées à assises non traitées
Comportement élastique
Déformations permanentes Application au dimensionnement
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ENJEUX :• Développer une approche performantielle pour la caractérisation des GNT , basée sur des essais mécaniques, applicable à tous les matériaux, quelque soit leur origine • Faciliter l’utilisation de matériaux non traditionnels (matériaux locaux, recyclés, sous-produits industriels..) • Améliorer la durabilité des chaussées à faible trafic (optimiser les performances des matériaux et le dimensionnement)
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EXEMPLE D’APPLICATIONEvaluation des possibilités d’utilisation en chaussées à faible traffic de GNT issues de calcaires tendres locaux
Etude en partenariat avec le Service Technique des Infrastructures de Charente Maritime.
Matériaux : GNT B calcaires 0/20 mmDureté de granulats E ou F (Los Angeles de 36 à 54)• Etude en Laboratoire au triaxial• Chantier expérimental (RD 739) 5 planches dont 2 instrumentées Trafic T3
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p
p
q = F / S
CHOIX D’UN ESSAI MECANIQUE POUR LES GNT
Caractéristiques des GNT : Matériaux discontinus, de faible cohésion.Leur comportement dépend essentiellement :• des contraintes appliquées (confinement)• de la granulométrie, des caractéristiques
des grains (forme, dureté..)
Essai mécanique adapté ?Essai triaxial – chargement :• pression de confinement p• contrainte verticale q = F / S
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PRINCIPE DE L’ESSAI TRIAXIAL CYCLIQUE
σ
temps
σ1σ
3
1
σ3
σ
Application de chargements cycliques à grand nombre de cycles, simulant les chargements routiers
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UTILISATIONS DE L’ESSAI TRIAXIAL CYCLIQUE
Etude • du comportement élastique • des déformations permanentes
• Module d’élasticité caractéristique Ec,• Déformation permanente caractéristique A1c
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 70
Déformation axiale ε1 (10-4)
Con
trai
nte
axia
le (k
Pa) 1 - 5 5000200cycles : 20000
Déformation permanenteDéformationréversible
Cycle N
50 60
Classification des GNT suivant deux paramètres :
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EXEMPLES DE RESULTATS POUR LES GNT CALCAIRES TENDRES DE CHARENTE
Ec (MPa)
Ec A1c(MPa) (10-4)
S 924 60G 841 80C 817 56A 936 136P 1312 29
Très bonnes performances à ρd = 0,97 ρd OPM et w = wOPM – 2 %, surtout valeurs de module
A1c(10-4)
0
500
1000
1500
0 50 100 150 200 250 300 350 400
120
300
C1 C2 C3 C4P
SA
CG
QUARTZITEGRANITE
GRANITE-MYLONITEGNEISS
CALCAIRES TENDRES
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COMPORTEMENT SUR LE CHANTIER
Orniérage Moyen (planche A)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
nov-01 mai-02 déc-02 juin-03 janv-04 août-04 févr-05 sept-05Date
Orn
ière
(mm
)
Sens 1Sens 2
Déflexion Moyenne (planche A)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
nov-01 mai-02 déc-02 juin-03 janv-04 août-04 févr-05 sept-05Date
Déf
lexi
on (
mm
/ 10
0)
Sens 1Sens 2
Bonne concordance avec résultats au triaxial : Déflexions très faiblesOrniérage moyen, quelques valeurs > 10 mm
Sol argileux
GNT
Couche de forme traitée
31 cm
50 cm
6 cmStructure
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RESULTATS D’ESSAIS DE DEFORMATIONS PERMANENTES ( CALCAIRE TENDRE A)
0
50
100
150
200
250
300
0 50000 100000 150000 200000
Nombre de cycles
ε 1p (1
0 -4
)Δq/Δp = 1
Δq/Δp = 2
Δq/Δp = 2,5
modèle
p = (σ1+2σ3) q = 2/3 (σ1-σ3)
0
100
200
300
400
500
600
0 100 200 300 400
1
22,5
p (kPa)
q (kPa)
Chargements Cycliques Evolution des déformations permanentes
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MODELISATION DES DEFORMATIONS PERMANENTES
Choix de 2 Approches :
Loi empirique d’évolution des déformations axiales :
)q,p(g).N(f)N( maxmaxp =ε 1 Gidel (2001)
N nombre de cycles, pmax, qmax contraintes maximales
• Modèle simplifié
• Modèle de comportement incrémental, plus réaliste : Modèle élastoplastique cyclique de Chazallon (2000) Approche issue de la mécanique des sols
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PROGRAMME ORNI POUR LA PREDICTION DE L’ORNIERAGE
Méthode de calcul choisie : éléments finis (module de CESAR-LCPC)Avantages : simulation réaliste de la géométrie de la chaussée et des charge (2D ou 3D)Possibilité d’utiliser différents modèles de comportement
Complexité du problème : nécessité de simuler toute l’histoire de chargement de la chaussée : • Grand nombre de cycles. • Charges, températures, teneurs en eau, caractéristiques des matériaux variables….
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PRINCIPE DU MODULE ORNI : Principale hypothèse : pour un cycle
Calcul en 3 étapes(5) Calcul des contraintes dans la chaussée, en 3 D, pour les
différentes conditions de chargement, en considérant uniquement le comportement réversible (elastique ou visco-elastique)Utilisation du module CVCR de CESAR-LCPC
(2) Utilisation des champs de contraintes pour calculer les déformations permanentes en différents points de la chaussée, en 2D
(3) Calcul structurel des déplacements (orniérage)
ep ε< <εδ Simplification : Modélisation séparée du comportement élastique et des déformations permanentes
Actuellement, seul l’orniérage des GNT est modélisé
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CALCUL A PLUSIEURS ECHELLES DE TEMPSLa durée de vie de la chaussée est découpée en saisons, où les caractéristiques des matériaux sont constantes.Chaque saison est divisée en jours.Chaque jour est divisé en périodes, à température constante.Pour une période, on calcule un incrément moyen de déformation permanente en considérant une distribution statistique des charges (types de charges, vitesses, positions latérales).
Gain en temps de calcul, en évitant un calcul cycle par cycle
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Enrobé bitumineux – élastique linéaire
GNT : élastique non linéaire (Boyce) + Modèle empirique de déformations permanentes
Sol : élastique linéaire + Modèle empirique de déformations permanentes Chemins de contraintes dans la GNT
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250p (kPa)
q (k
Pa)
z = -0.18 m
z = -0.43 m
6,6 cm
50 cm
220 cm
GNT
SOL
Mai
llage
CVC
RC
haus
sée
PREMIERE APPLICATION : EXPERIENCE MANEGE
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• 1 seule charge : 1/2 essieu à roues jumelées de 65 kN• Pas de balayage latéral• Température constante;• Simulation de l’orniérage de la GNT /du sol
Exemple de profil d’ornière après 1 million de cycles(T = 23 °C)
PREMIERES SIMULATIONS AVEC ORNI
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0
2
4
6
8
10
12
14
0 500000 1000000 1500000 2000000Nombre de cycles
Orn
ière
(mm
)
minMoyenne expériencemaxORNI - T=23°ORNI - T=27°ORNI - T=35°
PREMIERES SIMULATIONS AVEC ORNI
ORNIERAGE DE LA GNT SEULE
ORNIERAGE DE LA GNT ET DU SOL
0
2
4
6
8
10
12
14
0 500000 1000000 1500000 2000000Nombre de cycles
Orn
ière
(mm
)
minMoyenne experiencemaxORNI - T=23°ORNI - T=27°ORNI - T=35°
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Developpement d’une approche complète pour la prédiction de l’orniérage des GNT, du laboratoire au calcul de structure de chausséePremières comparaisons avec des mesures sur chaussées encourageantes
PERSPECTIVES• Validation détaillée d’ORNI : numérique / comparaison avec des expériences sur chaussées • Application au chantier de Charente Maritime• Prise en compte de l’orniérage des enrobés • Méthode de calcul simplifiée pour le dimensionnement en développement (calcul 1D, limité aux déformations verticales)
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Application au chantier expérimental de Charente Nécessité de prendre en compte les variations des charges, des températures, des conditions hydriques ..
Température GNT (planche A)
-10
0
10
20
30
40
50
sept-01 déc-01 mars-02 juin-02 oct-02 janv-03 avr-03 août-03
Date
Tem
péra
ture
° C
Teneur en eau GNT- (planche A)
456789
10111213
sept-01 déc-01 mars-02 juin-02 oct-02 janv-03 avr-03 août-03Date
W (%
)
S8S10
Besoins : • identifier les paramètres les plus influents• prendre en compte de façon simplifiée leurs variations