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Analyse et conception des chaussées
Module 2: Conception des chaussées
Cours # GCI-65180
Département de génie civil
Préparé par
Guy Doré ing.PhD.
Génie Civil, Université Laval
Approches de conception des chaussées souples
Génie Civil, Université Laval
Généralités
La chaussée est un interface entre le sol et les véhicules se déplaçant à haute vitesse à la surface. Elle doit ainsi pouvoir:
» distribuer la charge et transmettre au sol support une contrainte qui n’entraînera pas de déformation excessive à ce niveau,
» atténuer les mouvements différentiels qui proviennent du sol et limiter les déformations résultantes en surface,
» maintenir ses qualités structurales (portance) et fonctionnelles (adhérence et uni) à long terme.
Génie Civil, Université Laval
Conception des chaussées:1: Les grandes approches de
conception
Quatre approches de conception:
Règles d’expérience Approches empiriques Approches analytiques-empiriques Approches analytiques
Génie Civil, Université Laval
Les règles d’expérience
Approche plus ou moins formelle de conception basée sur l’expérience acquise.
Exemples:» Règle du 3/6/9/12» Règle du 0,5X pour la protection contre le gel
Prend tout au plus la forme d’un catalogue simple de structures types.
Principe général des méthodes basées
sur l’expérience
Objectifs de conception (période, trafic et niveau de service)
Épaisseurs requises des couches
Caractéristiqueset conditions Spécifiques:•Sols•Matériaux•Climat
Expérience locale
?
Génie Civil, Université Laval
Approches empiriques
Méthodes basées sur l’observation systématique du comportement et/ou sur le développement de relations statistiques entre les caractéristiques structurales et le comportement de la chaussée.
Exemples:» Approche de conception de l’Ontario basée sur le site
expérimental de Brampton» Approche de conception de l’AASHTO basée sur l’essai
routier du même nom
Approches rationnelles qui ont l’avantage de bien “coller” à la réalité mais qui sont difficiles à transposer à des situations différentes de celles qui ont servi à leur développement
Principe général des méthodes basées
sur l’approche empirique
Objectifs de conception (période, trafic et niveau de service)
Épaisseurs requises des couches
Caractéristiqueset conditions Spécifiques:•Sols•Matériaux•ClimatC
ondi
tion
N
Modèle empirique
Condition terminale
Génie Civil, Université Laval
Approche analytique-empirique
Méthodes basées sur le calcul de la réponse théorique de la structure soumise à une sollicitation et association statistique de la réponse calculée au comportement observé de chaussées d’essai.
2 étapes:
1. Calcul des contraintes et déformations admissibles dans la chaussée en fonction du trafic attendu (modèles de fatigue et de déformation permanente)
2. Calcul des épaisseurs requises pour rencontrer les critères de contraintes et/ou déformations admissibles
Objectifs de conception (période, trafic et niveau de service)
Déformations admissibles
Épaisseurs requises des couches
Caractéristiqueset conditions Spécifiques:•Sols•Matériaux•Climat
Principe général des méthodes basées
sur l’approche analytique-empirique
adm.adm.
Modèle de calculmécanique
adm
Log N
Fonction de transfert empirique
Génie Civil, Université Laval
Approche analytique-empirique (suite)
Exemples de méthodes analytiques-empiriques:» Méthodes de conception françaises (Alisée et Écoroute)» Méthode Asphalt Institute (DAMA)» Méthode PCA (chaussées rigides)
Méthodes généralement supportées par outils informatiques
Génie Civil, Université Laval
Approche analytique-empirique (suite)
Pour une chaussée existante:» Observation de la réponse de la chaussée sous sollicitation» Calcul de la vie résiduelle» Détermination du renforcement requis pour ramener la
réponse à une valeur acceptable en vue d’une nouvelle période de conception
Pour une chaussée neuve» Établissement de la réponse admissible en fonction de la
période de conception choisie» Détermination des épaisseurs requises pour obtenir une
réponse acceptable
Génie Civil, Université Laval
Approche analytique
Même principe que pour les méthodes analytiques-empiriques
Modèles de performance basés sur des fonctions analytiques et non statistiques. Exemples:» Modèle d’uni MMOPP» Modèle d’orniérage “CASTOR”
Méthodes en développement.
Objectifs de conception (période, trafic et niveau de service)
Déformations admissibles
Épaisseurs requises des couches
Caractéristiqueset conditions Spécifiques:•Sols•Matériaux•Climat
adm.adm.
Modèle de calculmécanique
Fonction de transfert analytique
.,,,, etcENFadm
Principe général des méthodes basées
sur l’approche analytique
Modèle mathématique de déformationpermanente MMOPP (source: Ullidtz)
Génie Civil, Université Laval
2: Conception des chaussées souples
2.1 La méthode AASHTO
2.2 La méthode LC du MTQ
2.3 La méthode Boussinesq/Odemark
Génie Civil, Université Laval
2.1- Méthode AASHTOMéthode empirique fondée sur l’essai routier AASHO (1959-1961)Site expérimental:
» Construction 1956-1957» Circulation 1968-1960
Élaboration de la méthode: 1961 (révisions en 1972, 1981, 1986 et 1993)Coût de l ’essai: $27M (US, 1961)Essai réalisé à Ottawa, Illinois
» Infra.: silt argileux (A-6 A-7)» Précipitations annuelles: 860 mm» Pénétration moyenne du gel: 700 mm
Objectif: Établir une relation entre les caractéristiques structurales de la chaussée et l ’évolution dans le temps du niveau de qualité des chaussées (exprimé en indice de viabilité ou PSI)
Génie Civil, Université Laval
Génie Civil, Université Laval
Génie Civil, Université Laval
Génie Civil, Université Laval
Génie Civil, Université Laval
Chargement boucle 5
Génie Civil, Université Laval
Chargement boucle 6
Génie Civil, Université Laval
Résultats typiques de l’essai sur chaussées souples, boucle 4 avec 3”
fondation +SF
BB Essieu SF SF
8.0 po 12.0 po
4.0 18,000# S 106,000 1,110,000
32,000# T 144,000 796,000
5.0 18,000# S 589,000 592,000
32,000# T 752,000 (2.2)
Génie Civil, Université Laval
Résultats typiques de l’essai sur chaussées souples, boucle 6 avec 3”
fondation +SF
BB Essieu SF SF
8.0 po 12.0 po
4.0 30,000# S 72,000 373,000
48,000# T 80,000 573,000
5.0 30,000# S 78,000 101,000
48,000# T 103,000 419,000
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
Facteurs considérés pour la conception:1) Performance de la chaussée
2) Trafic
3) Sol d’infrastructure
4) Matériaux de construction
5) Qualité du drainage
6) Niveau de fiabilité
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…1) Performance de la chaussée
» Performance structurale– Fissuration (fatigue)– Orniérage
» Performance fonctionnelle– Uni
Concept du niveau de viabilité (serviceability)» Indice de viabilité (PSI)» Déterminé à partir du niveau de détérioration (Fissuration et
rapiéçage) et du niveau d’uni (variance de pente)» Évaluation par experts sur une échelle subjective allant de 0 à 5» Indice de viabilité initiale (4,2 à 4,5)» Indice de viabilité terminale (entre 2,0 et 3,0)
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
Indice de viabilité (Pavement Serviceability Index)
Équation de corrélation:
PSI = 5.03 -1.91*log(1+SV) – 1.38 RD2 – .01(C+P)1/2
où:
SV = Uni (Slope Variance)
RD = Orniérage (Rut Depth)
C + P = Fissuration (Cracking and Patching)
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
2) Trafic» Utilisation des ÉCAS
3) Sol d’infrastructure» Module réversible (de résilience) utilisé pour caractériser les
propriétés mécaniques du sol» Mesuré en laboratoire ou estimé:
Mr = 10,3 * CBR
Mr en MPa (valable pour CBR saturé =< 10 sols fins)
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
4) Matériaux de construction
Les propriétés mécaniques des matériaux de chaussée sont représentées par le coefficient structural « a » spécifique au matériau considéré.
Le coefficient « a » peut être déterminé à partir des propriétés mécaniques du matériau.
Sous fondation» a3 varie typiquement entre 0,06 et 0,14
Fondation
» a2 varie typiquement entre 0,06 et 0,14
Revêtement» a1 varie typiquement entre 0,2 et 0,45
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
5) Qualité du drainage
Effet considérable sur la performance de la chaussée
Pris en compte par l’introduction d’un coefficient de drainage “m” qui reflète le temps requis pour évacuer l’eau de la chaussée
Le coefficient “m” est utilisé pour corriger le coefficient structural dans le calcul du nombre structural
Drainage inefficaceTrès pauvre
2 semainesPauvre
1 semaineMoyenne
1 jourBonne
2 heuresExcellente
Eau évacuée enQualité du drainage
Temps d’exposition à des conditions proches de la saturation
Drainage
0,40,75-0,401,05-0,75Très pauvre
0,60,80-0,601,15-0,80Pauvre
0,801,00-0,801,25-1,05Moyen
1,001,15-1,001,35-1,15Bon
1,201,30-1,201,40-1,30Excellent
> 25%5-25%0-5%
Valeurs recommandées du coefficientde drainage pour diverses conditions
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
6) Niveau de fiabilité
Introduit dans le guide 93 pour tenir compte de l’incertitude associée à la prédiction du trafic et de la performance ainsi que de l’imprécision associée à la caractérisation des matériaux et de la structure.
Niveau de fiabilité “R%”
Représente la probabilité que la conception permette d’atteindre les objectifs: R = 67 implique qu’il y a deux chances sur 3 que les objectifs de conception (durée de vie) soient atteints.
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
La fiabilité de la conception est prise en compte par l’introduction de deux paramètres statistiques:
S0 qui représente l’écart type global des paramètres de conception et de la prédiction de la performance. Il varie entre 0,4 et 0,5 pour les chaussées flexibles et entre 0,3 et 0,4 pour les chaussées rigides
ZR est le facteur de distribution normale qui est fonction du niveau de fiabilité désiré
PSIi
PSIt
NDESNP
NDESNP
S0
zR
R
90
95
1.8
1.8
2.5
2.5
4.3
4.3
20
20
<20000
>20000
Autoroute
80
85
90
2.0
2.0
1.8
2.3
2.3
2.5
4.3
4.3
4.3
15
15
20
<5000
5000-20000
>20000
Nationale
66
75
80
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
4.0
4.0
4.0
15
15
15
<2000
2000-3000
>3000
Collectrice et régionale
50
66
2.0
2.0
1.8
1.8
3.8
3.8
15
15
<1000
>1000
Locale
R%PSIPSItPSIiPériodeDJMA Projeté
Classe de route
Critères et objectifs de dimensionnement structural du MTQ
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
Conception par méthode AASHTO
1) Calcul du nombre structural
SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3
où:
a1, a2, a3 sont les coefficients structuraux pour le revêtement, la fondation et la sous-fondation respectivement
Di est l’épaisseur de la couche
mi est le coefficient de drainage de la couche
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…2) Résolution de l’équation AASHTO
Équation de base:
où: W18: nombre total d’ECAS
ZR: est le facteur de distribution normale
S0: Ecart type global
SN: Nombre structural
PSI: pi - pt
Mr: Module réversible (lb/po2)
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log20,01log36,9log
19,5
01810
rR M
SN
PSI
SNSZW
So
lutio
n p
ar
aba
que
de
l’é
qua
tion
AA
SH
TO
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
4) Répartition des épaisseurs
SNT
SN2
SN1
1
1*1 aSND 1**1 11
SNDaSN
22
*12*2 ma
SNSND
2*2*1 SNSNSN
33
*2*13*3 ma
SNSNSND
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTO…
5) Considérations pratiques:
Épaisseurs minimales des couches
(selon l’AASHTO)
6 (150)4.0 (100)>7000
6 (150)3.5 (87)2000-7000
6 (150)3.0 (75)500-2000
4 (100)2.5 (62)150-500
4 (100)2.0 (50)50-150
4 (100)1.0 (25) ou TS>50
Fondation granulaire
po(mm)
Revêtement
po(mm)
Trafic (ECAS)
X1000
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2.2 Méthode LCMTQ
Approche fondée sur la méthode AASHTO Adaptée pour des conditions typiques d’exploitation au Québec Utilisation d’un critère empirique de protection contre le gel Méthode normalisés pour:
»DJMA < 5000»N/jour/voie < 250
»Ntot <2 250 000 ÉCAS
Calcul spécifique avec abaques de conception pour cas hors norme
Génie Civil, Université Laval
Méthode LC…
UTILISATION DE LA NORME
Étape 1: Épaisseur de la sous-fondation
a) Établir le type de sol d ’infrastructure (sectionner s ’il y a lieu)b) Déterminer l ’indice de gel pour la région du projet. Qualifier
l ’indice de gel. (figure 6.7)
Normal: < 1200°C*JÉlevé: 1200 °C*J<IG<1700 °C*JTrès élevé: > 1700 °C*J
c) Déterminer les épaisseurs à partir du tableau 6.14. (Utiliser la valeur maximale de la fourchette si cas sensible au gel et la valeur minimale si non-sensible au gel)
Génie Civil, Université Laval
Méthode LC…
d) Vérifier que l ’indice de liquidité n ’excède pas 0,9. Une étude spéciale est requise le cas échéant.
Étape 2: Fondation et revêtement
a) Calculer le DJMA corrigé en fonction du facteur d ’accroissement (tableau 6.15)
b) Corriger en fonction du % de véhicules lourds
c) Vérifier si les valeurs n ’excèdent pas la portée de la norme
d) Déterminer la zone d ’application
e) Déterminer les épaisseurs à partir du tableau 6.16
f) pour les cas de transport très lourd (exploitation forestière, minière ou de carrière), utiliser l ’intervalle supérieur de DJMA corrigé
P
pL II
Génie Civil, Université Laval
Méthode LC …
CAS NON TRAITÉS PAR LA NORME
Données de base requises
» Classification de la route» DJMA corrigé pour accroissement
» Ntot
» Zone (nord ou sud)» Type de sous-fondation» Classification du sol support» Indice de gel» Profondeur de la nappe phréatique
Génie Civil, Université Laval
Méthode LC…
Étape 1: Dimensionnement structural
Déterminer les épaisseurs des couches de revêtement, de fondation et de sous fondation à partir des abaques (figures 6.8 à 6.18)
Étape 2: Protection contre le gel
Vérifier que l ’épaisseur totale de la chaussée corresponde à l ’épaisseur calculée à l ’aide de la figure 6.19. Si la chaussée est trop mince, elle doit être ajustée par augmentation de l ’épaisseur de sous-fondation
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2.3: Méthode Boussinesq-Odemarq
Objectifs de conception (période, trafic et niveau de service)
Déformations admissibles
Épaisseurs requises des couches
Caractéristiqueset conditions Spécifiques:•Sols•Matériaux•Climat
adm.adm.
Modèles de calculMécanique:1-Épaisseur équivalente requise (Boussinesq)2-Transformation (Odemarq)
adm
Log N
Fonction de transfert empirique
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3: Conception des chaussées rigides
Généralités Facteurs de conception Méthodes de conception Méthode PCA
Génie Civil, Université Laval
Généralités
Champ d’application Routes à fort volume: Dans la politique du MTQ, DJMA de 40,000 est
considéré comme un seuil Sol sans problème de comportement particulier À privilégier sur les axes routiers ou on cherche à minimiser le nombre
d’interventions (?)
Au Québec Concentrées sur les autoroutes aux environs de Montréal Environ 1200 km pondérés (4% du réseau MTQ) Pratique: Dalles courtes avec goujons et tirants
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Facteurs de conception
Paramètres importants Le sol support: caractéristiques mécaniques et gélivité Nombre d’applications de charges (N) Les propriétés mécanique du béton (module en flexion) Rôle et dimensions des éléments de transfert de charge Le facteur de sécurité (augmente avec l’importance de la route) Mesures pour minimiser les effets de bordure Tolérances de construction (épaisseurs, profil de la surface et
construction des joints)
Génie Civil, Université Laval
Méthodes de conception
2 méthodes principales en Amérique du Nord» Méthode PCA: fondée sur une approche mécaniste-empirique» Méthode AASHTO: méthode empirique utilisant les mêmes principes que
la méthode pour les chaussées souples Méthodes validées, éprouvées et reconnues Solution par abaques ou par logiciels de conception
Génie Civil, Université Laval
Méthode PCA
Critères de conception2 critères utilisés dans la méthode PCA Critère de fatigue
» Pour maintenir les contraintes à l’intérieur de limites acceptables considérant le nombre d’applications de charges prévu
» Position de l’essieu et effets de bordure critiques pour l’analyse Critère d’érosion
» Le contrôle de la déflexion au joint (et surtout ou coin) permet de contrôler
– Le pompage– la détérioration des joints– la détérioration des accotements
Position de l’essieu pour les contraintes critiques en flexion (fatigue)
Position de l’essieu pour les déflexions critiques (érosion)
Génie Civil, Université Laval
Méthode PCA…Paramètres de la méthode
Résistance en flexion du béton (Norme ACNOR CAN 3-A23.2-8C)» Accroissement de la résistance avec l’âge (pris en compte dans la
méthode)» Valeur à 28 jours utilisée
Portance de la fondation et de l’infrastructure» Module de réaction k utilisé. Peut être mesuré par essai de plaque ou
estimé » Valeurs typiques d’été ou d’automne utilisées (même en conditions de
gel)» Correction pour tenir compte de l’apport de la fondation granulaire,
traitée ou non
Résistance en flexion du béton en fonction de l’âge
Effet des fondations sur le module de réaction
K (infra)
MPa/m
K (MPa/m) avec fondation non traitée
Épaisseur:
100mm 150mm 225mm 300mm
20 23 26 32 38
40 45 49 57 66
60 64 66 76 90
80 87 90 100 117
K (infra)
MPa/m
K (MPa/m) avec fondation traitée au ciment
Épaisseur:
100mm 150mm 200mm 250mm
20 60 80 105 135
40 100 130 185 230
60 140 190 245 --
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Méthode PCA…
Période de conception
» Entre 20 et 40 ans
» Cas normaux: 20 à 25 ans
» Cas de routes pour lesquelles on veut minimiser les interventions: 30 ans et +
Charge induite par le trafic
» Méthode PCA basée sur un DJMA corrigé (débit journalier moyen de camions JMA-C)
» Nombre de camions de 6 roues et plus
» Si requis, on applique un facteur d’accroissement
» Répartition des camions par direction et par voie
» On tient compte d’une répartition des charges axiales
Génie Civil, Université Laval
Méthode PCA…
Charge induite par le trafic (suite)» On applique un facteur de sécurité
– 1.0 pour les routes secondaires et rues
– 1.1 pour les rues et routes à volume de camions modéré
– 1.2 pour les routes nationales et autoroutes
Caractéristiques de la dalle» Types de joints (goujonnés ou non)» Sur-largeur ou accotement lié
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Méthode PCA…1. Choix d’une épaisseur de dalle
2. Analyse à la fatigue
On calcule, pour chaque classe de charge axiale, le dommage par fatigue
3. Analyse à l’érosion
On calcule, pour chaque classe de charge axiale, le dommage causé par l’érosion
4. Si le dommage par fatigue ou par érosion excède 100%, on reprend l’analyse avec une dalle plus épaisse
5. Si le dommage par fatigue et par érosion sont nettement inférieures à 100%, on reprend l’analyse avec une dalle plus mince
Génie Civil, Université Laval
4: Prise en compte du gel
Génie Civil, Université Laval
Méthode AASHTOFacteurs pris en compte: Température
Précipitations
Gel Température
Prise implicitement en compte pour déterminer le coefficient structural de l’enrobé bitumineux
Précipitations et dégel
Pris implicitement en compte pour la détermination du coefficient de drainage (point 6) et pour l’établissement du module effectif du sol support
Le gel
Pris en compte par le calcul d ’une perte de viabilité due au gel
AutomneÉtéPrintempsHiver
Module réversible
Dommage
31,01272,3
nu
uf
f 32.281018,1 Rf Mu
Pe
rte
de
niv
eau
de
se
rvic
e (P
SI)
Âge de la chaussée (années)
PSIgel
PSItotal
Illustration conceptuelle du PSIgel
Gélivité des sols pour le calcul de PSIgel
tf ePSIPPSIgel 02,0(max101,0
Calcul de PSIgel
Pf: Probabilité que la section soit affectée par le gel
: Taux de soulèvementt: Période de conception
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Méthode LC
Utilise le module réversible effectif Protection contre le gel assurée par un critère
empirique: courbe de Transport Canada modifiée» Assure une protection partielle de la chaussée contre le gel» Critère d ’épaisseur totale de la chaussée» Comporte des facteurs de correction pour le type de sol et
pour la classe de route
Protection contre le gel (MTQ)
600
700
800
900
1000
1100
500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500
Indice de gel normal (deg. C*jours)
Ép
aiss
eur
tota
le d
e la
ch
auss
ée
Facteur de correctionType de sol FS Type de route FR
GM, GC 0,85 Autoroute 1,10SM, SC 1,00 Nationale 1,00ML, CL, MH 1,15 Reg. Et Coll. 0,90CH, SM (fin) Locale 0,80
Protection requise = P X FS X FR
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Autres méthodes
Méthode LC en développement (voir article) Utilisation d ’un indice de gel de retour (approche
probabiliste) Protection totale pour cas sévères
» Excavation» Isolation
Drainage
Génie Civil, Université Laval
Approches actuelles
Épaisseurs totales en fonction de critères empiriques Portance au dégel Perte de viabilité associée à l'action du gel Indicateur de l'action du gel comparé à une valeur
admissible
Génie Civil, Université Laval
Méthodes actuelles: limitations
Approches essentiellement empirique Approches incomplètes Difficile de quantifier le bénéfice associé à une
stratégie de conception et d'optimiser la conception structurale
Génie Civil, Université Laval
Méthodes actuelles: tendances
Développements en cours en Finlande, aux États-Unis et au Canada» Utilisation des réponses mécanique et thermodynamique de
la chaussée» Utilisation de critères associés à la performance
Génie Civil, Université Laval
Concept de l'approche ADAAGE
Objectifs etcontraintes
Conception préliminaire
Paramètresspécifiques
Calcul de laréponse
Prédiction de la performance
Objectifs?
Bonification
Génie Civil, Université Laval
Étape 1: réponses mécaniques et thermodynamiques
Gel
Dégel
Pénétrationdu gel et
soulèvement
SP
Soulèvement différentiellongitudinal
Soulèvement différentieltransversal
Calcul des déformations par saison
R
h4
VH
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Étape 2: prédiction de la performance
h4Uni saisonnierUni à long terme
R Fissurationlongitudinale
CarrelageOrnières str.
VH
Âge de la chaussée
Con
diti
on d
e la
ch a
u ssé
e
Génie Civil, Université Laval
Étape 3: vérification de l ’atteinte des objectifs
Durée de vieNiveau de qualité
UniFissuration Fatigue
Oui
Conception finale
NonBonification
Génie Civil, Université Laval
Étape 4: Bonification de la structure de chaussée
Déficience
Uni
Fissuration
Fatigue
Améliorations proposées
Renforcer le revêtementÉpaissir le revêtementÉpaissir la fondation Traiter la fondationÉpaissir la structure
Améliorer le drainageTraiter le sol
Uniformiser le solIsoler
Élargir la voie dégagée
Chaussée
Neuve
Existante
Génie Civil, Université Laval
Isolation thermique de la chaussée
Principes généraux
Utilisé dans les cas de soulèvements différentiels importants
L’isolant a pour effet d’empêcher la chaleur du sol de s’échapper
=> empêche ou diminue la pénétration du gel dans le sol
=> réduit les soulèvements, donc atténue les soulèvements différentiels
L’isolant a généralement pour effet d’affaiblir la chaussée
Génie Civil, Université Laval
Isolation thermique (suite)
Types d’isolants
Les isolants secs
Ce type d’isolant emprisonne l’air ce qui lui confère une faible conductivité thermique
– Polystyrènes
– Uréthanes
Les isolants humides
Ce type d’isolant retient l’eau et tient son efficacité de la chaleur latente accumulée
– Tourbe
– Résidus de bois
Génie Civil, Université Laval
Isolation thermique (suite)Dimensionnement structural
Calcul de l’épaisseur équivalente de matériaux granulaires qui doit recouvrir l’isolant pour limiter la contrainte sur l’isolant à une valeur admissible
Z: épaisseur du recouvrement granulaire (m)
: Charge appliquée (kN) (valeur typique: 40kN)
p: pression es pneus (kPa) (valeur typique: 700kPa)
a: Contrainte admissible de l’isolant:
= 0,50 Rc si N=103
= 0,12 Rc si N=106
= 0,10 Rc si N=108
Rc est la résistance en compression de l’isolant
21
32
11
p
pZa
Génie Civil, Université Laval
Isolation thermique (suite)Dimensionnement thermique
L’épaisseur est calculée en fonction de l’indice de gel Méthode norvégienne: basée sur une période de retour (probabilité
d’avoir un hiver rigoureux) (tableau 9.1) Au Québec, on utilise l’indice de gel rigoureux qui correspond à une
période de retour de 10 ans (moyenne des trois hivers les plus froids en 30 ans)
IGr = 1,143 IGn + 220 (deg.C*jours)
IGr et IGn sont les indices de gel rigoureux et normal
Génie Civil, Université Laval
Isolation thermique (suite) L’épaisseur est généralement calculée pour offrir une protection totale Méthodes de calcul
» Abaques (figure 9.1)
» Modèles de calcul: les méthodes basées sur des modèles de calcul requièrent une bonne connaissance des lois de transfert de chaleur et des caractéristiques des matériaux:
- Capacité calorifique
- Conductivité thermique
- Chaleur latente de fusion
Modèles: Stefan
Berggren
Aldrich et Painter
Tg: Température moyenne annuelle en surface du remblai
A0: Amplitude de la sinusoide en ºC. Égal approximativement à:
dégelgel IIp
A 2
0
Où: p=365 joursIgel est l’indice de gel et Idégel est l’indice de dégel en ºC
Épaisseur du polystyrène (cm)
Épaisseur du gravier (m)
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Isolation thermique (suite)
Givrage différentiel
Puisque l’isolant fait obstacle à l’écoulement de la chaleur géothermique, il permet un refroidissement plus rapide de la surface en automne
Il y a donc risque de formation de givre en surface sur les sections isolées alors que les sections adjacentes non-isolées ont des surfaces humides
=> risque important de perte de contrôle
Précautions requises:
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Isolation thermique (suite)
Précautions requises:
» Éviter d’utiliser l’isolation thermique dans les situations suivantes:
– Dans les zones de freinage: ex: à moins de 100m d’une intersection ou d’un passage à niveau
– Au sommet d’une côte– Dans les courbes– Dans les pentes abruptes
» Lorsque l’on utilise un isolant, il est recommandé de placer une épaisseur minimale de 450 mm de gravier au dessus de l’isolant
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Isolation thermique (suite)
Transitions
Les transitions sont requises pour minimiser les comportements différentiels aux extrémités de la zone isolée
Les transitions sont réalisées en diminuant progressivement l’épaisseur de l’isolation et/ou en augmentant progressivement l’espace entre les panneaux
Les transitions doivent êtres prévues transversalement et longitudinalement
Transition transversale
Transition longitudinale