9 La méthode française de dimensionnement - · PDF filedes rares chaussées en béton s’inspirait des règles américaines fondées sur le modèle de Westergaard (1927). ... de

fournissent un premier outild’analyse du mode de fonctionnement et des éventuels désordres

des chaussées existantes et déterminent les modifications

à apporter aux structures(enlèvement, retraitement,

apport de matériaux).

Les méthodes en vigueur peuvent se classer principalement en deux catégories :> Les méthodes de type empirique, baséessur l’observation en grand nombre du comportement de chaussées existantes(dont certaines construites spécifiquementen vue de l’élaboration de la méthode) et induisant des corrélations entreconditions de trafic et climatiques à supporter et type de structure,épaisseurs des couches à adopter.> Les méthodes de type semi-empiriqueou « rationnel », qui ne sauraient se dispenser de l’apport « terrain »,mais qui reposent aussi pour une certainepart sur l’utilisation de modèles« mécanistiques » de comportement des matériaux et structures de chaussées.Cette double approche sert non seulementau dimensionnement des projets,mais est également utilisée dans la phasemême d’élaboration de la méthode afin de réduire la part d’observations de terrain à réaliser. L’importance allouéeaux modèles varie d’une méthode à l’autre, même si, finalement,beaucoup de ces méthodes se rejoignent par l’utilisation de modèles multicouches élastiques.

Les méthodes de dimensionnementintègrent également un corpus de règlestechniques et recommandations portantsur les conditions de construction et réalisation des chaussées (contraintestechnologiques, profils transversaux,dévers, etc.) et font référence pour les chaussées routières aux règles de tracé en long, qui relèvent d’un ensemble d’autres documents.

Dans le domaine routier, le besoin de méthodes de dimensionnement dûment explicitées s’est véritablement fait ressentir avec la forte expansionéconomique des pays d’Amérique du Nordet d’Europe de l’Ouest, qui a suivi la Seconde Guerre mondiale et qui se révélait indissociable de l’amélioration et du développementdes réseaux routiers pour le transport des biens et des personnes.

Honoré GOACOLOUEurovia

Jean-Michel PIAULaboratoire central des Ponts et chaussées

(LCPC)

Jean-Maurice BALAYLCPC

Hugues ODÉONLaboratoire régional des Ponts et chaussées

(LRPC) Strasbourg

Jean-Claude PETITGRANDLaboratoire régional de l’Ouest parisien (LROP)

Rolf KOBISCHLRPC Saint Brieuc

Michel PAILLARDLRPC Autun

Emmanuelle FRÉNÉATScetauroute

Patrick LERATService technique des bases aériennes (STBA)

�Finalité et définition des méthodes de dimensionnement des chaussées

Historique

Les chaussées (routières, ferroviaires,aéroportuaires, de tramway, industrielles,etc.) sont des structures composites,multicouches, plus ou moins complexes,conçues pour résister sur l’ensemble de leur durée de vie aux multiplessollicitations mécaniques (liées principalement au passage de charges lourdes) et climatiques (cycles de température, pluie, gel, UV,etc.), qui l’une après l’autre, sapentimperceptiblement les performancesinitiales des matériaux et de leurs interfaces.

L’objectif premier des méthodes de dimensionnement des chaussées est de fixer les règles qualitatives et quantitatives permettant à l’ingénieurde choisir et concevoir le profil verticaldes structures de chaussée, compte tenudes données des projets (durée de vie,trafic annuel, climat, contraintes de réalisation, etc.) et de la politiqueéconomique des maîtres d’ouvrage(investissement initial, budgetd’entretien/renforcement).Dans le cas de chaussées neuves,les méthodes de dimensionnement des chaussées favorisent la préconisationdes différentes solutions techniquesadmissibles et, pour chacune d’entre elles,le scénario prévisible d’entretien.Le choix de la solution incombe,au final, au maître d’ouvrage.

Dans le cas des études de renforcement,les méthodes de dimensionnement

Leur élaboration s’est faite de façonprogressive aux échelons nationaux,souvent sur la base de principes distinctsd’un pays à l’autre, et leur améliorationest toujours d’actualité.

Retraçons brièvement cet historique pour la France.

Jusqu’aux années 50, les structures de chaussée routière utilisées en Franceétaient peu diversifiées ; la quasi-totalitéd’entre elles étaient à assises granulaireset dimensionnées le plus souvent de façonempirique par analogie avec les chausséesexistantes, plus rarement en utilisant la méthode américaine CBR (CalifornianBearing Ratio). Le dimensionnement des rares chaussées en béton s’inspiraitdes règles américaines fondées sur le modèle de Westergaard (1927).

En 1959, MM. Jeuffroy et Bachelezpublient une série d’abaquescorrespondant au fonctionnement de structures tricouches élastiques selon une méthode proche de celle de Burmister.Les chaussées se diversifient avec l’introduction, notamment,de couches d’assises traitées aux liantshydrauliques pour faire face à l’augmentation du trafic.

Sous cette impulsion, l’Administrationoriente, dans les années 60, la doctrinefrançaise vers une démarche rationnellequi profite, d’une part, du développementdes moyens d’essais sur matériaux de chaussée et de leur approcheperformantielle (module d’élasticité,module complexe, essai de fatigue) et, d’autre part, des moyens d’auscultation (déflectographe Lacroix et extensomètres notamment),permettant une meilleure compréhensiondu fonctionnement des structures et du rôle fonctionnel de chaque couche.

Dans le même temps, la Direction des routes entreprend de standardiser les matériaux utilisés sur le réseaunational en publiant, en 1968,des directives et recommandationsprécisant leurs formulations et méthodes de mise en œuvre.

En 1971, paraît un premier Catalogue des structures types de chaussées neuves, dimensionnées sur un critère de poinçonnement du sol et un allongement limite dans les couches liées.

DR

•••

9

La méthode française de dimensionnement

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 9

•••


Le développement de l’informatiquefacilite l’usage des modèles multicouchesélastiques, notamment au travers du programme Alizé, reposant sur le modèle de Burmister (développé au Laboratoire central des Ponts et chaussées - LCPC -, dès 1964).La méthode des éléments finis complètel’approche pour les structures rigides par le calcul des facteurs de concentrationde contrainte, dans les zones de discontinuités géométriques.

Ceci déboucha sur une nouvelle version du Catalogue, publiée en 1977,avec des structures pré-calculées.La méthode avait été, entre-temps, affinéeen introduisant la notion de plate-forme et de risque de rupture de la chaussée,et une méthode de prise en compte du gel/dégel avait été définie.

Depuis lors, cette méthode,ainsi que l’approche performantielle des matériaux qui va de paire,n’ont pas été remises en cause et sont adoptées en France sur l’ensemble des réseaux routiers,avec des cadres d’application spécifiques à chacun d’entre eux.

En 1994, sous l’impulsion de Jean-François Corté, sont réunies et explicitées à l’intérieur d’un mêmeguide l’ensemble des règles de la méthode de dimensionnement [1] et, en 1998,est publié un nouveau catalogue des structures de chaussée [2].

Le plus récent document en la matière est le Guide des variantes SETRA/LCPC [3],entré en vigueur en 2002, qui fixe les règles de prise en compte dans les marchés publics de l’Etat des solutions proposées en variantes aux solutions de base.

�Description de la méthodefrançaise de dimensionnement

Les principes de la méthode

La démarche française de dimensionnement des structures de chaussées repose depuis plus de trente ans sur une méthoderationnelle qui permet de déterminer une structure de chaussée en deux étapes successives.

La première étape, de type mécanique,consiste à vérifier par le calcul qu’une structure choisie a priori suffit à supporter le trafic qui devra circuler

sur la chaussée pendant sa durée de viesur un sol donné. La démarche consiste à choisir un type de structure, à retenirles matériaux constitutifs des différentescouches et à en fixer les épaisseursrespectives, puis à calculer :> Les sollicitations induites dans cette structure au passage d’un essieu représentatif du trafic poidslourd (l’essieu isolé à roue jumelée de 130 kN, dit « essieu de référence ») à l’aide du modèle multicouche élastique linéaire de Burmister.> Les sollicitations jugées admissibles par les matériaux, en fonction de leur position dans la structure,du trafic cumulé devant circuler sur la chaussée pendant sa durée de vieet de leur mode de dégradation (rupturepar fatigue pour les matériaux liés ou par cumul de déformation permanentepour les matériaux non liés).La structure convient si les sollicitationsinduites au passage de l’essieu de référence restent inférieures ou égales aux sollicitations admissibles,pour chaque couche sollicitéemécaniquement. Le choix de la structurefinale se fait par calculs itératifsintégrant, d’une part,une optimisation du fonctionnement mécanique et,d’autre part, les contraintes de faisabilitéen phase de construction.

La seconde étape consiste à vérifier que cette structure issue du calculmécanique peut supporter sans désordremajeur un cycle de gel/dégel. Dans le seulcas où le sol est gélif, la vérificationpermet de s’assurer que le sol ne sera pas (ou que peu) atteint par le gel lors d’un hiver d’intensitédonnée. Pratiquement, on compare :> L’indice de gel caractéristique de l’hivercontre lequel le maître d’ouvragesouhaite protéger la chaussée (dit « hiver de référence »),issu de données météorologiques.> Et l’indice de gel admissible par la chaussée, qui intègre la gélivité du sol en place, la nature et l’épaisseurdes différentes couches de la chaussée(couche de forme et structure).La structure convient si l’indice de geladmissible est supérieur ou égal à l’indicede l’hiver choisi comme référence.A défaut, l’on peut modifier la premièreétape du dimensionnement en changeantle type de structure retenu initialementou en augmentant l’épaisseur de la couche de forme, ou choisir de limiter le trafic poids lourd lors d’une période de gel/dégel (par la pose des barrières de dégel).

Les fondements de la méthode

Cette démarche rationnelle s’inscrit pluslargement dans un contexte techniqueafin, d’une part, de garantir la représentativité de la méthode et, d’autre part, de recaler les inévitablesécarts résultant d’une approche purement calculatoire.

La méthode repose sur le choix d’un modèle de calcul représentant de façon satisfaisante, dans le cas de chaussées neuves et continues plusparticulièrement, le comportement réeldes matériaux et de la structure dans son ensemble, en recourrant à un nombre limité de paramètres.Le modèle aujourd’hui retenu dans la méthode française est celui de Burmister. Celui-ci décrit la structurede chaussée comme une superposition de couches élastiques linéaires,homogènes et isotropes,dont les interfaces sont soient collées,soient glissantes ; les couches sont infinies en plan et la couche la plus profonde est d’épaisseur infinie.La charge appliquée en surface,représentative de l’empreinte du pneumatique sur la chaussée,est un disque de rayon r exerçant une pression uniforme q. Le modèlerestitue en tout point la structure définiea priori, les tenseurs des contraintes et déformations. D’autres modèlespourraient également être utilisés,abordés plus loin. Cette approche est complétée, dans le cas des structuresrigides ou semi-rigides présentant des discontinuités géométriques,par l’utilisation de facteurs de concentration de contrainte pré-établiset issus de calculs aux éléments finis.

Le calcul des valeurs admissibles s’appuiepour sa part sur le comportement en fatigue des matériaux liés,traduisant la rupture d’une éprouvette en laboratoire pour l’application d’un grand nombre de sollicitations,et sur le caractère « plastique » des matériaux non liés, expliquantl’apparition de déformation permanente.Ces comportements sont traduits au travers de lois d’évolution et cumul de dommage de type Woehler-Miner,dont il est fait abondamment usage dans la méthode française de dimensionnement des chaussées pour simplifier, dans les calculs courants et pour un contexte donné,les descriptions statistiques du trafic et des variations climatiques.

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 10

RGRA�N°823 décembre 2003

Celles-ci sont, en effet, ramenées aux notions de coefficient d’agressivitédu trafic et de température équivalente,qui moyennent, au sens de ces lois de dommage, la complexité du réel.Ce modèle théorique nécessite donc une caractérisation mécanique des matériaux constitutifs des différentescouches. Ainsi, la plate-forme conçue sur la base d’une approche empirique [4] fait l’objet de mesures de contrôle de portance, restituant un module de rigidité global. Les matériaux utilisésdans la construction de la structure de chaussée elle-même sont,pour leur part, encadrés par un corpustechnique (hier réglementaire,aujourd’hui normatif) qui standardiseleurs caractéristiques performantielles.La désignation normalisée d’un matériaudonné garantit ainsi l’obtention de performances minimales, validées par la réalisation d’essais en laboratoireplus ou moins nombreux (compactage,module de rigidité, fatigue) selon le niveau de fiabilité requis.

Les hypothèses du modèle et ses résultatssont validés par des expérimentationsconduites sur chaussées réelles ou expérimentales. Ainsi, les conditionsde collage entre couches résultent des observations faites sur carottesréalisées in situ. Le comportement des structures elles-mêmes et leurs dégradations sous trafic sont analysés en vraie grandeur et comparés à celui prédit par la méthode.En ce qui concerne les chausséesexpérimentales, le LCPC dispose d’un outil privilégié : le manège de fatigue (photo 1). Des chausséesinstrumentées de forme annulaire (rayon moyen de 20m) y sont soumises à la circulation de charges correspondantà des demi-essieux de poids lourds.On peut ainsi étudier le comportement de ces structures sous différentesconfigurations de charges, vitesses de circulation et/ou conditions de température ; les chaussées peuvent

ensuite être soumises à une circulationcontinue, simulant un trafic routier de plusieurs années, afin d’évaluerl’évolution de leur comportement sous circulation. Des structuresexpérimentales en site réel fontégalement l’objet de suivis spécifiques,soit de façon ponctuelle, soit à plus

grande échelle (cas des chaussées en béton armé continu - BAC -,par exemple). La comparaison entre comportement réel et prédiction du modèle aide à « recaler » la méthodeet de définir des coefficients dits « de calage » par famille de matériaux.C’est ainsi que de nouveaux matériauxou types de structures peuvent êtreintégrés en quelques années dans la démarche de dimensionnement.

�Guide technique conceptionet dimensionnement des structures de chaussées neuves

Cette méthode française appliquée au cas des chaussées neuves est décrite dans le Guide technique conception et dimensionnement des structures de chaussées neuves [1]. Le guides’applique aux six principales familles

de structures actuellement utilisées en France sur le réseau routier et autoroutier (tableau 1).

La méthode de dimensionnement y est détaillée sous tous ses aspects.Les points principaux qui la caractérisentconcernent la prise en compte :

> Des dispersions par une approche probabilisteC’est le cas des propriétés en fatigue des matériaux mais aussi des épaisseursdes couches. Ces deux paramètresprésentent un caractère aléatoire,source d’incertitude importante sur la détermination de la durée de vieréelle des structures. Cela conduit à raisonner en termes probabilistes ;ainsi, à la durée de vie d’une structure de chaussée est associé un risque qui correspond à la probabilitéd’apparition de dégradations structurellessur une surface ou un linéaire donnés.

> Du traficLe trafic à prendre en compte pour le dimensionnement des structuresest à considérer sous trois aspects :> Le trafic cumulé devant circuler sur la chaussée pendant sa durée de vie,dont seul le nombre de poids lourds(NPL) est à retenir.> L’essieu isolé à roues jumelées de 130 kN, dit essieu de référence,servant, d’une part, à représenter la charge lors du calcul mécanique et, d’autre part, à évaluer le trafic cumulésous forme d’un nombre équivalent (NE)de passages par l’intermédiaire des coefficients d’agressivité déterminés pour les différentes classes de poids lourds.> La classe de trafic Ti (tableau 2) utiliséed’une part pour choisir le risque associé •••

�10 11

�Tableau 1Principales familles de structures de chaussées

�Main pavement structures

Structures typesNature des couches

Surface Base Fondation

Souples Bitumineuse Matériaux granulaires

BitumineusesMatériaux bitumineuxépaisses

Semi-rigides BitumineuseMatériaux traités aux liants

hydrauliques (MTLH)

RigidesBéton de ciment MTLH ou

(avec ou sans dispositif de liaison) béton de ciment

Mixtes Matériaux bitumineux MTLH

Inverses Bitumineuse Grave non traitéeMTLH(12 cm)

�Photo 1Manège de fatigue du LCPC, un outil de validation des structures

�LCPC (French TR labs) fatigue test track, a structural validation tool

DR

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 11

•••


à la durée de vie (en général,plus le trafic est élevé et plus le risqueretenu est faible), d’autre part pourspécifier les classes de matériaux ou de granulats à retenir.

> Des conditions climatiquesLe comportement des structures est influencé directement ou indirectement par les conditionsclimatiques. La température affecte les caractéristiques mécaniques des matériaux bitumineux (moduleélastique et tenue en fatigue). Elle génèreaussi des cycles d’ouverture/fermeturedes fissures de retrait des matériauxtraités aux liants hydrauliques.Enfin, elle est à l’origine des cambruresdes dalles des chaussées rigides.Les conséquences de ces phénomènessont prises en compte soit directement en retenant pour les matériauxbitumineux les caractéristiquesmécaniques correspondant à la température équivalente de service,soit indirectement par un coefficientcorrecteur (kd pour les structures rigides et semi-rigides).De plus, l’incidence des périodes de gel/dégel fait l’objet d’une vérification particulière.Enfin, l’environnement hydrique des solsest pris en compte à travers le choix de la portance de la plate-forme support de chaussée.

> De la plate-forme support de chausséeLes règles de caractérisation des sols support et de choix des matériaux utilisables en couche de forme sont celles définies par le Guidetechnique réalisation des remblais et des couches de forme (GTR).La caractérisation mécanique du solsupport et de la couche de forme

est faite en terme de rigidité par une valeur du module de Youngreprésentative de l’état hydrique le plus défavorable à l’exclusion des périodes de dégel (tableau 3).

> Des matériauxIl s’agit essentiellement de familles de matériaux codifiés par des normes,mais le cas des matériaux non normalisésou non conformes est aussi abordé.Les règles pour fixer les valeurs des paramètres nécessaires au dimensionnement sont explicitéesfamille par famille. Elles portent,pour les matériaux liés, sur :> le module élastique et le coefficient de Poisson,> les paramètres de la droite de fatigue (σ6 ou ε6 ; -b la pente ;SN l’écart type).

> De la détermination des sollicitations admissiblesLa ruine de ces différentes chausséessous l'effet du passage répété des charges est due à l'un ou l'autre (parfois aux deux) des phénomènes suivants :> la rupture par fissuration des couchesliées, attribuée à la fatigue de ces matériaux rigides reprenant les efforts dus au trafic par traction/extension en flexion ;> la déformation permanente des couches non liées (grave non traitée -GNT - ou sol support) due au cumul de déformations non réversibles observéen surface de ces matériaux.Par suite, les critères sur lesquels va porter l’analyse mécanique sont :> la déformation en extension à la base des couches bitumineuses ;> la contrainte en traction à la base des couches en matériau traité aux liants hydrauliques ;

> la déformation verticale en surface des couches en GNT et du sol.

Les limites admissibles sont calculées à partir des trois formules généralessuivantes :> Déformation admissible des matériaux bitumineux :εadm = ε6 (10°C;25 Hz) x kθ x (NE/106)b xkr x ks x kcLes coefficients k permettent de tenir compte, respectivement,de la température, du risque,de la qualité de la portance du support,du comportement réel observé in situ.> Contrainte admissible des matériauxtraités aux liants hydrauliques :σadm = σ6 x (NE/106)b x kδ x kr x ks x kc> Déformation admissible des matériauxgranulaires non liés :εadm = ε1 x (NE)–0,222

avec ε1 = 12 000 sauf pour les faiblestrafics ou ε1 = 16 000.

�Les outils généraux de calcul

Les logiciels de calcul des structures

Les logiciels de calcul des structures sont en général basés sur la solutionsemi-analytique de Burmister (Alizé [5],Ecowin [6], etc.), mais des logiciels auxéléments finis peuvent aussi être utilisés.

Les paramètres d’entrée sont :> pour chacune des couches, l’épaisseur,le module de Young et le coefficient de Poisson,> les conditions d’interface (collée-glissante),> les caractéristiques des charges (rayon de l’aire de contact, pression de contact, dispositions géométriques).Les résultats fournis sont :> les contraintes et déformations en partie haute et basse des couches,> la déflexion et le rayon de courbure.

Au fil des années, ces logiciels ont connu une évolution continue,parallèlement à celle des possibilités de traitement numérique offertes par l’informatique puis la micro-informatique.Actuellement, certains logiciels ont intégré l’ensemble de la procédure de dimensionnement (calcul de structures, calcul des limitesadmissibles, vérification au gel/dégel,etc.) [5, 6, 7, 8] Ils présentent de plus une interface homme-machine d’une grande convivialité, tant pour ce qui concerne la saisie des données de calcul (figure 1), que la consultation

�Tableau 2Définition des classes de trafic journalier

�Definition of daily traffic classes

Classes T5 T4 T3 T2 T1 T0 TS TEX

Centres(MJA) 85 200 500 1 200 3 000

Limites (MJA) 25 50 150 300 750 2 000 5 000

�Tableau 3Classes de portance à long terme de la plate-forme support

�Long-term roadbed bearing capacity classes

Classes de PF1 PF2 PF3 PF4plate-forme

Module (MPa) 20 50 120 200

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 12


et l’édition des résultats, des différentesaides et des bibliothèques de matériaux.

La méthode de calcul aux éléments finis

Le modèle classique de calcul des contraintes et déformations s’avèretrop simpliste dans un ensemble de situations où les hypothèses du modèle multicouches, continu,élastique et linéaire se justifient mal.Il est parfois nécessaire de disposer de modélisations permettant d’introduire pour les matériaux des lois de comportement autre que l’élasticité,d’avoir en tant que de besoin une représentation tri-dimensionnelle de la géométrie et une prise en comptedes discontinuités du problème étudié,enfin de simuler de manière plus fidèle les chargements appliqués et les effets de bords. Ces préoccupations ont amené à développer, dans le domaine des chaussées, des modélisations relevant pour leur calcul de la méthode aux éléments finis (CÉSAR-LCPC [7]).

Le développement des méthodesnumériques et la puissance de calcul des ordinateurs permettent actuellementde traiter correctement :> le caractère tridimensionnel associéaux géométries non infinies en plan (ex : chaussées rigides),> les non-linéarités éventuelles liées à la modification des conditions de contact unilatérales entre couches du fait des sollicitations appliquées :gradient hydro-thermique dans le béton,poids propre, trafic (figure 2),

> la réponse sous charges roulantes de structures comportant des matériauxayant un comportement viscoélastique,> l’élasticité non-linéaire des matériauxnon traités,> le caractère tridimensionnel associé à la géométrie ou à la configuration des charges de certains problèmes.

La vérification au gel/dégel

La démarche de vérification au gel/dégel,par comparaison de l’indice de geladmissible (IA) à l’indice de gel de référence (IR), comporte trois phases de calculs (figure 3) :> La première consiste à déterminer la quantité de gel admissible au niveaude la plate-forme (QPF) en fonction des caractéristiques du sol et de la couche de forme.

> La deuxième calcule l’indice de gel de surface (IS) en fonction de QPF et des caractéristiquesgéométriques et thermiques du corps de chaussée.> Enfin, la troisième permet d’aboutir à IA connaissant IS.

La deuxième phase nécessite des calculs relativement complexes de propagation de la chaleur qui doivent être réalisés par un logiciel particulier,comme Gel1D du LCPC [8].Il repose sur le modèle de Fourier,résolu sur la base d’une méthode aux différences finies.La structure y est décrite par l’épaisseurde ses couches et les caractéristiquesthermiques des matériaux qui la constituent (tableau 4). •••

�12 13

�Figure 2Application de CÉSAR-LCPC aux chaussées de béton de ciment Modélisation des effets des gradients verticaux de température dans le béton

�Application of the CÉSAR-LCPC method to cement concrete pavementsModelling of vertical temperature gradient effects in concrete

�Figure 3Schéma de la méthode de calcul de l’indice de gel admissible

�Diagram of permissible frost index calculation method

�Figure 1Ecran de saisie des caractéristiques de la structure de chaussée

�Pavement structure data input screen

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 13

•••


La méthode de calcul suppose la structure soumise à un refroidissementtype. Les conditions initiales de température imposent un profil de température variant continûment,de 1°C en surface de chaussée, à 14°C à 10 m de profondeur, puis restantconstant au-delà. La température de surface décroît alors dans le tempsselon une loi exponentielle pour tendreprogressivement vers - 5°C, provoquantla pénétration de l’isotherme 0°C dans la structure de chaussée.Le logiciel en déduit l’indice de gel en surface et à la base de la structure de chaussée.

Calculs des limites admissibles

Les règles de calcul des limitesadmissibles comportent de nombreuxcoefficients qui offrent la possibilité de tenir compte de tous les facteursconsidérés dans la méthode de dimensionnement.Le calcul peut s’effectuer dans le cadred’une feuille Excel (figure 4) ou êtreintégré au logiciel de calcul de structures.

Ces logiciels spécialisés assurent les contrôles nécessaires pour une application correcte des règlesdéfinies par le Guide technique 1994 ou par les différents guides et catalogues.Ils sont indispensables pour optimiser les épaisseurs en fonction des caractéristiques propres du projet ou encore pour calculer des structuresalternatives à la solution de base lorsd’appels d’offres ouverts aux variantes.

Ces outils permettent aussi de calculer une valeur admissible pour tout autreparamètre que les contraintes ou les déformations. En pratique, pour une structure donnée, ils aident à calculerun trafic, une durée de vie ou encore un risque admissible. Cette démarche est préalable au calcul d’une structurealternative par simple équivalence avec une structure de référence.

�Les documents d’applicationde la méthode française de dimensionnement

La doctrine générale de dimensionnementdes chaussées préalablement exposée

se décline de différentes façons en fonction de la nature des réseauxconsidérés et de la politique des diversesmaîtrises d’ouvrage. Elle donne ainsi lieu à différents documents d’applicationsuccinctement présentés ci-après.

Documents d’application aux routes et autoroutes

> Catalogue des chaussées neuvessur le réseau routier nationalLa maîtrise d’ouvrage Etat publiepériodiquement un Catalogue des structures types de chaussées neuvespour son réseau national. La dernièreversion de ce document date de 1998 [2].Les structures figurant dans ce cataloguesont calculées à l’aide de la méthode

Calcul des limites admissibles

EME de classe 2

Type de Voie (VRS ou VNRS) VRSClasse de trafic cumul TC5trafic journalier (PL/j) 500nb de jours par an 365durée (année) 30croissance linéaire 0,050

TRAFIC CUMULÉ (million) 9,581

CAM EME 2 (agressivité) 0,80CAM Sol (agressivité) 1

TRAFIC Equivalent EME 2 (million) 7,665TRAFIC Equivalent Sol (million) 9,581E(10°C)(MPa) 20 200E(15°C)(MPa) 16 000Coefficient de Poisson 0,35

epsilon 6 (10°C-25Hz)(10 E-6) 130pente de la droite de fatigue : b -0,175

écart-type sur la loi de fatigue : sigma N 0,28écart-type sur les épaisseurs : sigma H 2,5

risque (%) 5t -1,645

coefficient Kt (temp rature) : (E(10¡C)/E(15¡C))^0,5 1,124coefficient KT (trafic) : (Neq/10^6)^b 0,70Delta 0,40coefficient Kr (risque) 0,77coefficient Kc (calage) 1,0

coefficient 1/Ks (rigidité de la couche support) 1,0

EPSILON T admissible (10 E-6) 78,5

EPSILON Z admissible (10 E-6) 338,3

Paramètres choisis par l’utilisateur

Paramètres définis automatiquement

Résultats intermédiaires

Limites admissibles

�Figure 4Exemple de feuille de calcul des limites admissibles

�Example of permissible limit calculation data sheet

Matériau γ (kg/m3) w (%) λ ng (W/m2.°C) λ g (W/m2.°C)

BB 2350 1 2 2,1

GB3 2350 1 1,9 1,9

GC 2250 3 1,8 1,9

GL 2150 4 1,4 1,5

Sol A 1300 32 1,1 1,8

�Tableau 4Caractéristiques thermiques de quelques matériaux de chaussées

�Thermal characteristics of some pavement materials

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 14


décrite précédemment,avec des hypothèses propres au réseau national.

Ainsi, traditionnellement, l’Etat adoptepour son réseau une logiqued’investissement initial élevé,associé à de longues durées de vie des structures et un entretien réduit.Cette hypothèse a été maintenue dans la dernière version.Fait nouveau, le réseau a été classé en deux catégories de voies :> les voies du réseau structurant (VRS),à caractère autoroutier ;> les voies du réseau non structurant(VRNS), correspondant aux autres routes.

Les premières adoptent une durée de calcul des structures de 30 ans et des valeurs élevées des coefficientsd’agressivité du trafic lourd ;les secondes une durée de calcul de 20 ans et des coefficients d’agressivité moindres.

Ces hypothèses distinctes conduisent à des structures différentes, présentéesdans deux jeux de fiches différents.Chaque fiche récapitule pour un type de structure donné et des matériauxd’assise fixés (par exemple GB3/GB3,(figure 5) les épaisseurs à mettre en œuvre pour un ensemble de couplesclasse de plate-forme/classe de trafic

donné, et propose des abaquespermettant de vérifier la conformité de la structure au gel/dégel.

Cette nouvelle édition du catalogueinnove en retenant :> Trois classes de plate-forme : PF2, PF3et PF4, encourageant ainsi le recours à des plates-formes de qualité élevée (et en abandonnant les PF1,jugées trop médiocres).> Sept classes de trafic cumulé, couvrantainsi un spectre de trafic allant de quelques centaines de milliers de poids lourds (TC2) à plusieurs dizaines de millions (TC8).Au total, ce sont 25 fiches pour les VRS et 27 pour les VRNS décrivant autant de structures différentes qui sont proposées au projeteur.

> Guide des variantesUn guide variantes est paru depuis 1998 [3], qui définit les règles de conception des solutions variantesdans le cadre des appels d’offres pour les marchés publics de l’Etat.Il est destiné à la maîtrise d’œuvre et aux entreprises.Ces variantes peuvent porter sur :> les couches de surface (matériaux et épaisseurs) ;> les couches d’assise (matériaux,épaisseurs, combinaison base/fondation) ;> la couche de forme (matériaux et épaisseurs), et> sur les matériaux :>> ayant soit fait l’objet d’un avistechnique SETRA/LCPC, soit d’un certificat technique dans le cadre de la Charte de l'innovation routière ;>> appartenant sinon aux classes de matériaux normalisés,mais avec possibilité de valoriser dans certaines limites et sous certainesconditions des performances supérieuresaux valeurs normalisées.

Les propositions de variante doivent,par ailleurs, respecter les choix du maître d’ouvrage spécifiés dans le document de consultation des entreprises (DCE).Les hypothèses de dimensionnement qui auront conduit à la solution de base devront être explicitées.Un appel d’offres sera d’autant plus riche que la consultation sera lancée en amont,afin que les différents acteurs maîtrisent bien toutes les données d’une éventuelle modification du projet de base. •••

�14 15

�Figure 5Exemple de planche de structures du catalogue du réseau routier national

�Example of national roadnetwork catalogue of structures

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 15

•••


> Document spécifique aux autoroutesLe Manuel de conception des chausséesd’autoroutes, conçu et édité par Scetauroute est un exempled’application dédié aux structuresautoroutières. Il s’inscrit dans le cadre de la méthode française de dimensionnement,avec des hypothèses spécifiques à ces grands chantiers.Compte tenu du niveau de service élevévisé sur autoroutes et du caractèreindustriel des travaux, la conception des chaussées d’autoroutes tient comptedes particularités suivantes :> exigences élevées sur les caractéristiques de surface (uni, adhérence, profil en travers,bruit, etc.),> minimalisation de la gêne aux usagersliée aux travaux d’entretien,> régularité de la qualité des travaux(compacités, épaisseurs),> valorisation des matériaux locaux du tracé,> conception globale et réalisationcoordonnée des ouvrages de terrassements et de chaussées.Ce contexte implique des choix et des hypothèses particulières qui diffèrent de celles présidant à la conception des routes traditionnelles.La gamme de trafic est étendue vers le haut et ouverte, pour des dimensionnements à l’étranger,sur l’essieu européen de 115 kN.Les classes de plate-forme sont adaptées au trafic chantier lourd et intense, avec des critères de réception à court et long terme spécifiques.La prise en compte de la qualité des travaux et de sa régularité se traduit directement en terme de dimensionnement par des dispersions minimisées.La durée de vie est adaptée à chaque type de structure (15 ans pour les structures souples et tout bitume, 20 ans pour les structuresmixtes, 25 ans pour les structures en béton), et assortie d’une stratégie d’entretien préventif.Le manuel propose, en outre,une méthode de vérification au gelsimplifiée, qui intègre la protectionmécanique apportée par les couches de forme traitées.Enfin, le manuel définit des structurespour aires de service et de repos,et donne les grands principes de conception des revêtements pour ouvrages d’art.

> Chaussées à faible traficLes chaussées à faible trafic,de 0 à 150 poids lourds/jours par sens de circulation, nécessitent une approchedifférente due à leurs caractéristiquesspécifiques par rapport aux réseauxroutiers et autoroutiers nationaux.Elles se caractérisent par :> Une stratégie de dimensionnement et d’entretien variable d’une maîtrised’ouvrage à l’autre (collectivités locales,départementales, etc.), qui se traduit par des durées de vie de calcul pouvantvarier de 10 à 50 ans (cas de la Ville de Paris) et, en général, des niveaux de risque plus élevés (jusqu’à 45 %).> Une politique de valorisation des matériaux locaux, voire des déchets,produits par la collectivité elle-même.La palette des matériaux utilisables est donc très large : aux matériauxnormalisés s’ajoutent les matériauxlocaux et les déchets valorisables en technique routière.> Une prise en compte des problèmes de gel/dégel moins contraignante au planstructurel dans la mesure où la pose de barrières de dégel peut être envisagéepour des hivers de rigueur non exceptionnelle.

En conséquence de ces spécificités,le « Manuel de conception des chaussées neuves à faible trafic » est plus un guide pour la conception et le dimensionnement qu’un catalogue de structures pré-calculées comme le catalogue 1998 de la Direction des routes. Il s’adresse aux spécialistes en charge d’établir des catalogues locaux ou régionaux évoqué plus loin,mais peut aussi être utilisé pour définir des structures par simple lecture des abaquesd’application qu’il contient.Actuellement en cours de révision,ce manuel verra privilégié son rôle de guide pour la réalisation de catalogues régionaux.La méthode et les paramètres de dimensionnement, en conformité avec le Guide technique de 1994,seront largement explicités pour les grandes familles de structures de chaussées (souple, bitumineux,semi-rigide et rigide) les plus adaptés au faible trafic.

> Guide de renforcementsLes études nécessaires à la mise en place des programmes de renforcements coordonnés des années 1968 à 1985 ont conduit à une évolution des connaissances

et pratiques synthétisées par le réseautechnique dans les documents ci-après :> Guide d’auscultation des chaussées [9],> Guide pour l’auscultation des chaussées à assise traitée aux liants hydrauliques [10],> Guide technique de dimensionnementdes chaussées souples [11].Depuis cette période, les structuresrencontrées sur les réseaux routiers ont changé. Il y a eu une réduction du linéaire de chaussées à structuressouples au profit des linéaires de structures bitumineuses épaisses,de structures semi-rigides et de structures mixtes.Les moyens de reconnaissance se sont améliorés, d’une part,au niveau des paramètres mesurables par les appareils à grand rendement(rayon de courbure et bassin de déflexionen complément de la déflexion) et, d’autre part, grâce à un nouveaumatériel tel que le déflectographe avec inclinomètre, le curvimètre,le Falling Weight Deflectometer (FWD) pour la déformabilité ou encore le RADARpour la connaissance de l’homogénéitéde la structure, etc.Il en est de même des moyens de traitement et d’analyse des données avec les banques de données routières et les logiciels de calcul et de modélisation du comportement des structures comme Alizé, Ecoroute ou encore CÉSAR pour les structuresdiscontinues.Ces évolutions ont été accompagnées par une codification des pratiques sous forme de normes, méthodes d’essais ou d’études LCPC.De ces évolutions, on notera les documents les plus récents ci-après :> « Actualisation du guide de dimensionnement des renforcementsdes chaussées souples » [12],> « Aide à la gestion de l’entretien des réseaux routiers - volet chaussées »avec ses 5 méthodes (M1 : connaissancedes réseaux routiers, M2 : évaluation et suivi des réseaux routiers, etc.) [13],> « Guide d’entretien des chausséesbéton » [14].

Actuellement, une opération de mise à niveau et d’actualisation des documents des années 70-80 est en cours, sous l’égide du Comitéfrançais pour les techniques routières(CFTR). Ce futur document, provisoirementbaptisé « Dimensionnement des renforcements de chaussées -Méthodologie », doit être conçu

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 16


comme une référence méthodologique,d’une part, pour l’auscultation et le diagnostic des chaussées et, d’autre part, pour la conception des solutions d’entretien. Il s’appuiera sur les connaissances actuelles et l’expérience des experts,et devrait être applicable sur toutes les chaussées sauf les chaussées en béton.

> Les catalogues régionauxLa parution du manuel de conception « Chaussées neuves à faible trafic » de 1981 avait suscité le besoin de catalogues de structures régionaux(Ouest - 1981 -, Ile-de-France - 1984 -,Midi-Pyrénées - 1985 -, Centre - 1990) et locaux (Communauté urbaine de Lille,départements de Seine-Maritime et de Saône-et-Loire).L’arrivée (1998) du catalogue des structures types de chaussées neuvespour le réseau routier national fut un élément déclenchant pour une refontedes catalogues régionaux. Ainsi le clubd’échanges d’expériences sur les routesdépartementales Ouest a publié une nouvelle version en 2002 intitulée « Guide pour la construction des chaussées à faible trafic - Bretagne,Pays-de-la-Loire » et le catalogue des structures de chaussées Ile-de-Franceest en cours de publication.Pour des facilités d’emploi, ces

catalogues régionaux présentent desstructures types fonction des classes de plate-forme et de trafic, directementapplicables par les projeteurs.

Pourquoi des catalogues de structuresrégionaux ou locaux ? Essentiellementpour prendre en compte les politiquestechniques des maîtrises d’ouvragelocales ou départementales.Ainsi, la stratégie de dimensionnementdes structures de chaussées retient des durées de calcul qui influent sur les dépenses d’entretien. Les duréesde calcul retenues par la maîtrised’ouvrage des régions Ouest furent de 12 ans pour la rase campagne et de 20 ans pour le milieu urbain en présence de bordures de trottoir.Ces durées étaient jugées satisfaisantescompte tenu des niveaux faibles de traficet des cycles d’entretien généralementappliqués sur ces types de voies.Même pour de faibles linéaires, la maîtrisedes coûts des travaux passe par unereconnaissance géotechnique adaptée.Ainsi, une démarche simplifiéed’application du GTR est utilisée dans le guide Ouest. Ce sont lesexpériences régionales, par la spécificité des sols rencontrés, les différentes mesuresde portance sur chantier et les comportements dans le tempsdes structures qui ont conduit à :

> Ecarter la classe de portance PF1 qui posait problème.> Diviser la classe PF2 en PF2- et PF2+,cette dernière étant caractéristique des couches de forme granulaires qui présentent fréquemment un module de rigidité compris entre 80 et 120 MPa (tableau 5).> Retenir la classe PF3 pour les couchesde forme traitées.

La nature de la couche de roulementreste stratégique pour les maîtresd’ouvrage. Elle traduit un niveau de service pour les usagers et le confortdes riverains (dans le cas d’emploid’enrobés phoniques). Ainsi, les enrobéssont généralement appliqués pour les zones en agglomération et les traficsles plus agressifs, les enduits retenuspour les faibles trafics en rase campagne(en zone peu urbanisée).

La voirie urbaine

L'application aux chaussées urbaines de la méthode de dimensionnement se trouve confrontée aux spécificités du contexte urbain qui imposent des contraintes particulières.

Ces contraintes sont liées à la prise en compte :> de l'aspect multifonctionnel de la voirieurbaine (photo 2). La voirie urbaine se caractérise par la multiplicité des fonctions à assurer vis-à-vis d'un grandnombre d'usagers : automobilistes, poidslourds, transports en commun, deux roues,piétons, riverains. La hiérarchie des objectifs assignés aux liaisons routièresest modifiée : outre les objectifs de solidité, de confort et de circulation des véhicules, les préoccupationsd'esthétique, d'intégration dans un projetd'aménagement et de limitation des nuisances peuvent devenirprépondérantes.> des paramètres économiques et,en particulier, ceux liés à l'entretien •••

�16 17

�Tableau 5Exemple d’adaptation du GTR : décomposition de la classe PF2 en PF2- et PF2+Epaisseurs des couches de forme en matériaux granulaires nécéssaires

�Example of adaptation GTR (Road Earthworks Guide): Breakdown of Class PF2 into PF2- and PF2+Required thickness of granular material subgrade layers

Epaisseur de couche de forme pour une classe de plate-forme PF2-

0,75 m (0,20 m de 0/63 + 0,55 m de 0/150)

ou 0,60 m (0,20 m de 0/63 + 0,40 m de 0/150) sur géotextile

0,60 m (0,20 m de 0/63 + 0,40 m de 0/150)

ou 0,50 m de 0/63 sur géotextile

0,45 m de 0/63

0,30 m de 0/63

Couche de réglage de 10 cm d’épaisseur de 0/31,5 ou 0/20

Contexte de réalisation

Déblaisans drainage

Déblai avec drainageprofond

Déblai sans drainage

Remblai ou déblai avec drainage

Remblai ou déblai

Qualification de la portance de PST(1)

Sols déformablesà très déformables

Sols peu déformables maissensibles à l’eau

Sols très peudéformables

insensibles à l’eau

Epaisseur de couche de forme pour une classe de plate-forme PF2+

1,00 m (0,20 m de 0/63 + 0,80 m de 0/150)

ou 0,85 m (0,20 m de 0/63 + 0,65 m de 0/150) sur géotextile

0,80 m (0,20 m de 0/63 + 0,60 mde 0/150)

0,60 m (0,20 m de 0/63 + 0,40 m de 0/150)

0,45 m de 0/63

Couche de réglage de 20 cm d’épaisseur de 0/31,5 ou 0/20

Si EV2 > 120 MPa obtention de PF3 (1) PST : plate-forme supérieure de terrassement

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 17

•••


et aux réparations. La capacité de réparation est un point important pour les chaussées urbaines qui fontl'objet de travaux liés à la présence de réseaux enterrés. Ils doivent se faireavec un triple souci de rapidité,de simplicité et de faisabilité avec des matériaux disponibles en petite quantité.> du contexte d'environnement et d'aménagement spécifique.Des considérations d'ordre esthétique ou visuel peuvent imposer une couche de roulement spécifique ou de couleurclaire, ou d'aspect particulier,par exemple pavage en pierre naturellepour s'intégrer au mieux à proximité d'un monument historique.> de la réduction des nuisances sonoresqui passe par le choix de revêtementspeu bruyants,> de la possibilité de réalisation des chantiers généralement sous circulation,> etc.

D'autres aspects, en revanche,sont plutôt favorables vis-à-vis de la durabilité des chaussées urbainescomme l'agressivité du trafic nettementplus faible que celle sur routesnationales, la portance élevée du sol support des anciennes chaussées qu'il sera important de préserver dans le cas d'une reconstruction,ainsi que l'imperméabilisation des chaussées qui est en général soignée, etc.Le dimensionnement des chausséesurbaines doit également tenir compted’un certain nombre de paramètresspécifiques :> Des règles particulières de conceptionEn milieu urbain, la conception d'une structure de chaussée se présentesuivant trois contextes bien distincts :>> la réalisation de chaussées neuves,sans contraintes d'épaisseur dans les zones en extension ou en rénovation d'urbanisme (ZAC, lotissements),

>> la réhabilitation de chausséesexistantes, avec contraintes d'épaisseur.Dans ce cas le niveau final de la chaussée est fixé, la desserte des immeubles devant être assurée dans les mêmes conditions qu'auparavant ; l'épaisseur de la chaussée à réaliser dépenddirectement de celle en place.Pour résoudre ce problème un choixjudicieux des matériaux en fonction de leurs performances permet d'obtenir l'adéquation entre les contraintes calculées et celles admissibles par les matériaux.

> Des durées de vie adaptéesLe choix de la durée de vie se fonde sur les principaux points suivants :>> le taux de renouvellement réel des structures basé sur la tenue d'un historique et de statistiques sur les surfaces reconstruites ;>> l'occupation du sous-sol par différents réseaux. Le choix de la durée de vie doit prendre en compte la fréquence des interventionssur ces réseaux : par exemple 10, 20,ou 30 ans pour, respectivement,des interventions très fréquentes,fréquentes et très peu fréquentes.>> l'existence d'un règlement de voiriefixant les procédures des interventionssous chaussées ;>> l'évolution de l'urbanisme et l'importance des projets de requalification de la ville.

> Des conditions climatiques moinssévères. Le contexte urbain se traduitpour le corps de chaussée par moinsd'eau et moins de froid. Le gel n’est passouvent facteur de dimensionnement.

> Guides, catalogues et logicielspour voirie urbaineDes documents spécifiques à la voirieurbaine ont été établis à l’intention des projeteurs.Au niveau national, on peut citer le Guide de dimensionnement des structures des chaussées urbaines du Centre d’étude sur les réseaux,les transports, l’urbanisme et les constructions publiques (CERTU)ainsi que le Guide pratique de la voirieurbaine [15]. Ils sont complétés par deuxlogiciels spécifiques : Struc-Urb pour le dimensionnement des structures de chaussées urbaines (CERTU) et VoiriB. pour le dimensionnement et la mise en œuvre des chausséesrevêtues de pavés ou de dalles en béton (CERIB).

�Photo 2La voirie urbaine : la multiplicité des fonctions

�Urban roadways: multiplicity of functions

DR

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 18


Au niveau local, comme les qualitésrecherchées en voirie urbaine sont nombreuses et leur hiérarchisationvariable d’une maîtrise d'ouvrage à l’autre, un certain nombre de grandesmétropoles ont souhaité disposer de catalogues de structures types leur pour répondre plus spécifiquement à leurs besoins. Cette démarche permetune simplification et une standardisationdes types de structures y compris en terme d'épaisseurs des couches à mettre en œuvre.

Les chaussées aéronautiques

Le contexte des chaussées aéronautiquesa toujours eu une dimension plusinternationale que celui des chausséesroutières. Aussi la méthode de dimensionnement des chausséesaéronautiques utilisée en France reste- t-elle fortement inspirée de la méthodeaméricaine de type semi-empirique,qui prévaut dans le monde. Signalonstoutefois que l’ouverture au traficd’aéronefs de plus en plus lourds,pour la prise en compte desquels la méthode actuelle se heurte à des difficultés d’extrapolation,a récemment relancé un certain nombrede travaux de recherche expérimentauxet théoriques en vue d’une évolution vers une méthode rationnelle plus élaborée et plus apte à intégrer les évolutions du secteur.

> Chaussées souples aéronautiquesLe dimensionnement des chausséessouples aéronautiques repose sur la méthode CBR (California BearingRatio) du Corps of Engineers.Le complexe formé par le sol support et la chaussée est assimilé,dans un premier temps, à un massif semi-infini, homogène isotrope de type Boussinescq.Le critère retenu pour le dimensionnement des chausséessouples est celui de la contrainte verticale σz au niveau du sol support.La formule CBR permet de calculerl’épaisseur e de chaussée pour laquelle est admissible la contrainte verticale produite par une charge P appliquée 10 000 fois avec une pression quniformément répartie sur l’aire a d’un cercle.

Cette formule fournit une épaisseur réellepour un massif homogène constituéd’une GNT, concassée et bien graduée,ayant un module de déformation de 500 MPa reposant sur un supportdéfini par son CBR.

> Chaussées rigides aéronautiquesLe critère de dimensionnement des chaussées rigides est la contrainteadmissible σa de traction par flexion dans la dalle de béton.

Le moment de flexion de la dalle est calculé par la méthode de la Portland Cement Association (PCA) avec les hypothèses de Westergaard (le sol se comporte comme un liquidedense, il est caractérisé par son modulede réaction K, la théorie des plaques est appliquée à la dalle, les charges sont situées au centre d’une dalle infinie).Les abaques de dimensionnementpermettant de calculer les moments de flexion pour tous les typesd’atterrisseurs ont été élaborés par Ray et Pickett de la PCA.Ils ont été construits en s’appuyant sur une relation entre la chargeappliquée, le module de réaction K0du sol support, l’épaisseur de la dalle et la déformation de celle-ci.

> Les outilsCes différents abaques ont étéinformatisés dans les logiciels Souplex et Rigix qui ont, par la suite,été regroupés sous le logiciel DCA(Dimensionnement des chaussées

aéronautiques). Celui-ci permet de dimensionner des chaussées souplesou rigides à partir d’un trafic plus ou moins complexe.

> Les documents d’applicationLes documents d’application sont regroupés en trois volumes [16].Le volume 1 présente de manièredétaillée les règles de dimensionnement ;le volume 2 est un manuel pour l‘utilisateur qui comporte

des abaques relatifs aux avions ;enfin, le volume 3 est consacré aux charges admissibles par les pistes.A titre d’exemple (figure 6), dans le casdes chaussées souples, on détermine pour un avion donné en fonction de la charge P0 et du CBR du sol support, l’épaisseur équivalente à mettre en œuvre.En fonction de cette épaisseurdéterminée, on utilise un deuxièmeabaque qui donne l’épaisseur équivalente de matériaux bitumineux à mettre en œuvre.Le passage des épaisseurs équivalentesaux épaisseurs réelles est possible par l’introduction de coefficientsd’équivalence entre le matériau réel mis en œuvre et la grave de référence.

Les autres chausséesspécifiques

> Les chaussées réservoirElles sont en fait des chausséesmultifonctions (figure 7). •••

�18 19

�Figure 6Abaques de dimensionnement des structures aéronautiques

�Structural design charts for airfield pavements

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 19

•••


A la fonction de base qui est d’assurer la circulation et le stationnement des véhicules viennent s’ajouter :> une fonction hydraulique de régulation des eaux de ruissellement,> parfois, une fonction acoustique de réduction des nuisances phoniquesgénérées par la circulation des véhicules,> souvent, une fonction de dépollutioncar les matières en suspension contenantdes éléments dangereux sont en partieretenues dans les matériaux filtrants.Un double dimensionnement est à réaliser.D’abord, un calcul hydraulique pour définir les besoins de stockage en eau, puis après avoir choisi un type de structure, un calcul de mécanique des chaussées pour déterminer l’épaisseur de la couche de base.

>> Dimensionnement hydrauliqueLes éléments nécessaires pour calculer un projet sont :> Le rapport de la surfaceimperméabilisée à la surface de la chaussée réservoir (Si/Sr).La surface des espaces verts est généralement exclue mais pas celle des constructions dont on souhaiteaussi stocker les eaux de pluie.> Les caractéristiques de l’averse de référence.Il s’agit, en général, de l’orage décennal.

>> Dimensionnement strcturelLa tenue mécanique de la structure est assurée en dimensionnant la couche de base, en tenant compte des caractéristiques mécaniques des matériaux utilisés : enrobé drainant, enrobé à haut module,béton poreux, etc.

En ce qui concerne le support,la mise en place d’une étanchéité sous la couche de fondation permet la prise en considération des caractéristiques habituelles des sols à travers des indices de plate-forme (Pfi).Dans le cas d’une infiltration souschaussée, la perte de portance des solsdoit être prise en compte et conduit à une surépaisseur de la couche de base.

> Les infrastructures de transport en communLa méthode de calcul par éléments finis a ouvert de nouvelles perspectives au dimensionnement assez largementempirique des infrastructures pour tramways sur rails.L’une des particularités de ce problèmetient à la présence du rail,de son montage sur des traverses avec des pièces d’appui intermédiaires.Des applications plus récentes concernentle nouveau concept de tramway guidé sur pneus, comportant en partie centraleun rail de guidage reprenant des effortsappréciables de basculement et de soulèvement. Dans les deux cas,les structures ne peuvent êtrereprésentées que par des modèles tri-dimensionnels (figure 8).

Moyennant la transposition au domaine ferroviaire de la démarche de dimensionnement rationnelle des structures routières, ce type de modèle a été appliqué pour l’étude du dimensionnement des infrastructuresde divers projets de tramways,notamment avec la RATP et Semaly.

> Les chaussées de plates-formes industriellesLe dimensionnement de ces structures de chaussées doit tenir compte de leurs spécificités liées essentiellementaux caractéristiques des engins,de leur plan de circulation et des stocks qui les solliciteront :> charge par roue souvent très élevée ;plusieurs dizaines de tonnes (photo 3),> des chargements répétés en nombreparfois faible (quelques milliers de passages) et plus ou moins canalisésselon les plans de circulation mis en oeuvre. Il en résulte des paramètres de dimensionnement,en particulier ceux liés à la fatigue des matériaux, en limite du domaine de validité de la méthode.> pression de contact roue-revêtementélevée (2 à 10 MPa) ou présence de charges statiques nécessitant

�Figure 7Structures types de chaussées réservoir

�Typical reservoir pavement structures

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 20


un choix de matériaux résistants au poinçonnement,> charges caractérisées par des vitesses de déplacement faibles de quelques km/h, voire nulles (engins à l’arrêt) qui influent,pour des matériaux viscoélastiques,sur la rigidité à prendre en considération dans les modèles de calcul,> engins à essieux multiples nécessitant l’emploi de logicielspermettant leur prise en comptesimultanée ;> exposition aux sollicitationsclimatiques différente de celle des routes dans le cas d’airesabritées (variations de températuremoindre, absence de pluie et gel, etc.).

Le dimensionnement de ces chaussées se révèle encore problématique,notamment lorsque celles-ci peuventégalement servir d’aires de stockage.Il faut alors concilier les approches de dimensionnement de chaussées avec celles de dimensionnement de dallage pour charges statiques,qui ne relèvent pas, en l’état actuel des documents, des mêmes approches.

�Développements et perspectives

La tendance générale dans le monde est aujourd’hui à l’infléchissement des méthodes de dimensionnement vers des approches de type rationnel et à leur amélioration,ceci en combinaison avec le développement de méthodesperformantielles de caractérisation des matériaux.Dans le domaine aéronautique,la principale motivation pour une telleévolution tient à l’augmentation du trafic aérien et à l’avènement de porteurs de plus en plus lourds (tel que prochainement l’A 380) vis-à-vis desquels l’extrapolation des méthodes empiriques ou semi-empiriques traditionnelles n’est pas garantie.

Dans le domaine routier, les motivationssont multiples et plus ou moins explicites. Citons les principales :> Nécessité de pouvoir prendre en compte l’émergence de solutionstechniques (matériaux, structures) de plus en plus nombreuses,souvent alternatives aux solutionsclassiques et pour lesquelles les méthodes anciennes

de caractérisation des matériaux ne s’appliquent pas toujours,ni les méthodes empiriques de dimensionnement jugées trop longues à fournir des réponses (même s’il ne sera jamaispossible dans ce domaine de fairel’économie d’essais en vraie grandeuravec des durées d’observationsuffisamment longues).> Souhait de parvenir au niveauinternational à des normesperformantielles homogénéisées,sur la base d’essais jugés réellementpertinents vis-à-vis du comportement des structures.> Généralisation de l’utilisation d’outils de gestion pour l’entretien des chaussées (Pavement ManagementSystem), qui nécessitent de s’appuyer sur des lois d’évolution fiables d’état des chaussées et de règles performantesd’aide à la décision d’entretien des chaussées.

Les progrès réalisés en mécanique des chaussées dans les moyens d’essai en laboratoire ou in situ, les modèles et les méthodes de calcul rendent a priorices objectifs de plus en plus réalistes.Néanmoins, il est important ici de relativiser l’impact potentiel de ces progrès sur les méthodes de dimensionnement stricto sensu.

Si, en effet, les facteurs de progrèsmentionnés plus haut ont des apportsdirectement tangibles et valorisables en tant que tels sur l’étude et la modélisation du comportement des matériaux et structures de chaussées, il reste toujours difficiled’en faire bénéficier les méthodes de dimensionnement.Les raisons à cela sont profondes.

Les méthodes de dimensionnement de chaussées comportent par nature tout un ensemble de données « floues »,à distributions statistiques plus ou moinsconnues au stade d’un projet, liées aux incertitudes sur les matériaux en place, à la réalisation de l’ouvrage,à la description du trafic, aux conditionsenvironnementales et à leurs variations ;ce qui, d’une part, rend particulièrementcomplexe le problème à traiter et, d’autrepart, « lisse » et relativise toute précisionapportée sur la connaissance et la description du comportement des matériaux et des structures. •••

�20 21

�Photo 3Elévateur à bateaux équipé de 16 roues pouvant être chargées à 70 t chacune

�Boat lift equipped with 16 wheels, each with a loading capacity of 70 t

DR

�Figure 8Tramway de Strasbourg, vue de la voie en cours de montage et du modèle EF-3D CÉSAR

�Strasbourg tramway. View of track during setup, and CÉSAR EF-3D model

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 21

•••


C’est sans doute l’une des raisons pour lesquelles la plupart des méthodesrationnelles en restent actuellement au stade des modèles multicouchesélastiques, leurs évolutions consistant à déterminer les valeurs des paramètres(modules, déformations admissibles,coefficient de calage, etc.) associées à chaque nouveau matériau ou technique de construction.

Néanmoins, l’on peut tenter de dégagersans donner de calendrier certainesperspectives d’évolution sur le fond de ces méthodes, sur la base de travaux engagés en France comme à l’international, notamment aux Etats-Unis dans le cadre du programme Superpave.

Matériaux granulaires non liés (sols, graves) et chaussées souples

Les comportements génériques réversiblesde ces matériaux, de type élasticité non linéaire et anisotrope pour la gammeusuelle des sollicitations routières (< 10-3), sont aujourd’hui bien connus,grâce notamment aux études en laboratoire sur cellules triaxiales à chargements répétés (TCR) [17].

La programmation de telles lois de comportement à l’intérieur de modèlesaux éléments finis tri-dimensionnels ou à symétrie de révolution permet ainsi de mieux appréhender au cas par cas (à matériau fixé et à teneur en eau donnée) le comportement des chaussées souples au passage de poids lourds.

En raison des difficultés mentionnées(diversité des matériaux non liés,variabilité de leur comportement en fonction de la teneur en eau, etc.),ces travaux n’ont pas donné lieu pour l’instant à de nouvelles règles de calcul des chaussées souples,mais on est en droit de penser que ce sera là une évolution assez prochaine des méthodes de dimensionnement.

Les recherches actuelles portent sur la prédiction des déformationspermanentes dans les couches de sols et GNT, et plus spécifiquement sur le passage des résultats d’essai TCR au terrain, en s’intéressant cette fois à la partie irréversible du comportementdes matériaux non liés. La démarche resteencore à finaliser et à valider dans le cas

d’essais sous conditions de trafic et teneuren eau contrôlées, avant d’envisager de possibles transpositions à l’intérieur de méthodes de dimensionnement.

Bétons bitumineux et chaussées bitumineusesépaisses

Les travaux menés ces dernières années ont confirmé la pertinence et la quasi-universalité du modèle de Huet & Sayegh (1963) [18, 19].comme mode de description du modulecomplexe des bétons bitumineux en fonction de la fréquence et de la température.

La pertinence du modèle et sa plus grande justesse comparées aux modèles élastiques a également été démontrée à l’échelle de structures de chaussée routière et aéronautique,par des comparaisons entre mesures de déformation au passage de charges roulantes et résultats de calcul visco-élastique aux élémentsfinis [20, 21, 22, 23].L’introduction du modèle de Huet & Sayegh à l’intérieur d’un programme semi-analytique de calcul de multicouches viscoélastiques est en cours au LCPC.Il permettra d’obtenir des résultats en un temps nettement inférieur à celui des modèles aux éléments finis et de mieux évaluer l’apport potentiel de ce type d’outil pour le dimensionnement des chaussées, en comparaison aux modèles élastiques actuels.

De multiples études et recherches,dont certaines sont en cours, restent par ailleurs nécessaires dans le domainedu dimensionnement des chausséesbitumineuses et de prédiction de leur évolution. Citons parmi celles-ci :> La comparaison entre les phénomènesd’endommagement par fatigue des enrobés bitumineux se produisant en laboratoire au cours des essais de fatigue usuels et ceux se produisant sur le terrain, compte tenu des temps de repos entre véhicules, des capacitésd’autoréparation du matériau,de la création avérée de fissures, etc.> La prédiction du phénomèned’orniérage (une démarche analogue à celle menée sur les déformationspermanentes des matériaux non traités semble possible).> La prise en compte des enrobés à froiddans le dimensionnement des couches

structurantes, étant donné les propriétésfortement évolutives de ces matériaux sur la durée de vie des chaussées.

Chaussées rigides,chaussées spéciales

Un besoin important dans ce domaineconcerne l’accélération des temps de calcul des modèles aux éléments finis, qui sont généralement utilisés pour l’analyse de ces structures,à géométries discontinues et comportement non linéaire (du fait de conditions de contact unilatérales).Plusieurs voies sont examinées dans ce sens au LCPC, notamment à l’aide d’éléments finis de type nouveau,à géométrie plane (2D au lieu de 3D) et cinématique enrichie.

Il est attendu également que l’utilisationde tels éléments fournisse un moyend’analyse rapide des phénomènes de fissuration dans les chaussées et permette ainsi de dégager et mieuxcomprendre les lois d’évolution de ce type de pathologie sur chaussée neuve ou renforcée.

Approches probabilistesexplicites

Le dimensionnement des structures est inéluctablement environné d’une notionde risque, liée au caractère statistique ou probabiliste de nombreux de paramètres en jeu. Un certain nombrede travaux tendent aujourd’hui à opérerexplicitement sur les distributionsstatistiques relatives aux données du problème et à restituer les résultats de calcul, telle que la duréede vie de l’ouvrage en fonction de son dimensionnement,sur le même mode.Ce type d’approche rend compte par principe de la sensibilité des résultats vis-à-vis des nombreusesdonnées à caractère aléatoire du problème et présente l’intérêt pour le projeteur de quantifier et illustrer concrètement le risque lié au choix d’un dimensionnement.

Chaussées à longue durée de vie

Mentionnons pour finir ce bref tour d’horizon, non exhaustif,sur les études en cours dans le domainedu dimensionnement des chaussées,

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 22


quelques réflexions et recherchesconnexes portant sur les chaussées à très longue durée de vie structurelle (à condition d’un entretien de surface adapté).L’origine de ces travaux provient en partie de la constatation faite dans certains pays de l’existence de chaussées, notamment de typebitumineuse épaisse, à durées de vie avérées, en trafic cumulé,bien supérieures aux valeurs de projet.D’où un certain nombre d’études visant à expliquer les écarts observés,à modifier en conséquence les méthodes de dimensionnement et à expliciter les règles de conception et construction de telles chaussées. Parmi les explicationsrecherchées figure celle de l’existenced’un seuil en fatigue des enrobésbitumineux, sous sollicitation réelle de trafic - distincte des sollicitationsentretenues souvent utilisées en laboratoire - ou encore l’effet du vieillissement des liants bitumineux en couche de base, dont l’augmentationbénéfique de module, et donc de diminution des déformations,l’emporterait sur l’effet négatif de fragilisation du matériau et d’abaissement de ses performances en fatigue.

�Conclusion

Le dimensionnement des chaussées reste une discipline ouverte face à :> l’évolution du contexte d’exploitationdes ouvrages,> la diversité croissante des matériaux et techniques offerts à la construction,> l’avènement des méthodesperformantielles de caractérisation des matériaux.

L’orientation des méthodes de dimensionnement vers des approches de type rationnel est aujourd’hui la voiegénéralement suivie par l’ensemble des pays pour répondre à ces défis.Toutefois, l’évolution sur le fond de ces méthodes, afin d’augmenter leur caractère prédictif et pouvoirdiminuer la part d’essais in situ,reste une tâche techniquement ardue,qui ne peut résulter que de multiplesprogrès amonts en mécanique des chaussées.

Pour clore ce chapitre, nous voudrionsinsister à la fois sur le contenupédagogique généralement riche des manuels et méthodes de dimensionnement des chaussées,

qui par nature sont le lieu de convergenced’un grand nombre de savoirs,mais aussi sur le besoin de les lire et de les mettre en œuvre en gardant à l’esprit les notions générales de mécanique, telles que tenseurs de contrainte et de déformation,lois de comportement écrites sous forme tensorielle, interprétation des états de contrainte dans le plan de Mohr-Coulomb, etc.La vocation des méthodes de dimensionnement à être opératoire conduit en effet souvent à afficher les résultats sous une formeréductrice, qui risque d’obérer la visiond’ensemble du comportement des ouvrages calculés et de faire oublierles hypothèses et limites des modèlesthéoriques manipulés. �

Bibliographie�[1] « Conception et dimensionnement des chaussées neuves »,guide technique SETRA-LCPC, 1994[2] Catalogue des structures types de chaussées neuves,SETRA-LCPC, 1998[3] « Construction des chaussées neuves sur le réseau rou-tier national - Spécifications des variantes », guide tech-nique SETRA-LCPC, 2203[4] Guide technique pour les terrassements routiers, LCPC-SETRA, 1992[5] Alizé - LCPC : logiciel de dimensionnement des chaussées,diffuseur ITECH [6] Ecowin : logiciel de dimensionnement des chaussées, dif-fuseur Ponts Formation Editions [7] Progiciel CÉSAR-LCPC, modules de calcul ainsi que de pré-et post-processeurs graphiques spécifiques aux applicationsroutières, diffuseur ITECH [8] Gel1D : logiciel LCPC de calcul thermique dans les chaus-sées, diffuseur LCPC[9] Guide d’auscultation des chaussées souples (sous la direc-tion R. SAUTEREY et P. AUTRET), Collection du LCPC,éditions Eyrolles, 1977[10] Guide pour l’auscultation des chaussées à assise traitéaux liants hydrauliques - éditions LCPC, 1979[11] Guide technique de dimensionnement des chausséessouples, SETRA/LCPC, 1978[12] Actualisation du guide de dimensionnement des renfor-cements des chaussées souples, SETRA/LCPC, 1988[13] « Aide à la gestion de l’entretien des réseaux routiers -volet chaussées », SETRA/LCPC, 2000[14] « Guide d’entretien des chaussées béton », SETRA/LCPC,2002[15] Collection des Guides pratiques de la voirie urbaine, 1999-2000, éditions RGRA[16] « Instruction sur le dimensionnement des chaussées d’aérodromes et la détermination des charges admissibles »,Direction générale de l’Aviation civile[17] Balay J., Gomes Correia A., Hornych P., Jouve P., Paute J.L.,« Etude expérimentale et modélisation du comportementmécanique des graves non traitées et des sols supports dechaussées », Bulletin de liaison des LPC n° 216, pp 3-18, 1998[18] Huet C., « Etude par une méthode d’impédance du com-portement viscoélastique des matériaux hydrocarbonés »,thèse de docteur ingénieur, Faculté des sciences de l’Univer-sité de Paris, 1963[19] Sayegh G., « Contribution à l’étude des propriétés viscoélastiques des bitumes purs et des bétons bitumineux »,thèse de docteur ingénieur, Faculté des sciences de Paris, 1965[20] J. Petitjean, J.-M. Balay, C. Fabre, « Le dimensionnementdes chaussées aéronautiques », RGRA n° 800, novembre 2001[21] Piau J.-M., Heck J.-V., Gramsammer J.-C., Odéon H.,« Modélisation viscoélastique des chaussées et comparai-son avec le comportement observé sur manège routier »,compte-rendu du congrès EC’97 « Comparaison entre résultats expérimentaux et résultats de calcul », Strasbourg,22-23 mai 1997[22] Hornych P., Kazai A., Piau J.M. (1998), « Study of theresilient behaviour of unbound granular materials, processions »,5th Conference on Bearing Capacity of Roads and Airfields,Trond-heim, Norvège, juillet 1998[23] Heck J.V., Piau J.M., Gramsammer J.C., Kerzreho J.P.,Odéon H., « Thermo-visco-elastic modelling of pavements beha-viour and comparison with experimental data from the LCPC testtrack », Proceedings BCRA’98,Trondheim, Norvège, juillet 1998

�22 23

09_23_Vol7 BAT 06/13/06 17:42 Page 23