Charges roulantes et contraintes dans les couches de GNT

Charges roulantes et contraintes dans les couches de GNT 

Les charges sur la chaussée sont mobiles et cycliques, caractérisées sous le support de chargement, par la rotation des directions des contraintes principales. En effet, les contraintes verticales et horizontales (positives) sont maximales sous la roue alors que la contrainte de cisaillement s’annule sous la roue et s’inverse après le passage de celle-ci (Lekarp et Dawson, 1997). Sous chargements cycliques, les Graves Non Traitées sont caractérisées par une augmentation rapide des déformations permanentes dès les premiers cycles de chargement, puis, au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, celles-ci se stabilisent et le comportement devient essentiellement réversible permettant dés lors de définir un module appelé Module Réversible (Yoder et Witzack, 1975 ; Paute, 1994 ; Martinez, 1982 et 1990).

Toutes les études montrent aussi que ce comportement est élastoplastique non linéaire (Huang, 1993 et 2004) (figure I.1). Ainsi, pour prendre en compte cette non linéarité et rompre avec les théories traditionnelles élastiques, la rigidité des matériaux granulaires est définie par un Module Réversible variant en fonction de l’état des contraintes. Ce Module Réversible est l’un des paramètres les plus importants pour le dimensionnement mécanistique des chaussées souples. L’analyse des déformations permanentes permet d’étudier le comportement à long terme des GNT notamment pour prédire les déformations plastiques, qui engendrent l’orniérage et la dégradation des chaussées souples.

Au laboratoire, l’étude de ces deux types de comportement est effectuée grâce à l’appareil triaxial à chargement cyclique répété permettant de simuler le trafic routier.

Essai triaxial à chargement répété 

La procédure expérimentale que nous avons utilisée est décrite par le NCHRP Project 1-28A (NCHRP, 2004). L’appareil triaxial à chargements répétés est le dispositif expérimental de référence pour caractériser le comportement mécanique des GNT. Il est constitué d’une cellule triaxiale, de capteurs de déformations (encore appelés « Linear Variable Differential Transformers » ou « LVDTs »), d’un dispositif de chargement cyclique et d’un système informatique d’acquisition des données. Dans la cellule triaxiale, l’éprouvette est soumise à un chargement cyclique et simultanée d’une contrainte verticale σ1 (sous l’effet d’une charge verticale q) et d’une contrainte statique de confinement σ3, suivant différentes séquences. Les capteurs de déformations internes (« LVDTs » internes placés dans le tiers central de l’éprouvette) et les capteurs de déformations externes (« LVDTs » externes), permettent de mesurer les déformations internes et externes de l’éprouvette. Ainsi, à chaque cycle, on peut déterminer les déformations réversibles et les déformations permanentes.

L’étude du comportement réversible comprend deux phases. Dans la première, on applique à l’éprouvette un conditionnement avec un nombre de cycles déterminé et selon un chemin de contrainte variant suivant la norme prescrite et simulant ainsi l’évolution du chargement routier. Au cours de ce processus, il y a une augmentation rapide des déformations permanentes lors des premiers cycles, puis celles-ci sont stabilisées après plusieurs centaines de cycles chargements et on obtient un comportement réversible non linéaire. Cependant, si les sollicitations sont trop élevées, les déformations permanentes augmentent jusqu’à la rupture éventuelle du matériau. Le conditionnement est assimilé aux sollicitations sévères que subit le matériau lors du compactage et les trafics de chantier.

Pendant la deuxième phase, l’éprouvette est chargée cycliquement suivant différentes contraintes de confinement et différentes contraintes axiales pour l’étude du comportement réversible. Les déformations axiales et radiales ainsi que la pression de confinement et la force axiale sont enregistrées. L’étude du comportement irréversible (anélastique) se fait sans conditionnement. La procédure expérimentale consiste à faire subir à l’éprouvette plusieurs milliers de cycles de sollicitations selon un ou différents chemins de contraintes prédéfinis. Les déformations axiales, la pression de confinement et la force de compression sont relevées à différents nombres de cycles prédéterminés.

Facteurs affectant le comportement cyclique des Graves Non Traitées 

Influence de certains facteurs sur le comportement réversible 

Selon Lekarp et al. (2000), plusieurs facteurs comme le niveau de contraintes, la teneur en eau, la densité, la granulométrie, la forme et la nature des grains, affectent le Module Réversible des matériaux granulaires. Mais, le paramètre le plus important affectant la réponse réversible est le niveau de contraintes appliquées à l’échantillon.

Effet du niveau de contraintes 

Mitry (1964), Monismith et al. (1967), Hicks (1970), Smith et Nair (1973), Uzan (1958) et Swere (1990) ont tous montré que le Module Réversible des matériaux granulaires dépend fortement de la pression de confinement et de la somme des contraintes principales. Monismith et al. (1967) signalent une augmentation de 500 % du Module Réversible lorsque la pression de confinement passe de 20 à 200 kPa. Smith et Nair (1973) observent une augmentation d’environ 50 % du Module Réversible quand la somme des contraintes principales augmente de 70 à 140 kPa.

Comparée à la pression de confinement, la contrainte déviatorique (ou de cisaillement) présente moins d’influence sur la rigidité des matériaux granulaires. Morgan (1966) a montré que le Module Réversible diminue légèrement avec l’augmentation de la contrainte déviatorique sous une pression de confinement constante. Hicks (1970) suggère que le Module Réversible est pratiquement insensible à l’augmentation de la contrainte déviatorique appliquée. Hicks et Monismith (1971) signalent un léger adoucissement (« softening ») du matériau aux faibles niveaux de contrainte déviatorique, et un léger durcissement (« stiffening ») aux niveaux de contrainte élevés. Plusieurs autres études ont aussi montré que le coefficient de Poisson est également influencé par l’état des contraintes appliquées. Hicks (1970), Brown et Hyde (1975) et Kolisoja (1997) rapportent que le coefficient de Poisson des graves non traitées augmente avec l’augmentation de la contrainte déviatorique et la diminution de la pression de confinement.

Effet de la densité

Trollope et al. (1962), Hicks (1970), Robinson (1974), Rada et Witczak (1981) et Kolisoja (1997) ont montré que le Module Réversible augmente avec l’augmentation de la densité. Trollope et al. (1962) effectuent des essais triaxiaux sur des sables uniformes et trouvent que le Module Réversible augmente d’environ 50 % lorsqu’on passe de sables lâches à des sables denses. En effet, l’augmentation de la densité entraîne l’augmentation du frottement intergranulaire et de la surface de contact entre les grains solides, ce qui entraine, au niveau des contacts, la diminution des contraintes dues aux charges externes. Par conséquent, les déformations au niveau de ces contacts diminuent et le module augmente. Barksdale et Itani (1989) trouvent que le Module Réversible augmente avec l’augmentation de la densité seulement aux faibles valeurs de contrainte moyenne, et qu’aux niveaux élevés de contrainte, l’effet de la densité devient moins prononcé.

Effet de la granularité, de la teneur en fines et de la dimension maximale des grains 

Thom et Brown (1987) et Kamal et al. (1996) ont montré que le Module Réversible augmente quand la teneur en fines augmente. Hicks (1970) trouve qu’une variation de 2 à 10 % de la teneur en fines a une influence mineure sur le Module Réversible. Barksdale et Itani (1989) montrent qu’une augmentation de 0 à 10 % de la teneur en fines entraîne une diminution d’environ 60 % du Module Réversible. Jorenby et Hicks (1986), par contre, observent une augmentation initiale progressive du module puis une réduction considérable de celui-ci avec l’augmentation de la teneur en fines. Cette augmentation initiale du module est due à l’augmentation de la surface de contact grain-grain au fur et à mesure que les vides se remplissent. Lorsque tous les vides sont remplis, l’excès de particules fines facilite les déplacements relatifs entre gros grains conduisant à la diminution du module. Gray (1962), Thom (1988) et Kolisoja (1997) ont montré que lorsque les granulats ont les mêmes teneurs en fines et la même granularité, le Module Réversible augmente avec l’augmentation de la dimension maximale des grains.

Thom et Brown (1988) étudient quant à eux le comportement de calcaires concassés ayant différentes granularités. Ils concluent que les granulats à granularité uniforme étaient légèrement plus rigides que les granulats bien gradués. Ces études ont été confirmées par celles de Brown et Selig (1991) et Raad et al. (1992). Plaistow (1994) trouve que l’effet de la granularité devient plus marqué lorsqu’on prend en compte l’effet de la teneur en eau. En effet, les matériaux bien gradués peuvent contenir de l’eau dans leurs pores. Ils peuvent également atteindre des densités plus élevées que les matériaux à granularité uniforme car les grains fins remplissent les vides laissés entre les gros grains. Plaistow conclut ainsi que la granularité a une influence indirecte sur le comportement réversible des matériaux granulaires en contrôlant les effets de l’eau et ceux de la densité sur l’ensemble du système.

Table des matières

Introduction générale
Partie I – Comportement mécanique des matériaux granulaires et dimensionnement par la méthode Mécanistique-Empirique
Chapitre I – Comportement des Graves Non Traitées sous sollicitations cycliques
1. Introduction
2. Charges roulantes et contraintes dans les couches de GNT
3. Essai triaxial à chargement répété
4. Facteurs affectant le comportement cyclique des Graves Non Traitées
5. Modélisation du comportement cyclique des Graves Non Traitées
6. Conclusion
Chapitre II – Analyse du comportement des chaussées souples et dimensionnement par la méthode Mécanistique-Empirique
1. Introduction
2. Principe et concepts de la méthode Mécanistique-Empirique
3. Le « Mechanistic Empirical Pavement Design Guide » ou « MEPDG »
4. Conclusion
Partie II – Caractérisation des matériaux de l’étude
Chapitre III – Caractérisation des matériaux de l’étude et Principe de la méthode
1. Introduction
2. Caractérisation géologique
3. Caractérisation physique et mécanique
4. Matériel et procédure expérimentale
5. Conclusion
Partie III – Etude du Comportement Réversible des Graves Non Traitées sous sollicitations cycliques
Chapitre IV – Comportement Réversible des granulats concassés de Bakel – Comparaison avec d’autres granulat-types utilisés en couche de base
1. Introduction
2. Programme expérimental
3. Résultats expérimentaux
4. Conclusion
Chapitre V – Interprétations et Analyses des Modules Réversibles Expérimentaux
1. Introduction
2. Analyses de régression
3. Interprétation des analyses de régression
4. Conclusion
Chapitre VI – Effet de la Succion sur le Module Réversible des matériaux granulaires
1. Introduction
2. Théorie de la succion – Notion de Courbe Caractéristique Sol-Eau
3. Mesure de la succion dans les matériaux granulaires
4. Prise en compte de la succion dans le dimensionnement M-E
5. Effet de la succion sur le Module Réversible
6. Conclusion
Partie IV – Etude du comportement à long terme et « in situ » des Graves Non Traitées
Chapitre VII – Comparaison du comportement irréversible des granulats concassés de Bakel avec les matériaux de référence au Sénégal
1. Introduction
2. Quelques aspects théoriques
3. Etude et Procédure expérimentales
4. Résultats expérimentaux
5. Conclusion
Chapitre VIII – Expérimentation à Grande Echelle des quartzites de Bakel et du basalte de Diack – « Large Scale Model Experiment »
1. Introduction
2. Caractéristiques de l’appareil « 20 kips » et principe de la méthode
3. Résultats et analyses
4. Détermination du coefficient de la couche de base selon la méthode AASHTO (AASHTO, 1993)
5. Conclusion
Conclusion générale

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