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STRUC~I'URC ~l'RICOUCIIh Db CIIAUSSI:r
S La présente invention concerne une nouvelle structure de chaussée dont la
partie portante surmontant un sol comprend trois couches successives de
matériaux bitumineux collées entre elles.
Les structures de chaussées ont été pendant longtemps construites avec des
granulats naturels ou concassés, mais d'abord sans incorporation de liants
destinés à augmenter leur cohésion. Aujourd'hui, les deux techniques, avec
ou sans incorporation de liants, sont utilisées indépendamment ou de
manière combinée.
l~ Avec une telle technologie faisant appel à des structures en matériaw non
traités, la règle principale pour leur conception est la progressivité des
modules de rigidité. Les matériaux les moins perFormants sont mis en sous-
couche, en contact avec le sol avec interposition éventuelle d'une couche de
forme ; ce sont en général des matériaux de faible portance. Viennent
ensuite des matériaux plus élaborés et enfin la couche de roulement qui seule
est réalisée avec un liant bitumineux.
On indiquera dans le tableau I ci-dessus un exemple de structure classique en
matériaux non traités qui illustre la règle de progressivité des modules.
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'l'ABI.r.AIJ I
COUCI-IGS EYnISSIUR M~ITI:RII~UX MODULI:
I:LAS'I'IQUI:
Roulement 6 cm Enrobs ~~400 1'9l''a
S Base 20 cm Grave 360 lt~Il'a
Reconstitue
I-iumidifie
0/20
Fondation 25 cm Grave non 120 MPa
traite 0/31,
Sol - sol 20 Mt'a
Avec l'augmentation du trafic, sont apparues les structures en matériaux
traités. Ces matériaux sont des graves ou des sables traités soit au ciment,
ou avec un liant hydraulique apparenté, soit au bitume.
Ces structures sont conçues pour travailler en flexion et calculées en
conséquence.
l~
Dans pareil cas, la progressivité des modules entre les couches de
fondation et de base peut encore exister mais n'est pas la règle générale,
bien au contraire.
Dans la pratique, on distingue
des structures (famille Fl du tableau II ci-après) ayant des couches
de base et de fondation de méme rigidité. Ce sont en général les
mêmes matériaux ou des matériaux semblables qui composent les
2~ deus couches, et
des structures (famille F2 du tableau II ci-après) dont la couche de
base est nettement moins rigide que la couche de fondation. Dans ce
cas, la couche de base joue un rôle contre la remontée des fissures
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transversales de retrait qui se développent inévitablement dans les
couches en M~rl~f-f (Matériau Traité aux Liants Ifydrauliqucs).
Du point de vue structurel, les couches dc base et de fOlldat1011 sOllt les
couches les plus épaisses et assurent la pérennité de la structure. La
couche de surface, quant à elle, assure à l'usager sécurité et confort.
~'n l3 Lr/~ L1 1 I
Type de Semi Bitum-
struc- rigide Bton neuse Mixte Inverse
turc paisse
Couche de Enrobs Bton
roulement de Enrob Enrob Enrob
ciment
1~ Couche de MTLI-f Bton Grave
base de Grave bitume bitume GRI-I
ciment
Couche de IvITLH Bton Brave bitume M1TLII MTLII
fondation maigre
Fonction- Fl FI Fl F2 F2
nement
GRI-i . Grave Reconstituée I-Iumidifiée
Fl . Structure avec F~g z EDF
F2 . Structure avec F~g s EDF
2~
L'endommagement des structures de chaussées peut se produire selon deux
processus distincts
a) par fatigue due à des flexions répétées de la couche traitée la plus
sollicitée, en général la couche de fondation, et/ou
b) par déformation permanente qui résulte d'une pression verticale
excessive sur les matériaux non traités, en particulier sur le sol.
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Pour éviter sa rupture, le dimensionnement d'une structure de chaussée
consiste donc à limiter ces sollicitations en deçal des valeurs admissibles
qui
dépendent des performances du matériau et du trafic qu'elle devra subir, en
augmentant l'épaisseur des couches constitutives de ladite structurè.
S
En remplacement d'un système bi-couche classique, tel qu'il était connu dans
l'état antérieur de la technique, composé d'une couche de base et d'une
couche de fondation, l'objet de la présente invention propose une nouvelle
structure de chaussée dont la partie portance est constituée par un système
tricouche particulier.
I1 comprend de façon générale deux couches extérieures minces réalisées en
matériaux à hautes performances, et une couche médiane en matériau aux
performances plus modestes mais peu coûteux. L'adaptation d'une telle
1~ structure au trafic se fait par augmentation du moment fléchissant
admissible en augmentant Ie bras de levier du système, c'est-à-dire en
augmentant l'épaisseur de la couche centrale, c'est-à-dire celle faisant appel
au matériau le moins coûteux.
f0 Ainsi Ia présente invention concerne une structure de chaussée dont la
partie portante, surmontant un sol, comprend trois couches successives de
matériaux bitumineux collées entre elles, à savoir
- une couche inférieure qui repose sur le sol avec interposition
25 éventuelle d'une couche de forme, d'épaisseur H; telle que
4 cm s H; s 10 cm
et de module élastique : E;
- une couche médiane d'épaisseur 1-lm telle que
30 4 cm s Hm s 20 cm
et de module élastique F.~,, tel que
2 000 Ivl Pa < F.rt, < 8 000 1'~I Fa
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- une couche supérieure d'épaisseur I-1S telle que
4 cm s I-IS s 10 cm
et de module élastique Es,
5 lesdits modules élastiques desdites couches répondant aux relations
d'inégalité suivantes
2 < - < 10 et 2 < - < 10
Em Fer,,
convient de préciser que dans tout le texte de la description et des
revendications, on entendra par matériaux bitumineux de façon très
générale tous types de matériaux routiers, naturels, artificiels ou de
1~ recyclage, en particulier des graves et/ou des sables traités par des
liants
hydrocarbonés ou éventuellement des liants hydrauliques ainsi que des
mélanges de tels liants. A titre d'exemples de liants bituminew, on
mentionnera les bitumes purs ou modifiés, sous forme d'émulsion ou de
mousse de bitume ou encore sous forme fluidisée, avec ou sans additifs.
On précisera également que tous les modules élastiques s'entendent comme
étant déterminés dans des conditions moyennes d'utilisation, c'est-à-dire aux
températures et aw vitesses de circulation ordinaires.
2~ D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaitront
à la lecture faite ci-après en référence à l'étude détaillée du fonctionnement
d'une telle structure de chaussée, objet de la présente invention.
Selon une caractéristique additionnelle de la présente invention, les couches
inférieure et supérieure présentent des modules élastiques au moins
sensiblement identiques, et avantageusement égaux entre eux.
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Selon une autre caractéristique de l~ ~; ~~s~~nte~ invention, l'épaisseur I-I;
et
l'épaisseur I-IS des couches inférieure et supérieure sont au moins
sensiblement identiques et avantageusement égales entre elles.
S Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de la présente
invention, les couches inférieure et supérieure de ladite structure de
chaussée sont réalisées en une grave et/ou en sable traités) par un liant
hydrocarboné.
Pour la réalisation de telles couches inférieure et supérieure, on utilisera
de
préférence un béton bitumineux à module élevé, par exemple, un enrobé de
type de celui commercialisé par la Demanderesse sous la désignation BBTHM~,
c'est-à-dire un Béton Bitumineux à Très Haut Module.
1~ Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la
couche médiane de ladite structure sera réalisée en une grave et/ou un sable
traités) par un liant hydrocarboné, un liant hydraulique ou un mélange de
tels liants. A titre d'exemple de liant, on mentionnera la GRAVE-MOL'SSE:~
commercialisée par la Demanderesse.
S'il est important de préciser que les trois couches successives de matériaux
bitumineux doivent étre collées entre elles, il convient d'observer que cette
adhérence entre couches adjacentes peut ètre obtenue par tout moyen. C'est
ainsi que la mise en oeuvre successive des différentes couches à chaud ainsi
2â que la composition particulière de ces dernières peut conduire à un collage
satisfaisant, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à l'application de
couches additionnelles d'autres matériaux.
De façon avantageuse, le collage entre lesdites couches peut erre effer_tué
par
interposition d'une couche d'accrochage ou, si nécessaire, d'une couche
d'imprégnation et d'une couche d'accrochage.
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. La partie portante de la structure de chaussée, selon l'invention, comporte
une couche inférieure qui peut reposer, soit directement sur le sol, soit avec
interposition d'une couche de forme destinée à uniformiser la portance de la
structure. Une telle couche de forme est de faon classique réalisée en un
S matériau traité ou non, et peut atteindre des épaisseurs de l'ordre de 30
cm.
Une telle structure de chaussée conforme à la présente invention peut enfin,
le cas échéant, surmontée d'une couche de roulement dont la nature précise
sera choisie par l'homme du métier en fonction du trafic auquel ladite
chaussée est destinée à étre soumise. ll pourra par exemple s'agir d'un
enrobé superficiel classique d'une épaisseur d'environ 2,5 cm.
I1 importe toutefois de relever que pour certaines applications particulières,
et en raison de la nature et de la formulation de la couche supérieure, il
n'est
1~ pas nécessaire de faire surmonter la structure selon l'invention par une
couche de roulement.
L'étude du fonctionnement d'une structure de chaussée conforme à la
présente invention a tout d'abord été réalisée de manière théorique en
procédant à une modélisation, puis à des calculs numériques.
Le modèle utilisé est un système multicouche en élasticité linéaire soumis à
un chargement correspondant à deux roues jumelées de 6,5 T. Ce cas de figure
correspond à l'essieu standard fran~ais de 13 T.
2~
Les paramètres de modélisation d'une structure tricouche sur un support
d'épaisseur infinie sont indiquées ci-après.
- les couches inférieure et supérieure sont de Faibles épaisseurs
HS = I-I; = 6 cm
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s
- l'épaisseur de la couche médiane est variable en général, telle que
8cmSHms20cm
- le contraste dc module
ES
2< < 10
Em
E;
2 < < 10
- les matériaux constituants la couche supérieure et la couche
inférieure ont des caractéristiques voisines. Pour simplifier l'étude ci-
1~ après, les deux matériaux seront supposés identiques : d'où E; = ES.
De plus, on prendra pour ce matériau les caractéristiques du BBTHM~, un
enrobé à module élevé de l'Entreprise Jean Lefebvre.
La figure 1 annexée montre que les diagrammes des contraintes et des
déformations selon un axe vertical au droit de la charge sont différenciés en
fonction du rapport ES/Em.
- Lorsque la structure est constituée d'un méme matériau (ES/Em = 1 ) les
diagrammes sont sensiblement linéaires. La fler~on se traduit par de la
compression en surface et de la traction en partie inférieure.
Lorsque le contraste de module est élevé (ES/Em = 3~), par exemple en
intercalant une grave non traitée entre les deux couches d'enrobé à
module élevé (BBTHM~), les deux couches, haute et basse, fléchissent
indépendamment l'une de l'autre ce qui a pour conséquence
l'apparition de traction importante à la base de la couche
supérieure et l'augmentation sensible de ia contrainte de
flexion à la base de couche inférieure.
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La réduction du rôle joué par la couche médiane et en
particulier de son épaisseur. L'augmentation de l'épaisseur de
cette couche ne permet pas de réduire sensiblement la
contrainte de traction à la base de la couche supérieurë.
S
- Enfin dans le cas intermédiaire (ES/Em - ~1), le diagramme des
contraintes se présente sous forme de lignes brisées comme
précédemment mais avec trois différences fondamentales que sont
~ la disparition de la contrainte de traction à la base de la couche
supérieure (donc pas de risque d'endommagement),
~ la faible augmentation de la contrainte de traction à la base de
la couche inférieure par rapport à la structure monolithique,
~ conservation d'une forte dépendance entre les couches ce qui
permet de mobiliser un moment de flerzon plus important en
augmentant l'épaisseur de la couche médiane (l'effet de bras de
levier persiste).
Les valeurs déterminantes à examiner dans une telle structure sont les
déformations à chaque interface.
Elles permettent d'évaluer le mode de sollicitation (traction ou compression)
2~ et d'apprécier s'il s'agit d'un niveau critique où des phénomènes
d'endommagement pourraient prendre naissance.
Les graphiques des figures 2 à 4 annexées montrent comment varient ces
déformations en fonction du rapport ES/Em et de l'épaisseur Hm.
La déformation à la base de la couche supérieure est illustrée à la figure 2.
La base de cette couche est en ea~tension pour les forts rapports de ES/Em.
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Pour une valeur de Es = 500 NiPa (cas d'une grave non traitée d'une structure
inverse par exemple) la déformation est supcrieure à 100.10 -~ ce qui en fait
un point critique pour le dimensionnement.
S De plus, il est à noter que l'épaisseur IIm de la couche médiane a peu
d'influence sur le niveau de déformation. En fait, le seul moyen pour réduire
cette valeur est d'augmenter l'épaisseur de la couche supérieure. Pareille
solution est onéreuse, puisqu'il s'agit du matériau le plus performant.
10 Pour les faibles rapports de ES/Em , on retrouve le comportement des
structures classiques, caractérisé par des couches supérieures travaillant
entièrement en compression.
Pour les rapports intermédiaires de ES/Em, par exemple pour des valeurs Em
1S comprises entre 2000 et S 000 MPa, la déformation est positive, mais reste
suffisamment faible pour qu'il n'y ait pas de risque d'endommagement.
Les déformations dans la couche inférieure, au niveau de la fibre supérieure
sont illustrées à la figure 3.
Cette fibre est en légère compression pour les faibles valeurs de Em (S00 à
1 S00 MPa) et en traction modérée au delà.
Les déformations dans la couche inférieure, au niveau de la fibre inférieure
2S sont illustrées à la figure 4.
Cette fibre est en traction quel que soit le rapport ES/Em. Cette déformation
est
plus sensible à l'épaisseur de la couche médiane qu'à sa rigidité.
30 Un quadruplement du module Em (S 000 à 2 000 MPa par exemple) peut étre
compensé par une augmentation de l'épaisseur (I-I~,,) de 2 cm (8 cm à 10 cm).
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. Comme les couches sont collées entre elles sans risque de glissement, les
déformations dans la couche médiane sont celles des couches adjacentes.
Les plages favorables du module Em qui conduisent ~ des déformâtions par
S compression ou par faible traction sont
Em > 2 000 IvIPa pour ce qui concerne la fibre supérieure
En, < 8 000 IvIPa pour ce qui concerne la fibre inférieure.
En conclusion, il ressort de l'analyse précédente que la plage intéressante
pour le module (E~,,) est comprise entre 2 000 et 8 000 MIPa ou de préférence
encore, entre 4 000 et 8 000 MPa.
En effet, dans ces conditions
- les couches supérieure et médiane sont peu sollicitées en traction et
auront une forte durabilité, et
- la couche inférieure est la couche la plus sollicitée et son niveau de
déformation peut étre ajustée à une valeur admissible dépendant du
trafic, en faisant varier l'épaisseur de la couche médiane.
Le dimensionnement de la structure tri-couche peut ëtre déterminé comme
suit.
v
L'analyse du mode de fonctionnement de la structure tri-couche permet de
prévoir son mode de rupture. Le processus de ruine d'une telle structure
comporte trois phases qui ont été illustrées à la figure S
- fatigue de la couche inférieure du tricouche (figure Sa)
Au cours de cette première phase, seule la couche inférieure est
sollicitée en traction. Le nombre de sollicitations que peut supporter la
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structure au cours de cette phase peut étre calculé en appliquant la
méthode de calcul habituelle qui sera détaillée ultérieurement.
- fatigue de la couche médiane (figure Sb)
S
Après rupture de la première couche, la structure fonctionne
différemment. La couche médiane travaille cette fois-ci en traction et
ce mode de fonctionnement durera jusqu'à la rupture de cette couche.
- fatigue de la couche supérieure (figure Sc)
Après rupture des dew premières couches, la couche supérieure va
étre à son tour sollicitée en traction et donc subir un processus
d'endommagement.
En fait, compte tenu du mode de fonctionnement original de cette structure,
sa durée de vie est la somme de trois durées élémentaires.
Cette particularité n'est jamais rencontrée pour les structures classiques. A
titre d'exemple, on peut examiner les deux cas e~.rtrémes suivants
a) une structure avec le mémo matériau en couche de base et de
fondation (ou modèle tricouche avec ES = F.,T, = F ).
Dans ce cas, la structure est monolithique (voir figure 6a), et le
processus de ruine ne comporte qu'une phase qui est
l'endommagement de la couche de fondation. En effet, comme les
couches sont collées entre elles et qu'elles ont des rigidités au moins
sensiblement voisines, toute fissure apparue à la base de la structure
se propage très rapidement vers la surface. Cette phase de propagation
est négligeable devant la phase d'amor~age de Ia Cssure. Dans le cas de
la structure tricouche, la présence d'une couche médiane nettement
moins rigide, bloque la propagation de la fissure et une nouvelle phase
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d'amorGage est nécessaire pour que le processus dc ruine puisse
progresser.
b) une structure inverse (ou modèle tricouche avec E", s L; et ES).
S
Dans un tel cas de figure, il y a endommagement simultané de la
couche inférieure et de la couche supérieure (voir figure 6b) et il
Il'y a pas sommation des durées de vie des couches.
Pour illustrer l'amélioration de durée de vie de la structure tricouchc
selon l'invention, le calcul proposé pour illustrer la démarche a porté sur
la structure suivante
6 cm de BBTHM~ + 8 cm de G(~f + G cm de BBTI-Wf~ sur une plate-forme PF2.
1J
G1'I désignant une grave traitée à la mousse de bitume, cnparticulier la
Grave-Mfousse~.
La modélisation des trois phases est présentée dans le tableau III ci-après
TABI.l:nI1 I1I
Couche lre phase 2me phase Sme phase
suprieure 17 $00 17 800 17 800
mdiane S X00 ~ S00 1 100 (*)
infrieure 17 800 3 X00 (*) 3 X00 (*)
Module des couches (MPa) en fonction de leur état d'endommagement
(intact ou cassé *).
Les déformations critiques calculées sont les suivantes
- lère phase : 8~,5 10-~ à la base de la couche inférieure
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- 2ème phase : 112 10-6 à la base de la couche médiane
- 3ème phase : 87,6 10-6 à la base de la couche supérieure.
Les caractéristiques en fatigue nécessaires aux calculs sont donnéès dans le
S tableau IV ci-après
TABL~AL1 IV
Epsilon 6 Pcntc SN SII
BBTHM~ 132 10~ 0,175 0,29 1 cm
Grave-Mousse~ 109 l~~ 0,126 0,6 1 cm
La durée de vie de chaque couche est calculée à partir de la formule ci-après,
conformément au guide technique fran~ais de conception et de
dimensionnement des structures de chaussées.
N b
o e6 . K~. Kr. KS
106
avec e~ . déformation à la hase des couches bitumineuses
e6 , déformation qui aboutit à une durée de vie équivalente à 106
cycles
N . nombre de cycles
Kç . coefficient de calage
I~ - 1 pour le BBTHM~
ICI - 1,3 pour la Grave-Mousse~
K~ : est un coefficient qui ajuste la valeur de la déformation
admissible au risque de calcul retenu en fonction des
facteurs de dispersion sur l'épaisseur (écart-type Sh) et sur
les résultats des essais de fatigue (écart-type SN)
K~ - 1 Q -uba
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u . variable centrée réduite associée au risque r
b . pente de la loi de fatigue du matériau (loi bi-
logarithmique)
b . écart-type de la distribution de logN à lâ rupture
5
a = [SNZ + (cZ/bZ) Shz]o.s
c : coefficient reliant la variation de déformation à
la variation aléatoire d'épaisseur de la chaussée,
10 oh, (loge - logeo - c ~h).
Pour les strutures courantes, c est de l'ordre de
0,02 cm.t.
KS . le coefficient de plate-forme. Il vaut 1 dans le cas qui nous
15 concerne.
Pour les calculs qui suivent, on prendra U = 2,0~ ce qui correspond à un
risque de rupture de 2 96 (risque habituellement retenu pour les chaussées à
fort trafic).
Pour calculer la durée de vie de la structure tricouche, on a déterminé la
densité de probabilité de rupture de chacune des trois couches représentée à
la figure 7 annexée.
?5 La probabilité de rupture du tricouche qui est le produit des probabilités
de
rupture de chacune des couches est données à la figure 8 annexée.
On y observe que pour un risque de rupture de 2 9'0, la durée de vie escomptée
est telle que
log(N) - 7,0-1
soit N - l I.10~
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1G
I1 convient d'observer que l'épaisseur d'une structure monolithique
(constituée de BBTf-ilvl~ uniquement) équivalente en durée de vie est de 2~ cm
et de 38 cm pour une structure en grave bitume classique, valeur qui est
comparer aux 20 cm de la structure tricouche.
Les performances mécaniques de Ia structure tricouche selon l'invention
permettent de réaliser d'importantes économies des matières. Le tableau V ci-
après donne le bilan matières de trois structures équivalentes en durée de vie
construites sur des supports identiques
- la première est une structure tricouche constituée de 20 cm de
matériaux (6 cm de BBTHM~ + 8 cm de Grave-Mousse~ + 6 cm de
BBTHM~).
25 - la seconde est une structure monolithique constituée par 2~ cm de
BBTHM~. I1 est à noter que ce type de matériau est aujourd'hui ie
matériau le plus performant permettant les structures les moins
épaisses.
- la troisième est aussi une structure monolithique constituée par 38 cm
de grave bitume de classe 2 (GB2).
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'l'ABLEALI V
'l'ricou- BB'I'lIMGli2
chc
' paisseur (cm) 2 X 6 23 38
BBTFUt~ Masse
surfacique
ou (kg/m2) : 281 591 816
GB2 - des granulats16 3=.t 3~
- du bitume 300 62~ 8~0
- TOTALE
paisseur (cm) 8 - _
Masse
Grave- surfacique
I~fousse~{kg/m2) : 170 - -
- des granulats6 - _
- du bitume 176 - _
- TOTALE
paisseur (cm) 20 + 25 + 90 g'o
g'o
Masse
l~ Total surfacique
(kg/mz) : 4~~1 + 30 + 80 9'0
g'o
- des granulatsZ~ + ~~ + SS g'o
~'o
- du bitume X76 + 31 + 79 g'o
9'0
- TOTALE
Ce bilan matières fait ressortir les avantages suivants par rapport à la
structure classique la plus performante
?0 - une économie très importante du matériau le plus cher, c'est-à-
dire plus de la moitié de bitume ;
- une économie de granulats {30 g'o} qui génère de plus des
économies de transport et de mise en oeuvre ;
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is
- une réduction d'épaisseur qui, dans le cas de décaissements en traverse
d'agglomération, conduit à des économies de terrassement.
Un exemple de structure tricouche a été testée sur le manège de fatigue du
S Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) à Nantes, dans 1e but de
définir le mode de fonctionnement réel et de vérifier sa tenue en fatigue.
La structure de chaussée définie en figure 9 a été construite avec du matériel
classique et selon les méthodes habituelles utilisées en technique routière.
En
ce sens, la planche d'essais est bien représentative de la technique à
étudier.
Outre la Grave Reconstituée Humidifiée (GRH) utilisée en couche de forme, la
structure tricouche comporte deux types de matériau.
a) Le BBTHM~
I1 s'agit d'un enrobé à module élevé de granularité 0/10 comportant
90 9'o de granulats concassés issus de roches massives et I0 46 de sable
naturel roulé. Le liant est un bitume dur de grade i0/20 dosé à 5,8 ppc.
Cet enrobé est conforme à la norme NPF 98 128 définissant les enrobés
à module élevé (EME de classe 2).
Les principales caractéristiques mécaniques de cet enrobé sont
2~
- module complexe à 15°C et 10 I-Iz
/Ek/ = 17 800 MPa
- résistance à la fatigue (essai â déformation imposée)
déformation admissible à 10~ cycles
( 1 ~°C - 10 Hz) : E~, = 13 Z 1 o-~
pente de la droite de fatigue : b ---- -0,17
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b) La Grave-Mousse~
La Grave-1'~fousse~ est un matériau d'assise fabriqué par incorporation
de bitume chaud sous forme de mousse dans des granùlats non
chauffés.
La granularité est celle d'une Grave Reconstituée 1-fumidifiée (GRI-I)
avec une courbe pleine qui présente de bonnes caractéristiques de
stabilité à court terme. La formule mise en oeuvre, de granularité 0/10,
est composée entièrement de granulats concassés issus de roches
massives. La teneur en bitume est de 3,5 ppc. I1 s'agit d'un bitume
choisi pour sa moussabilité et sa dureté moyenne de grade 70/100.
Les principales caractéristiques mécaniques de ce matériau sont
- module complexe à 15°C et 10 Hz
S S 00 ht Pa
- résistance â la fatigue ( 1 S°C et 10 Hz}
ef, = 109 10~
pente de la droite de fatigue : b = - 0,1?b
Déroulement de l'essai de fatigue
L'essai de fatigue s'est déroulé en quatre phases de chargements progressifs
(figure 10)
- La première est une phase de préchargement. Elle a pour but de
recréer les conditions habituelles de mûrissement des matériaux et en
particulier celui de la Grave-Nlousse~ qui semble étre accéléré par
l'effet du trafic.
Cette phase, réalisée en Novembre 1994, a comporté environ 70 000
passages de roues jumelées lestées à 4,5 T.
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- La deuxième phase, qui constitue l'essentiel de l'essai de fatigue, a
démarré en Août 199 après achèvement des expérimentations en cours
sur deux autres anneaux du manège. Le nombre de passages
prévisionnel de cette phase était de l,~ million. En fait, elle a -comporté
5 2,1 millions de passages de roues jumelées lestées à 6,5 T, charge qui
correspond à un essieu de 13 T, l'essieu de référence fran~ais. La
deuxième phase s'est achevée en Novembre 1995.
La troisième phase, prolongée par la quatrième, avait pour but
10 d'évaluer la résistance limite de la structure neuve qui, au stade
précédent, ne présentait aucun signe extérieur de fatigue. Au cours de
ces deux phases, les roues jumelées ont été lestées à 7,5 T pour 100 000
passages puis à 8,~ T (essieu standard en surcharge à 17 T) pour 500000
autres passages.
L'essai a été arrêté après que les structures aient subi l'équivalent de
4,7 millions de passages d'essieux de 13 T.
Au cours de cette période, les conditions hydriques et thermiques ont
évolué. Elles sont précisées sur les figures 11 (niveau de la nappe
phréatique) et 12 (températures dans la structure).
Ce nombre d'essieux équivalents a été déterminé comme suit
?~ pr - mb
Neq = ~ n; ---
6,5
Tout au long de l'essai de fatigue, la structure a été auscultée par des
mesures
réalisées en surface (déflexion, profondeur d'ornière, relevés visuels) ou
dans le corps de la structure (jauges de déformation, ovalisation).
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Les mesures de déflexion sont présentées en figure 11. Elles sont mesurées
sous le jumelage en service au moment de l'essai dont la masse varie de 4,S T
au début à 8,S T en fin d'expérimentation.
S Ces valeurs brutes ont fait l'objet d'une correction proportionnelle à la
charge pour les ramener à la charge du jumelage standard fran~ais (6,S T).
11 est à noter que les deux premiëres valeurs mesurées sous une charge de
4,S T l'ont été avant la mise en oeuvre de la deuxième couche de BBTHM~.
I1 apparais clairement sur ce graphique que la déflexion varie avec la
température mesurée dans la structure.
Une analyse détaillée du phénomène montre que cette variation est linéaire
1S (figure 12) et qu'à une variation de température de 1°C correspond
une
variation de la déflexion de 2/100 mm.
Corrigée des variations de charge et de température, la déflexion n'évolue
pas de maniêre significative sauf en fin d'expérimentation où la légère
augmentation constatée peut ètre attribuée au niveau élevé de la nappe
phréatique. Ces constatations laissent à penser que la structure n'a plus été
endommagée au cours de l'essai de fatigue.
La mesure de la profondeur d'ornière ou l'orniérage dans la bande de
2S roulement est mesurée au transversoprofilographe.
Le graphique de la figure 13 montre l'évolution de ce paramc~tre au fil des
chargements.
L'orniérage initial après mise en oeuvre de la troisiéme couche est de S mm ;
il correspond plus à un défaut de profil en travers généré lors du compactage
qu'à une évolution sous trafic. Ensuite l'orniérage croit linéairement avec le
nombre de chargements, mais de manière très lente à raison de 1 mm par
million de passages du jumelage de 6,5 T.
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Le comportement de la structure vis-à-vis de l'orniérage est donc très
satisfaisant, tant du point de vue fluage des couches bitumineuses qu'au
niveau de la déformation permanente du sol support que la structure protège
efficacement.
Il convient de noter qu'au cours de l'expérimentation, aucune dégradation
n'a été constatée en surface.
Au cours d'un essai d'ovalisation, les déformations d'un trou de carottage
sont
IO mesurées au passage de la charge. L'exploitation des résultats permet de
retrouver le déformations dans la structure avant carottage, donc en
fonctionnement normal.
Deux essais ont été réalisés, l'un dans la bande de roulement ayant subi
d'éventuels endommagements par fatigue ( 1,645 million de passages), l'autre
hors de cette bande. Ce dernier essai est représentatif du fonctionnement de
la structure avant tout endommagement.
Au cours de l'essai sur la structure non endommagée, le diagramme des
déformations ainsi déterminé (figure 14) montre des profils relativement
continus conformes à celui calculé à l'aide du modèle numérique.
Au cours de l'essai dans une zone circulée, les diagrammes obtenus dans cette
zone (figure 15) présentent une brusque variation dans la moitié inférieure
?~ de la couche médiane. Ce type de profils suggère un plan de glissement à ce
niveau (une découpe réalisée plus tard dans la structure a confirmé cette
hypothèse).
La modélisation de ce phénomène par une simple interface glissante conduit
à des déformations excessives. Une bonne concordance a été obtenue en
modélisant cette zone dégradée par une couche mince de 1,5 cm d'épaisseur et
de rigidité faible de 500 MPa. Cette rigidité correspond sensiblement à celle
d'une grave non traitée. L.es ajustements ainsi obtenus sont présentés en
figure 16.
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Au cours des essais destructifs, des carottages et des découpes ont été
réalisés
dans la structure à la f in de la phase 2.
Les carottages ont confirmé la présence d'une surface de rupture ~ la partie
S basse de la couche médiane au droit de la bande de roulement. Par contre,
les
carottes prélevées hors de la bande de roulement étaient intactes.
Les découpes transversales ont confirmé ce diagnostic. Elles ont permis de
visualiser cette surface de rupture et montré qu'elle se limitait à la bande
de
roulement.
Cette constatation indique qu'il s'agit bien d'une rupture par fatigue de la
Grave Mousse~ et non pas un défaut prée~stant.
La surface de rupture étant horizontale, elle ne résulte pas d'une fatigue par
flexion qui aurait conduit à une fissuration verticale. Elle serait plutôt la
conséquence d'une fatigue par cisaillement. Le calcul de la contrainte de
cisaillement dans la couche médiane confirme cette hypothc~se.
Les graphiques de la figure 17 montrent en effet que la contrainte de
cisaillement sous les roues du jumelage atteint une valeur de 0,2 MPa. A cette
valeur correspond une déformation de l'ordre de 70.10 (pour un module de
4 000 MPa et un coefficient de poisson de 0,35) qui est tout à fait
significative
pour ce matériau dont la valeur admissible pour un million de cycle est
~= 109.10-
De plus, ce maximum est relativement constant sur toute l'épaisseur de la
couche médiane alors que la contrainte verticale décroit fortement avec la
profondeur ce qui est favorable au développement du plan de fissuration en
partie basse de cette couche.
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2 ~4
Cette structure tricouche présente un mode de rupture peu habituel qui
diffère du mode de rupture décrit précédemment. En fait, il s'agit d'un des
modes possibles d'un processus plus général présenté en figure 18.
S En conclusion, cette expérimentation a montré qu'il est possible de
minimiser le coût d'une structure de chaussée par un choix judicieux des
matériaux en fonction de leurs caractéristiques mécaniques.
L'approche théorique a permis de définir le rapport des rigidités des
matériaux pour que le fonctionnement de la structure soit optimal
(ES=E; etlO>E~En,>2).
L'expérimentation au manège de fatigue du LCPC à Nantes a permis de
vérifier le fonctionnement d'une telle structure construite en vraie
1~ grandeur par des moyens habituels. Le fonctionnement de la structure s'est
avéré conforme aux prévisions de la modélisation et s'e.st traduit par une
excellente résistance au trafic.
En fin d'expérimentation, la planche d'essais ne présentait aucune
dégradation malgré les 2,7 Ivi de passages dont 600 000 en surcharge par
rapport à l'essieu légal fran~ais. Le trafic total équivalent correspond ~
environ S millions d'essieux de 13 T.
