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Généralités sur les Généralités sur les chaussées chaussées Rôles des chaussées Actions du Trafic Actions des sollicitations environnantes Eau, Gel (dégel) Notions de coûts Francis LETAUDIN Francis LETAUDIN Sacer Sacer Stage PFE : module 1 - les 12 et 13 mars 2003

Généralités sur les chaussées - lpeetetouan.p.l.f ...lpeetetouan.p.l.f.unblog.fr/files/2007/11/4gnralitssurleschauss.pdf · Rôles des chaussées ... • Pour le dimensionnement

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Généralités sur lesGénéralités sur leschausséeschaussées

Rôles des chausséesActions du TraficActions des sollicitations environnantes

Eau, Gel (dégel)Notions de coûts

Francis LETAUDIN Francis LETAUDIN SacerSacerStage PFE : module 1 - les 12 et 13 mars 2003

Rôle des chaussées

• Route : voie terrestre carrossable (Larousse).• Elle assure les déplacements des usagersdéplacements des usagers et le transport des marchandisestransport des marchandises,

quelques soient les conditions météorologiquesconditions météorologiques, dans des conditions de sécuritéconditions de sécuritéet de confort confort adapté au type d ’itinéraire.

• Répartition des charges mécaniques sur le sol support• Protéger ce sol contre une modification de ses propriétés (eau, gel, pollution,.)• Notion de niveau de service, selon 5 objectifs (plus ou moins quantifiables):

– sécurité– temps et coût du parcours– régularité du service rendu– confort de conduite– agrément du parcours

• Notion d ’itinéraire, de continuité, d ’homogénéité, de politique de constructionet d ’entretien de chaussées (étude socio-économique), savoir faire technique,codification des techniques, produits et procédés, moyens de recherche.

Profil transversal d ’une route: terminologie

Niveau de service

• Sécurité liée aux aspects de caractéristiques de surface de la C. R.– adhérence longitudinale et transversale (zone de freinage et virage)– irrégularité de profil (uni longitudinal courtes longueurs d ’ondes et uni

transversal). Celles ci peuvent conduire au délestage de roues et à la formation dezones d ’accumulation d ’eau provoquant de l ’aquaplanage.

– temps nécessaire aux écoulements des eaux de ruissellement (tracé, pentes, largeurde voies, nature C. R.,…)

• Temps de parcours et régularité service rendu: les perturbations du traficdirectement liées aux:

– travaux d ’entretien (stratégie de construction, durée de vie, type d ’entretien)– pose de barrière de dégel, fréquence des accidents, encombrement du trafic

• Confort de conduite et agrément– attachés aux accélérations verticales causées par les défauts d ’uni et les

dégradations de chaussée– confort sonore lié au bruit de roulement– confort visuel dépendant de l ’homogénéité, couleur et brillance du revêtement

Agressivité du trafic

• Pour le dimensionnement on assimile une charge à une pression uniforme pégale à la pression de gonflage s ’exerçant sur une aire circulaire (r=(P/πp)1/2).

• p pour PL est de l ’ordre de 0,65 MPa (varie entre 0,1 VL à 2,5 MPa Avion),• la charge s’applique par essieu: maxi 130 kN en France (115 kN Europe, a

priori moins pénalisant, mais les pressions et les efforts tangentiels devraientaugmenter, d ’où agressivité accrue pour la chaussée),

• les essieux : Jumelage (avant) roue simple large en tandem en tridem (70% T.)• code de la route fixe charges totales roulantes : 19 / 26 / 38 et bientôt 40 ou 44t.• les sollicitations sont plus complexes:

– répartition inégale des pressions due à la rigidité des flancs du pneu– glissement des sculptures des pneus– efforts d ’accélération, virer, freiner (crée efforts tangentiels importants en surface)– efforts dynamiques dus aux défauts d ’uni, géométrie de la route et celle du véhicule

• L ’agressivité se caractérise par de l’endommagement F, par fatigue, de lachaussée, par équivalence à l’essieu de 130 kN.

F = K (Pi / 13)α où Pi charge essieu _ K coefficient type essieu _ α type structure

Agressivité du trafic

αEssieu Simple

KEssieu Tandem Essieu Tridem

SoupleBitumineuse

5 1 0,75 1,1Semi-rigideBéton ciment

12 1 12 113

• L ’agressivité est représenté par le coefficient d ’agressivité moyen CAMfonction de la silhouette du véhicule lourd (catalogue et guide de dimensionnement).

• Le nombre d ’essieux équivalents de dimensionnement NE dépend de lacomposition du trafic:

NE = T * 365 * (d + t * d (d-1/2)) * CAM d durée de service (20 à 30 ans), T trafic PL MJA, t taux d ’accroissement

Agressivité du trafic

Silhouettes de différents camion

Agressivité du trafic : histogramme des charges à l ’essieu

Agressivité du trafic• Seules les charges lourdes endommagent la chaussée et ce d ’autant plus qu ’il

y existe des sur-charges (respect de la réglementation: pont bascule et pesage en marche).

• Quelques équivalences d ’agressivité par rapport à l ’essieu de 13 t:– 2 fois pour 14 t– 6,5 fois pour 16 t– 43 fois pour 21 t– mais équivalent à 5 essieux de 9 t et plusieurs millions de VL.

• L ’écartement des essieux influence l ’agressivité du fait de leur superpositionet d ’un temps entre les durées d ’application plus courte (pas de temps de repospour la relaxation des matériaux bitumineux) , d ’où une valeur minimale de 1,35m (mais on connaît mal l ’influence, on pense qu ’en terme d ’orniérage un tridemserait près de 4 fois plus pénalisant qu ’un essieu jumelé simple).

Superposition des essieux

Agressivité du trafic : répartition descontraintes dans la chaussée:

Structure souple Structure rigide (couches collées)

Capacité de transport de la route

• La capacité d’une voie est 1800 v/h, à une vitesse de l’ordre de 50 à 60 km/h. Si V Si V , la distance inter-v, la distance inter-vééhicule hicule et le d et le déébit bit et il y a des et il y a des bouchonsbouchons..

pour résoudre ce problème de capacité, diverses voies sont étudiées (10 à 20 ans):

Ǒ mieux utiliser le maillage existant en informant les usagers: gestion du trafic et aide à laconduite

Ǒ déterminer la distance inter-véhiculaire, à des vitesses élevées, tout en maintenant lasécurité attelages virtuels

Ǒ réaliser des autoroutes urbaines souterraines

Le gel et le drainage

Le gel joue un rôle considérable dans le comportement et l ’exploitation des routes.La profondeur atteinte par le front de gel (isotherme 0°C) dépend:

@ rigueur et durée de la période de gel (très irrégulière en France),@ nature structure de chaussée, C d F, terrassements, sol support (± gélif),@ teneur en eau des différentes couches.

Effets du gel sous 3 formes3 formes:* fracture de matériau granulaire avec formation de fines et diminution parfois très brutale des qualités mécaniques du matériau (surtout s ’ils sont: tendres et poreux).

* gonflement du sol au moment du gel, dû aux lentilles de glace accumulées sous lachaussée, effet très irrégulier (1 à 10), provenant: hétérogénéité du sol, différence deprofondeur de pénétration du gel entre axe et accotements (plus protecteur carenneigés), variations de teneur en eau entre remblais et déblais; conduisant à desvariations d ’appui pour les GTLH.

* au dégel, augmentation brutale de la déformabilité du sol de fondation (surtoutlorsqu ’il reste sous la chaussée une table gelée empêchant les infiltrations d ’eau),importance d ’un bon drainage.

Processus du gel - dégel

Le front de gel progresse jusqu ’au sol gélif humide, l ’eau passe alors en phase solide, ceciconsomme beaucoup de froid, le front progresse peu.Au voisinage de la glace formée, se crée une dépression dans l ’eau contenue dans lescapillaires du sol, qui entraîne une remontée de l ’eau liquide vers cette zone gelée(cryosuccion). Cette eau se transforme en glace, s ’accumule sous forme de lentilles. Sousl ’effet de cet écoulement d ’eau, les zones de sol proche du front de gel s ’assèchent et lemécanisme s ’arrête, mais le front de gel continu à descendre et lorsqu ’il arrive assezproche d ’une zone humide le phénomène de lentille réapparaît.

Résultat une grande quantité d ’eau sous forme de glace s ’est accumulée sous la chaussée.Au dégel la teneur en eau liquide du sol devient alors beaucoup plus élevée qu ’au départ,elle peut parfois dépasser la limite de liquidé Wl et en conséquence, la portance du soldiminue de façon considérable.

Effets notables si 3 conditions simultanées:* matériau gélifmatériau gélif (des lentilles de glace sont susceptibles de se former)* quantité d ’eau gelablequantité d ’eau gelable doit être grande grande provenant : nappe phréatique, mauvais drainage* le front de gel doit atteindre les couches gélivesfront de gel doit atteindre les couches gélives.Pour qu’il y ait dommage il faut du trafic lourd, d ’où mise en place des barrières de dégel

Mécanismes du gel

Sollicitations thermiques• Les variations de températures peuvent créer dans les chaussées des charges

de contraintes qui dépendent de:– changement de température lui même (moyenne et gradient)– conditions limites qui réduisent les possibilités de déformations plus ou moins

libres du solide.

• Ces sollicitations sont importantes pour les assises traitées LH et bétons. Lesdalles prennent des courbures en fonctions des gradients thermiquesentraînant des augmentations de la déflexion au droit des bords (fissures etjoints) qui par ailleurs sont d ’autant plus écartés qu ’il fait froid et que leurespacement est grand. (exemple variation de 5°C entraîne des contraintes de 1 à1,5MPa).

• Des fissures de retrait thermique par empêchement de dilatation du matériautrop rigide peuvent apparaître dans les GTLH mais aussi dans les matériauxbitumineux comportant un bitume trop dur (cas de bitume de grade très dur10/20 avec ajouts).

Sollicitations thermiques : cambrure de dalles

@ mise en place de barrières de dégel, grâce au suivi de la remontée du front gel (tubeIPG, avec fluorescine), mesures de déflexions dans temps pour retrouver la portance initiale(chaussée souple), inefficace sur GTLH où il faut aussi mesurer le rayon de courbure.

@ mise hors gel des chaussées, par la structure neuve (renforcement) et par la CdF et lechoix des matériaux de terrassement peu ou non gélif. La vérification au gel-dégel se faitlors du dimensionnement de la chaussée en comparant les deux indices exprimés en °C*jourIndiceIndice gel atmosphérique de RéférenceRéférence (R ou Ex) < Indice gel Admissible de la structure.

@ imperméabilisation de la couche de roulement : ESU, ECF, enrobés denses.

@ amélioration des conditions de drainage pour réduire la quantité d ’eau consommable: * éloigner les arrivées d ’eau par les accotements : fossés, exutoires, écran de rive* détourner les écoulements d ’eau traversant la chaussée* favoriser les écoulements en provenance de la chaussée: dérasement, pente,* entretenir le drainage: dérasement, curage

@ création de surlargeurs.

Lutter contre le gel

Matériaux non gélifs (SGn)

Matériaux non gélifs (SGn)

Matériaux gélifs (SGp SGt)

Corps de chaussée

C. de F.

Terrain naturel

Hn (cm)

IR = indice de gel atmo de référence

IA = indice de gel admissible par la chaussée: il est

évalué en fonction de QB par un abaque propre à chaque structure.

QB = Qg +Qng : quantité de gel admissible à la base du corps de chaussée

Qng : protection thermique apportée par les matériaux non gélifs de la CdF

Qg : quantité de gel admissible par le sol gélif

3 classes de sensibilité au gel3 classes de sensibilité au gel (essai de gonflement):SGn non gélif (matériaux %<80µ est <3%)SGp peu gélif (type A3, A4, B1)SGt très gélif (type A1, A2, B2, B3, B5, B6 et R1)

Vérification au gel : IR< IA

l’EAUEAU est un problème fondamentale pour le comportement de la chaussée,compte tenu des modifications apportées aux sols fins par sa présence.

l’AssainissementAssainissement est un projet à part entière, pour définir les captages desécoulements (long, transv.) ainsi que les rétablissements des écoulementsnaturels compte tenu : pluviométrie du site, exutoires envisageables et débitprévisionnel, contraintes hydrauliques.

Le DrainageDrainage a pour but: d ’évacuer les eaux qui ont pénétré et ruisselé dansou sur la chaussée, d ’empêcher l ’arrivée d ’eau par les côtés. Les fossésdoivent existés mais il doivent aussi évacuer l ’eau et ne pas fonctionner ensens inverse en alimentant la chaussée en eau (fond de fossé à un niveauinférieur à celui de la plate-forme), le fossé doit être au plus près du bord dechaussée celui ci présentant une sur-largeur pour éviter la circulation en limitede l ’accotement. {guide technique LPC}.

Drainage et assainissement

Schéma général des ouvrages d ’assainissement transversal et de raccordement

Drainage : quelques dispositions constructives

Drainage : quelques dispositions constructives

Protection des effets de bords

Différents types d ’accotements

Couches drainantes: nécessité d ’en assurer son bon fonctionnement durablement(absence de pollution, planéité support, éviter pièges à eau, débit exutoires).

Ecrans drainants de rive entre chaussée et accotement pour capter les eaux deruissellements dans la structure et le son support et isoler les venues d ’eau enprovenance des accotements par capillarité et améliorer ainsi l ’état hydrique de lachaussée et donc le fonctionnement des structures aux cours des cycles gel-dégel.Mise en œuvre à la trancheuse (à chaînes ou roue) sans interrompre la circulation,dans des tranchées de 15 à 25 cm de largeur et des profondeurs de 50 à 80 cm.

Pour être efficace les actions contre l ’EAU doivent être combinées:♦ Déflacher, assurer de la pente à la chaussée♦ Imperméabiliser la structure de chaussée: couche de roulement adaptée♦ Déraser accotement, Curer les fossés, Nettoyer et vérifier les exutoires

Drainage : précautions

Dessin des écrans de rives

Le compactage des terrassements: densification suffisante pour que le remblaisoit stable et que ses déformations n ’entraîne pas de désordres ultérieurs dansla chaussée.Le compactage des assises de chaussée doit conduire au maximum decompacité pour avoir les qualités mécaniques les meilleures (module, fatigue,stabilité*).D ’où des matériels différents, tenir compte des variations de nature et d ’état(humidité, température) des matériaux..

3 fonctions principales du compactage:@ rapprocher les grains pour éviter des déformations (tassements ouorniérage) des couches de chaussée,@ imbriquer, en les arrangeant, les éléments entre eux, ce qui accroît lescaractéristiques mécaniques Rc et Rt et diminue les risques d ’attrition,@ diminuer le % de vides, donc ralentir la circulation de l ’eau néfastepour le comportement du corps de chaussée et le sol de fondation.

Compactage

Tassement

Coût du compactage

Coût d ’entretien

Résistance mécanique

Coût global

Coûts

Maxiρd OPN ρd OPM ρd

Compactage influence de divers paramètres

Le compactage doit vaincre:@ la cohésion et le frottement interne,@ l’imperméabilité qui s’oppose à l’expulsion de l’air, éventuellement de l’eau.

Compactage des terrassements :3 types de compacteur:Compactage des terrassements :3 types de compacteur:@ pneus@ pneus: adapté aux sols fins et cohésifs, sous fortes épaisseurs (remblais de zonemarécageuse), engins lourds de 30 à 60 t, évoluant sur des surfaces non réglées; lacirculation des engins de chantier est aussi intéressante@ pieds dameur@ pieds dameur, adaptés aux sols ayant une forte cohésion, une lame à l ’avantpermet de régler les matériaux, agissent en profondeur, rendement élevé,@ vibrants@ vibrants, sous forme de plaques ou de rouleaux, modèles variés (à une ou deuxbille, mixte,…) mettant en jeu des fréquences et des forces centrifuges très variable,le poids sur la bille allant jusqu ’à 16t.; champ d ’action multiple: matériaux noncohérents, du sable fin au rocher; leur avantage par rapport aux engins statiquesréside dans leur poids plus léger facilitant leur déplacement.@ autres@ autres: rouleaux à grille tractés efficace sur blocs de rocher; compactagedynamique (boule), voire hydraulique sur sols meubles

Compactage (suite) terrassements

Principes de fonctionnement, résumés selon les actions suivantes:

{A} action statique {B} action dynamique________________________________________________________________________________________________

[1] effort vertical [1] vibration[2] pétrissage [2] choc[3] poinçonnement

L ’action des différents compacteurs est la suivante:

Famille de compacteurs EFFETS_____________________________________________________________________________________________

Cylindre lisses statiques A1 + A2 (parfois)Compacteurs à pneus A1 +A2 + A3 (au début)Rouleaux vibrants A1 + B1 + B2 (parfois)

Compactage (suite) principe de fonctionnement

Compactage des assises :3 types de compacteur:Compactage des assises :3 types de compacteur:@ lisses statiques@ lisses statiques: compactage en surface pour les enrobés, pinçage du joint,effacement des traces de pneus et cylindrage des BBDr.@ à pneus@ à pneus, réglage charge statique (lestage) mode de classement, pression degonflage, vitesse de travail; compactage en profondeur et en association avec lescompacteurs vibrants.@ vibrants@ vibrants, par l ’intermédiaire d ’un arbre excentré à l ’intérieur du cylindre, cetarbre, de moment d ’excentrique me, tourne à une fréquence f et développe uneforce centrifuge Fc= (me) * w² avec w=2f.L ’amplitude théorique à vide A0= me/M0, avec M0 masse vibrante (totale sur labille); mode de classement M/L et A0.

Compactage (suite) assises

Remarque: le compactage est une activité dont le rendement est décroissant: un gainde 1% de densité est plus difficile à obtenir quand la densité déjà atteinte est élevée;mais elle est toujours rentable, par suite d ’une augmentation des performancesmécaniques en rapport aux coûts d ’entretien ultérieur, en cas de déficience.

Dessin de la répartition des masses et définitionsdes paramètres de construction d ’un rouleau

Compactage paramètres de construction d ’un rouleau vibrant

Quelques définitions sur l ’état des matériaux3 phases

¤ solide: grains solide de volume Vs et de poids Ps¤ liquide: eau présente entre les grains Vw, Pw¤ gazeuse: air ou gaz, ± saturé de vapeur d ’eau Va, Pa

la variation des proportions des volumes Vs, w, a; au seindu matériau permet de le retrouver le sol sous forme solide, plastique ou liquide

P

PaPw

Ps

VaVw

VsV

solide

liquideair

Terminologie¤ masse volumique des grains solides Ps/Vs ≈ 2,7 pour les matériaux routiers¤ masse volumique du sol (eau+air+grains) souvent appelé densité humide¤ masse volumique du sol sec (air+grains) ρd souvent appelé densité sèche¤ porosité : n= volume des vides / volume du sol = (Vw+Va) / (Vw+Va+Vs)¤ indice des vides : e = volume des vides / volume des grains = (Vw+Va) / Vs¤ teneur en eau (en %) : w= poids eau / poids sec = (Pw / Ps) *100 ¤ degré de saturation (en %) : Sr= vides occupé par l ’eau / vide total : Vw/ (Vw+Va)*100¤ compacité (en %) : C =100 -teneur en vide (en %)= (m.v. apparente / m.v. absolue)*100¤ teneur en liant : Poids du liant / poids des grains (exprimé en ppc) en France

Nouveau Européen : Poids du liant / poids total (grains et liant) en %

Volume des vides: Vv=Va+VwPoids: P ≈Ps+Pw

Quelques notions de coûtsRoutes nationales, construction neuveProvince

Route à 2 voies : 16 MFRoute à 3 voies : 21 MF

Route à 4 voies et 2x2 voies : 30 MFRoute à 5 voies et 2x3 voies : 38 MF

Ile-de-FranceRoute à 2 et 3 voies : 60 MFRoute à 2x2 voies et plus : 120 MF

Coût moyen des autoroutes à 2X2 voies (janvier 1997)

Types de travaux Coût au km

Site de plaine 32 MF

Site vallonné 38 MF

Site très vallonné ou montagneux 108 MFMF : millions de francs

Autoroutes interurbaines

Coût d'objectif moyen de l'entretien préventif des chaussées(sur réseau non concédé)

Voies rapides urbaines 10,00 F/m2

Voies à caractère autoroutier 7,50 F/m2

Autres grandes liaisons 5,00 F/m2

Routes nationales de liaison 4,50 F/m2

Routes nationales ordinaires 3,50 F/m2

Bretelles 6,00 F/m2

Quelques notions de coûts