Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
11 mars 2009Les Présentations du Laboratoire de Strasbourg
Conception structurelle des chausséesProtection au gel/dégel
Vincent RouchLRPC de StrasbourgLes 1, 2, 3 Avril 2009
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Prise en compte du gel/dégeldans les chaussées
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Vérification au gel/dégel
Principe :
La structure convient si :I admissible de la chaussée > I hiver de référence
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Quelques définitions . . .
Indice de gel : somme des températures journalières moyennes pendant la période de gel (°C x jours)(atmosphérique Iatm, en surface IS, à une profondeur z...)
IQuantité de gel : racine carrée d’indice de gel
(atmosphérique, en surface, à la profondeur z...)
Q
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Hiver de référence :choisi par le maître d’ouvrage, et caractérisé par son indice de gel IR :– Hiver exceptionnel : hiver le plus rigoureux sur la
période considérée – Hiver rigoureux non exceptionnel : hiver ayant une
fréquence d’apparition de 10 ans ;– Autres valeurs : ...
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Indice de gel admissible Iadm, calculé pour la structure considérée, en
fonction de :– la gélivité des matériaux du support ;– la protection thermique apportée par les matériaux non
gélifs (couche de forme, chaussée) ;– la résistance mécanique de la structure ;– les phénomènes de rayonnement et convection en
surface.
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Gélivité des matériaux du support• Essai de gonflement (NFP 98-234-2):
classement en fonction de la pente 0,05 0,4 p (mm/
(°Cxh)1/2)SGn SGp SGt
• Découpage de la plate-forme en sous-couches de gélivité croissante :
SGn SGp/SGt SGtSGp
SGn SGn SGnQg
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Résistance mécanique de la chaussée
• Au dégel, chute de portance du sol support possible si : ∆σ < 5%
pénétration du front de gel en phase de gel, donc QM admise en surface de la plate-forme (QM = edégelée/10 )
σe dégelée ?
1,05 x σ
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Protection thermique
• Modèle unidimensionnel de Fourier :relation entre l’indice de gel de surface IS et l’indice de gel transmis à la base de la chaussée It(décroissance hyperbolique de Θsurf)
• Méthode simplifiée :utilisation de coefficients précalculés
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Vérification au gel/dégel : résumé
IR
SGtSGp Qg
QngQPF = Qg+Qng+QM
IS = f (It=QPF2)IA = IS/0,7 + 10OK si IR< IA
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Bref historique
Hiver 1962-63 : indice de gel supérieur à 150 °Cxj sur plus d’un tiers du territoire français (plus de 400 °Cxj en Alsace)– problèmes importants au dégel ;– travaux de recherche pour mieux comprendre ;
1 - Mise au point d’un essai pour quantifier la gelivité des sols (NF P 98-234-2)
2 - Développement d’une méthode de prise en compte du gel en phase de conception de chaussées (abaques du Catalogue 1977)
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Ruine de la chaussée au dégel : exemple du Réseau Routier National : Hiver 1962-63
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Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Que se passe-t-il dans un cycle de gel/dégel ?
• Au gel (température ambiante durablement négative) :pénétration du front de gel (θ = 0°C) dans la chaussée :– soit dans le corps de chaussée (en général non gélif)– soit dans le sol support :
1 - si non gélif : pas de problème2 - si gélif : gel => gonflement (cryossuccion)
gélifraction des granulatsGélifraction
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Été Hiver
Soulèvement différentiel
CCDG: règle de 3 m (Dmax= 5 mm après MeO)
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Tr-geltr 18
Les soulèvements au gel : - Affectent le confort de roulement (et la sécurité)
- Fissurent le revêtement - Diminuent la durée de vie de la chaussée
- Augmentent les frais d’entretien - Coûteux à réparer
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Que se passe-t-il dans un cycle de gel/dégel ?
• Au gel (température ambiante durablement négative) :pénétration du front de gel (θ = 0°C) dans la chaussée :– soit dans le corps de chaussée (en général non gélif)– soit dans le sol support :
1 - si non gélif : pas de problème2 - si gélif : gel => gonflement (cryossuccion)
gélifraction des granulats• Au dégel (température ambiante durablement
positive) :– pénétration du front de dégel– chute de portance si matériau gélif (évacuation d’eau)
Gélifraction
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Dégel
Temps
Prof.Gel
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Définitions (1/2)
• Indice de gel atmosphérique Iatm : somme cumulée des températures moyennes journalières sous abri, calculée à partir du premier jour pour lequel la température moyenne devient négative.Valeur absolue (°C x j) Notation : I
• Sur le même principe, on définit :– Is : indice de gel en surface de la chaussée
– It : indice de gel transmis à la base du corps de chaussée
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- 7 . 5
- 5
- 2 . 5
0
2 . 5
5
7 . 5
1 0
- 6 0
- 4 0
- 2 0
0
2 0
4 0
Température (°C)
Indice de gel (°Cxj)
jours
joursIG1 = -37 °Cxj IG2 = -49 °Cxj
ID1 = 35 °Cxj
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Définitions (2/2)
• Quantité de gel : racine carrée de l’indice de gel( ) Notation : Q° Cxj
Peut être calculée :– dans l’air ambiant ;– en surface (QS) ;– à la base de la structure de chaussée (Qt) ;– à toute autre profondeur...
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Rigueur hivernale (hiver 1962-63)
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Rigueur hivernale (hiver 1962-63)
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
0255075100125
0
3
6
9
12
Indice de gel (°C x jours)
Hivers exceptionnels : 1951 - 1991
0
25
0
3
6
9
12
Indice de gel (°C x jours)
Hivers rigoureux non exceptionnels : 1951 - 1991
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Quelques ordres de grandeurs ...
• France : hiver rigoureux non exceptionnelMarignane 20 °CxjBordeaux 40 °CxjLille 85 °CxjParis 100 °CxjStrasbourg 180 °Cxj
• Québec : hiver normalMontréal 1000 °CxjQuébec 1150 °CxjChicoutimi 1800 °Cxj
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Caractérisation d’un hiver
Hiver caractérisé par son indice de gel.
Hiver exceptionnel : hiver pour lequel on a obtenu le plus fort indice de gel atmosphérique, entre 1951 et 1997 (hiver 55/56 ou 62/63 selon la région) ;
Hiver rigoureux non exceptionnel : hiver décennal sur la même période d’observation.
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Vérification au gel/dégel
Principe : pour les seules structures reposant sur un matériau sensible au gel, on compare :
- l’indice de gel atmosphérique choisi comme référence IR qui caractérise l’hiver contre lequel on souhaite protéger la chaussée ;
- l’indice de gel atmosphérique que peut supporter la chaussée, appelé indice de gel admissible IA
Si IA > IR : vérification bonne(pas de dégâts)
Sinon : modifier support oustructure ou trafic
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Choix de l’hiver de référence ou de IR
Choix de IR = fonction (politique du maître d’ouvrage)
• soit l’indice de gel de l’hiver exceptionnel(ex : 415 pour Mulhouse, hiver 62-63);
• soit l’indice de gel de l’hiver rigoureux non exceptionnel(ex : 155 pour Mulhouse, hiver 86-87) ;
• autre...
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Calcul de IA
Remonter du sol support vers surface de chaussée:• 1ère étape : sensibilité au gel de la plate-forme
support de chaussée (Qg et Qng)• 2me étape : analyse de nature mécanique (QM)• 3me étape : quantité de gel admissible au niveau
de la plate-forme (QPF)• 4me étape : protection thermique apportée par la
structure de chaussée => relation It = f(IS)• 5me étape : détermination de l’indice de gel
atmosphérique admissible IA
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1ère étape :sensibilité au gel des matériaux
Essai de gonflement au gel (NF P 98-234-2) pente de la courbe de gonflement (mm/(°Cxh)1/2)
=> trois classes de sensibilité au gel
0,05 0,40 pente en mm/ (°Cxh)1/2
SGn SGp SGt
avec SGn : sols non gélifsSGp : sols peu gélifsSGt : sols très gélifs
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
0
10
20
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
Très gélifPeu gélifNon gélif
Classification
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40
CraieLimonSable gréseuxArgileMarne altéréeMarneSable propre
Matériaux
Indice de gel(°C x h) 1/2
Gonflement (mm)
Résultats obtenus à l'essai de gonflement
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SGn hnSGp ou SGt
SGn hn SGn
2me étape :découpage de la plate-forme
SGn hn SGp hp SGt
(a)
Pas de pb
(b)
min (1/p ; 4) si p<10 si p> 1Qg = {
(c)
Qg
Hp (cm)
Qg(SGp)
Qg(SGt)
0 20
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Période normale
3me étape :protection mécanique.
Pour les structures « rigides », on admet une augmentation momentanée et limitée (5%) de la sollicitation à la base de la structure par rapport à la période normale.
Dégelσ 1,05 x σ
e
QM = e/10avec e (cm)
=> quantité de gel QM en surface du massif=> pénétration du gel dans le support
ColléeCollée
Edégelée = EPF/10
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4me étape :protection thermique (1/ )
Protection thermique due aux couches de forme et de chaussée, non gélives.
a) Couche de forme
(hn en cm)
Matériau A B,C D LTCC CV-SC-SL
An ( /cm) 0,15 0,13 0,12 0,14 0,17
Qng An hnhn
= ×+
2
10
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Quantité de gel admissible en surface de la plate-forme
QPF = Qg + Qng +QM
avec– Qg : quantité de gel admissible en surface du sol gélif;– Qng : protection thermique assurée par la couche de
forme ;– QM : quantité de gel mécanique.
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Protection thermique (2/ )
b) Protection du corps de chaussée
Calcul de base : modèle de Fourier géométrie de la structurecaractéristiques thermiquesconditions aux limites en températureloi d’évolution de la température en surface
relation It = f(IS)
Logiciel : Gel1d (LCPC) ou THRoute
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Matériau ρ(kg/m3)
w (%) λ ng(W/m.K)
λ g(W/m.K)
BB 2 350 1 2.00 2.10GB 2 350 1 1.90 1.90GC 2 250 3 1.80 1.90GL 2 150 4 1.40 1.50Béton 2 300 3 1.70 1.90GNT 2 200 4 1.80 2.00
Quelques valeurs représentatives...
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Température (°C)
0
10
20
30
400 5 10 15
Profondeur (m)
Temps (s)
-6
-4
-2
0
2
0 250000 500000 750000
Température (°C)
Conditions aux limites
Loi d’évolutionen surface
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80
I (°C.j)
I (°C.j)
S
t
02468
1012141618
0 2 4 6 8
I (I en °C.j)
I (I en °C.j)
S S
t t
Structure8BB/20GL/18GL
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Méthode simplifiéeLinéarisation de = f( )
selon = (1+a.h) x + b.h
oùh : épaisseur de la couche considérée (cm)a et b : coefficients fonction du matériau
Mat BB-GB BC-GC-GL GCV LTCC SL-SC GNT-GE
a 0,008 0,008 0,012 0,012 0,012 b 0,06 0,10 0,13 0,14 0,15
It IS
ItIS
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Tr-geltr 45
Passage à l ’air ambiant
Iatm = IS/0,7 + 10avec
– IS : indice de gel de surface ;– Iatm : indice de gel atmosphérique
Remarque : relation établie pourdes conditions d ’altitude moyenne;un ensoleillement faible à moyenun IR < 210 °C.j
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Tr-geltr 46
Quelques exemples !...
Chaussée souple de 30 cm d’épaisseur (BB/GNT)
Sol très gélif : p=1,05IA = 23 °Cxj 22 °Cxj 22 °Cxj 21 °Cxj
Sol peu gélif : p=0,30IA = 97 °Cxj 97 °Cxj 95 °Cxj 94 °Cxj
Cxh°
Cxh°
5 cm25 cm
8 cm22 cm
5 cm25 cm
12 cm
18 cm15 cm
15 cm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
40 cm
Influence de l’épaisseur de GNT
Sol très gélif : p=1,05IA = 13 °Cxj 19 °Cxj 29 °Cxj 45 °Cxj
Sol peu gélif : p=0,30IA = 63 °Cxj 91 °Cxj 122 °Cxj 158 °Cxj
Cxh°
Cxh°
8 cm
20 cm12 cm8 cm
10 cm8 cm
30 cm
8 cm
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Influence de la nature de matériaux
Sol très gélif : p=1,05IA = 19 °Cxj 17 °Cxj 29 °Cxj 33 °Cxj
Sol peu gélif : p=0,30IA = 91 °Cxj 92 °Cxj 107 °Cxj 122 °Cxj
Cxh°
Cxh°
8 cm 12 cm8 cm 8 cm 8 cm20 cmGB3
20 cmGC3
20 cmGLp
20 cmGNT
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Influence de l’épaisseur de la couche de forme
Sol très gélif : p=1,05IA = 17 °Cxj 91 °Cxj 142 °Cxj 272 °Cxj
Sol peu gélif : p=0,30IA = 92 °Cxj 196 °Cxj 264 °Cxj 420 °Cxj
Cxh°
Cxh°
8 cm 12 cm20 cmGB3
8 cm20 cmGB3
35 cm
8 cm20 cmGB3
8 cm20 cmGB3
50 cm 80 cm
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Solutions possibles…
1. IA > IR : la chaussé peut supporter sans problème l’hiver choisi comme référence ;
3. IA < IR : la chaussée ne peut pas supporter l’hiver choisi comme référence :1. On ajuste l’épaisseur de la couche de forme (cas en
Alsace pour les routes nationales) ;2. On change de structure ;3. On pose des barrières de dégel (cas en Alsace pour les
routes départementales).
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Couche de forme
Solution retenue par des maîtrises d’Ouvrage ayant décidé de mettre leur réseau « hors gel » (cas de l’état) ;
⇒ Forte épaisseur de matériau d’apport sur sol naturel (de l’ordre de 1,20m en tout en Alsace)
Cas TC620-PF3
8 cm21 cm
GB
96 cm CdForme
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Changement de structure
Solution possible dans certaines régions selon disponibilité de matériaux
=> Réduction de l’épaisseur de la couche de forme
10 cm35 cmGC3
72 cm CdForme
8 cm21 cmGB3
96 cm CdForme
H = 125 cm H = 117 cm
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Pose de barrière de dégel (1/3)
• Comment ? Par suivi :– De la pénétration du front de gel (cryopédomètre), pour
déterminer si les couches gélives sont atteintes;– De la pénétration du front de dégel pour décider de la pose
ou non des barrières ;– De la déflexion, pour analyse comparative par rapport à la
valeur pré-hivernale.
• Principe : limitation partielle ou totale du trafic poids lourds pour protéger la chaussée ;
• Quand ? Au dégel, lorsque la chaussée est fragilisée ;
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
Pose de barrière de dégel (2/3)
Pose de cryopédomètre :
Suivi :
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Pose de barrière de dégel (3/3)
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Facteur aggravant : l’eau
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chauffage
Isolation thermique
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Piste de développement
Campagne de gel/dégel
en période estivale….
Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture
H. Odéon - LRPC de Strasbourgtr. 59
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