Soutenance thèse mp2014-gerstc

1

Mathieu Preteseille27/03/14

Comportement à la fatigue mécanique des sols traités aux liants hydrauliques dans les plates‐formes des structures ferroviaires pour LGV. 

Modélisations numérique et expérimentale de leur comportement.

Directeur de thèse: Pierre HornychEncadrant: Thomas Lenoir

Thierry Dubreucq

Référents RFF: Olivier CazierAlain Ducreau

Présentation du contexte

2

Carte de France des projets ferroviaires (2013)

Objectif: rationnaliser le cout économique et environnemental

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Caractéristiques d’une plate‐forme LGV

Profil en travers type LGV (IN3278)

Transposition de la démarche routière au ferroviaire?

Les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ? 

Emploi des sols traités pour la couche de forme des LGV

Approche routière (1/2)

4

Ligne d'influence de la contraintelongitudinale au point A (Dac Chi, 1981) 

kr,kd,kc et ks: coefficients de calage et d’ajustement

NE: nombre d’essieu équivalent6 : contrainte conduisant à la rupture en traction par flexion pour un million de cycles de chargement ;b : exposant de la loi de fatigue.

Critère de dimensionnement en fatigue

Deux méthodes pour déterminer 6 et b

Approche routière (2/2)

5

NF‐P98‐232‐4

39 éprouvettes2 mois d’essai

NR f

log1

6  = 0.95*Rtb: valeur forfaitaire (‐1/15)

Courbe de fatigue pour un sable traité (Dac Chi, 1981)

METHODE FORFAITAIRE

METHODE EXPERIMENTALE

Problématique et plan de travail

6

1. Connaître l’état de contrainte de la couche de forme

• Choix de la loi de comportement et de ses paramètres pour les sols traités.

• Modélisations numériques (CESAR‐LCPC et ViscoRoute© 2.0)

3. Connaître les performances à long terme des sols traités

Réalisation d’essais de fatigue sur des sols traités

2. Choix de l’essai pour reproduire cet état de contrainte

Comparaison des chemins de contrainte dans la couche de forme et ceux induits par des essais de laboratoire

Structure et chargement différents

Durée de vie de cent ans 6 8

Etat de contrainte différent30 Hz

Transposition de la démarche routière au ferroviaire?

Les performances en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ? 

Performances mécaniques statiques des sols traités

7

Compression simple

Traction indirecte

Matériau évolutif au cours du temps; Résistance à la compression de plusieurs MPa et une résistance à la traction 5 à 10 fois inférieures

= 0.2 à 0.3

Comportement mécanique des sols traités

8

Comportement mécanique proche de l’élasticité linéaire à faible niveau de contrainte

Graphique contrainte‐déformation en compression pour une argile traitée à 20% de cendres volantes(Kolias et al., 2005).

Module d’élasticité compris entre 1000 et 10 000 MPa

argile + 20% de cendres volantes 

9

Couplage des modélisations?ETUDE PARAMETRIQUE

7 modules: 100, 500, 1000, 2000, 5000, 7000 et 10 000 MPa

Pour la couche de forme:

Modélisation du rail et des traverses impossible avec 

ViscoRoute© 2.0

Répartition des charges sous les traverses avec un modèle éléments finis 

CESAR‐LCPC

Etude des contraintes dans la structure avec 

ViscoRoute© 2.0 pour l’ensemble des cas

OPTIMISER L’EPAISSEUR DE LA COUCHE DE FORME

10

Paramètres de la modélisation éléments finis (CESAR‐LCPC)

Approche statique basée sur les travaux de Al Shaer

30 et 4

040 cm ‐ str130 cm ‐ str3

(Shaer, A.A., et al., 2008)

11

Cas de chargement (CESAR‐LCPC)

Coefficient dynamique de 1.5 pour V = 300 km.h‐1

(Eisenmann 1977; Riessberger 1995)

Cas de chargement le plus défavorable (CESAR‐LCPC)

12

Compression

Traction

L’application de la charge au centre d’une traverse est donc le cas le plus défavorable.Pour la suite seul le cas de chargement au centre de la traverse est étudié.

Répartition de la contrainte longitudinale xx dans la couche de forme

Sur la traverse Entre deux traverses

eCDF = 40 cmECDF = 5000 MPa

0.240 MPa 0.233 MPaContrainte de traction maximale

Répartition des contraintes sous les traverses (CESAR‐LCPC)

13

Distribution de la charge sur les traverses Répartition de la charge sous les traverses les plus sollicitées dans le sens latéral

Z

X

Z

Y

Z

X

Y

Paramètres du modèle semi‐analytique (ViscoRoute© 2.0)

14

Application de la répartitionde la charge déterminéeprécédemment directementà la surface du ballast

Comparaison des résultats des deux modèles

15

Faible différence entre les deux modèles au niveau de la contrainte maximale

Le modèle ViscoRoute © 2.0 peut être utilisé pour étudier l’état de contrainte dans la 

couche de forme

eCDF = 40 cmECDF = 10 000 MPa

La contrainte maximale est localisée au centre de la 

traverse à la base de la couche de forme

Répartition des contraintes au droit du point de la contrainte maximale (ViscoRoute© 2.0)

16

La valeur de la contrainte maximale est liée au module et son ordre de grandeur est comprise entre 0.1 à 0.4 MPa pour des modules allant de 1000 à 10 000 MPa

Abaque de la contrainte en fond couche en fonction du module et de l’épaisseur de la couche (ViscoRoute© 2.0)

17

Chemins de contrainte dans la structure

a=1.49

18

eCDF = 40 cm ECDF = 5000 MPa

Chemin de contrainte indépendant du module et de l’épaisseur de la couche 

de forme

Quel essai de laboratoire permet de reproduire ce chemin de contrainte?

Chemins de contrainte pour différents essais

19

Flexion trapézoïdale

Flexion 3 et 4 points

Ces essais sont uni‐axiaux et ne permettent pas de 

reproduire les chemins de contrainte dans la LGV

Il faut un essai bi‐axial

Matériaux traitésNF‐P98‐232‐4

ESSAIS NORMALISES

Mélanges bitumineuxNF‐EN 12697‐24 

Chemin de contrainte pour l’essai  de flexion bi‐axial

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L’essai BFT permet de reproduire les chemins de contrainte dans la LGV

(Kim et al., 2013)

Quels essais pour caractériser le comportement en fatigue ?

21

Essai normaliséEssai disponible

Plus proche de l’état de contrainte réel

APPROCHE ROUTIERE MODELISATION

Caractérisation géotechnique des matériaux 

22

Banc d’essai dédié à l’étude du béton

23

Eprouvette

Le banc d’essai doit être adapté aux sols traités

Liaison souplee = 7 mm

Capteur de force

Capteur de déplacement

Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (2/3)

24

Premier problèmeConfection des éprouvettes

Moule pour la confection des éprouvettes

Gradient de densité pour une éprouvette de sol CSG

Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3) 

25

Deuxième problèmeApplication de l’effort

Etude de la liaison souple 

Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3)

26

SolutionRedimensionnement de la lame souple 

e = 1.5 mm

E = 1000 MPa

Deuxième problèmeApplication de l’effort

Béton Sol traité

Configuration de l’essai de flexion deux‐points adaptée aux sols traités

27Validation des modifications

Eprouvetteprotégée

Liaison souplee = 1.5 mm

Capteur de force Capteur de 

déplacementAccéléromètre

CONFIGURATION ESSAI CYCLIQUE

Validation expérimentale de l’essai de flexion trapézoïdale

28

Cas monotone:Chargement jusqu’à 50 daN à 10 N/s

Cas cyclique:Chargement sinusoïdale à 42 daN à 30 Hz

PROTOCOLE DE VALIDATION

Eprouvette de référence (E = 3300 MPa)

Validation expérimentale du cas monotone

29

Module réel:E = 3300 MPaModule expérimentale:E = 3360 MPa

Répartition des contraintes conforme à l’analytique

Différence de ‐2.3% 

Différence de 1.1% 

Détermination du module d’élasticité avec précision

Validation expérimentale du cas cyclique

30

Module réel:E = 3300 MPaModule expérimentale:E = 3277 MPa

Répartition des contraintes conforme à l’analytique

Différence de 1.2% sur J3et de ‐6.0% sur J8

Différence de ‐0.7% 

Détermination du module d’élasticité en cyclique avec 

précision

Régime transitoire

Régime permanent

Courbes de fatigue en flexion deux‐points

31

CSG

Sol CSG Sol AD Sol ASE9/25 éprouvettes 10/18 éprouvettes 16/16 éprouvettesRf = 1.10 MPa  Rf = 0.71 MPa  Rf = 1.13 MPa E = 5704 MPa  E = 4230 MPa  E = 5068 MPa  = 0.0291  = 0.0275   = 0.0305  

8 = 0.53 MPa  8 = 0.29 MPa  8 = 0.49 MPa

Epaisseur de la couche de forme pour les trois sols traités 

32

6 = 0.95*Rt ?Sol CSG 6 = 1.74* RtSol AD 6 = 0.94* RtSol ASE 6 = 1.35* Rt

Dimensionnement  de l’essai bi‐axial (contrainte)

33

ASTM 2009

Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959

DL /2 = 70 mm

Valeur pour r < DL/2

r (mm)

Dispositif d’essai pour l’essai bi‐axial

34

Etude expérimentale pour valider les hypothèses de calcul 

Eprouvetteprotégée

Capteur de force + Accéléromètre

Capteurs de déplacement

Dispositif(s) d’appui

Validation expérimentale de l’essai bi‐axial

35

Cas monotone:Chargement‐déchargement de 0 à ‐1.5 kN

pour a = 0 et a =/4

Cas cyclique:Chargement sinusoïdale de ‐0.2 à ‐1.5 kN

à 5 Hz

PROTOCOLE DE VALIDATION

Dispositifs d’appuis:1. Aucun dispositif (référence)

2. Téflon‐néoprène (1.6 mm)‐Téflon (Kim et al., 2013)3. Néoprène (ASTM 2009)4. Téflon‐carton‐Téflon

5. Téflon

Validation expérimentale du cas monotone de l’essai bi‐axial (contrainte)

36

1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon

3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon

5. Téflon

Cas 1 et 2 satisfaisant

Analytique: 62.8 µdefNumérique: 62.6  µdef

Cas Moyenne(µdef) Ecart type Différence

1 58 6.4 ‐7.6%

2 65.6 6.2 4.4%

3 65.6 27.3 4.4%

4 59.7 14.2 ‐4.6%

5 60.3 9.4 ‐4.0%

Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (contrainte)

37

1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon

3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon

5. Téflon

Cas 1 correct Test d’autres dispositifs d’appuis

Analytique: 54.4 µdefNumérique: 54.3  µdef

Cas Moyenne(µdef) Ecart type Différence

1 46.7 2.2 ‐14.2%

2 50.6 8.9 ‐7.0%

4 50.2 6.2 ‐7.7%

5 46.9 6.3 ‐13.8%

Rupture des éprouvettes des essais monotones sur le sol CSG

38

Avec néoprène et téflon

Aucun dispositif

RfBFT = 1.05 MPa RfBFT = 1.21 MPa

Résultats des essais monotones 

39

Rft = 1.13 MPa (0.05)

RfBFT = 0.96 MPa (0.11)

RfBFT = 0.85 Rft

Essai bi‐axial:

Trapèze:

ASE

Résultat en contradiction avec la littérature sur le béton et les céramiques

Courbe de fatigue pour le sol CSG

40

8 = 0.55 MPa

CSG

Conclusions

41

I°) Modélisation d’une structure ferroviaire

II°) Etude des chemins de contrainte

III°) Réalisation des campagnes expérimentales

A l’échelle du laboratoire les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont compatibles avec la 

pérennité des ouvrages pour LGV

Perspectives

42

A court terme:

Perspectives

43

A court terme:

?

Perspectives

44

A court terme:

Extrait du GTR

6 ou 8 =  Rt

Forfaitaire VS Expérimental

Perspectives

45

A moyen et long termes: "FABAC" (Fatigue du Béton Armé Continu)

46

MERCI DE VOTRE ATTENTION

Synthèse des essais mécaniques

47

Influence de l’évolution des caractéristiques mécaniques sur la contrainte en fond de couche de forme (approche empirique)

48

Méthodologie routière:6 = 0.8*0.95*Rit

Etude de la déflexion, définition des paramètres

49

Avec : n nombre d’éprouvettes testées en cyclique

Etude de la déflexion initiale

50

AD

ASE

CSG

Etude de la déflexion en fonction du nombre de cycle à la rupture

51

AD ASE

CSG CSG

52

Chemins de contrainte pour différents essais 

53

Compression simple (UCS); Traction Directe (DTS); Compression diamétrale (IDTS)

Triaxial

54

Courbes de fatigue en flexion deux‐points

55

Rf = 1.10 MPa E = 5704 MPa8 = 0.53 MPa

AD ASE

CSG

Rf = 0.71 MPa E = 4230 MPa8 = 0.29 MPa

Rf = 1.13 MPa E = 4230 MPa8 = 0.49 MPa

Comparaison des approches empiriques et expérimentales

56

Rf = 1.10 MPa6 = 0.66 MPa‐1/ = 14.9

AD

ASE

CSG

Rf = 0.71 MPa6 = 0.44 MPa‐1/ = 15.8

Rf = 1.13 MPa6 = 0.65 MPa‐1/ = 14.2

METHODE EMPIRIQUE

METHODE EXPERIMENTALE

Rf = 1.8  à 2 * Rt6 = 0.95 * Rt‐1/ = 12

Rf = 0.68 à 0.76 MPa6 = 0.36 MPa

‐1/ = 12

Rf = 0.85 à 0.94 MPa6 = 0.45 MPa

‐1/ = 12

Rf = 0.86 à 0.96 MPa6 = 0.46 MPa

‐1/ = 12

Rf = 2.9 * Rt6 = 1.74 * Rt

Rf = 1.5 * Rt6 = 0.94 * Rt

Rf = 2.35 * Rt6 = 1.35 * Rt

RAPPORTSREELS

Rt = 0.38 MPa

Rt = 0.47 MPa

Rt = 0.48 MPa

La méthode empirique est très conservatrice

Cure différente pour le sol CSG

Répartition des contraintes dans la structure (ViscoRoute© 2.0)

57

eCDF = 40 cmECDF = 5000 MPa

Profondeur

La contrainte maximale est localisée au centre de la traverse à la base de la couche de forme

Dimensionnement  de l’essai bi‐axial (déflexion)

58

ASTM 2009

Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959

DL = 140 mm

Valeur au centre de l’éprouvette

r (mm)

Validation expérimentale du cas monotone de l’essai de bi‐axial (déflexion)

59

1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon

3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon

5. Téflon

Cas 1 et 5 satisfaisant

Moyenne

Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (déflexion)

60

1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon

3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon

5. Téflon

Aucun cas satisfaisant

Moyenne