Soutenance mémoire
Les voies ferrées ballastées en France
Réseau ferroviaire
La SNCF exploite actuellement environ 32 000 km (SNCF, 2009a) de ligne ferroviaire dont presque 94% de lignes dites « classiques » et 6% seulement de lignes dites « nouvelles » ou Lignes à Grande Vitesse (LGV).
Les lignes classiques ou les voies anciennes, construites avant les années 1980, permettent une vitesse maximale de circulation de 220 km/h. Lors de leur construction, une couche de ballast a été posée directement sur le sol support ou sur une couche de fondation utilisant les matériaux régionaux. On dispose de peu d’informations concernant les caractéristiques des constituants des plates-formes des ces lignes. Les LGV sont des lignes ferroviaires construites pour permettre la circulation de trains à grande vitesse, supérieure à 220 km/h. Notons qu’à l’origine, la notion de grande vitesse était donnée pour des vitesses au-delà de 200 km/h. La première ligne de ce type a été mise en service au Japon en 1964. En France, la première ligne (Paris – Lyon) a été construite en 1974 et inaugurée en 1981. Les règles de dimensionnement ainsi que les caractéristiques requises pour les différents constituants ont été mis au point pour la construction des LGV.
Constituants des voies ferrées ballastées
Chaque constituant de la voie joue un rôle primordial dans la stabilité de la voie. Les rails assurent le support vertical des roues des véhicules et guide les roues dans le sens transversal. Il est soumis à diverses sollicitations : charges statiques et dynamiques, chocs produits au franchissement des joints ou de défauts géométriques, efforts longitudinaux par les accélérations ou par les freinages, efforts thermiques. Le rail est fixé sur les blochets des traverses par l’intermédiaire des attaches.
Le système d’attache rail-traverse assure la fixation du rail sur la traverse. Il assure une élasticité aussi bien dans le sens vertical que dans le sens horizontal. Une semelle d’élastomère cannelée de 9 mm d’épaisseur est posée entre le rail et la traverse afin de permettre l’absorption des vibrations dans le rail.
Les traverses permettent la transmission des charges du rail au ballast, le maintien de l’écartement des deux files de rails et le maintien de l’inclinaison au 1/20 du rail. Les traverses en bois originelles sont à présent remplacées par les traverses en béton armé (monobloc ou bi-blocs) pour des raisons de coût, de performance et de durée de vie. La distance entre deux traverses consécutives est de 0,6 m. La couche de ballast est une couche d’agrégats minéraux grossiers concassés répondant à des critères de qualité portant essentiellement sur la pétrographie, la morphologie des grains ainsi que la dureté, la propreté et les propriétés d’altérabilité. Par le passé, on a pu utiliser d’autres matériaux plus friables comme le calcaire ou des matériaux roulés. Au début de l’exploitation des premières lignes à grande vitesse, les normes de dureté et de résistance à la fragmentation ont été renforcées pour limiter la détérioration du ballast (AFNOR, 2003; Cholet et al., 2006).
D’après SNCF (2007), les fonctions de la couche de ballast sont :
– la répartition des charges et l’amortissement des efforts dynamiques engendrés par les circulations ;
– la stabilité longitudinale et transversale de la voie ;
– le drainage et l’évacuation rapide des eaux de pluie.
De plus, le ballast permet la rectification très rapide du nivellement et du tracé des voies au moyen du bourrage-dressage mécanisé. La classe du ballast neuf est de 31,5/50 (anciennement 25/50). L’épaisseur de la couche de ballast, comprise entre 150 mm et 350 mm, dépend du type de traverse, de la vitesse des trains et du groupe UIC (Union Internationale des Chemins de Fer) de la ligne ferroviaire (SNCF, 2007). Les autres caractéristiques du ballast sont conformes à la norme NF EN 13450 (AFNOR, 2003) et au Référentiel Infrastructure IN0274 (SNCF, 2007). La plate-forme ferroviaire est la structure sur laquelle repose le ballast. La plate-forme ferroviaire des lignes classiques est différente de celle des LGV. Pour les lignes classiques, pendant leur construction, le ballast a été directement posé sur le sol support. Après plusieurs années d’exploitation, les charges répétées des trains, les opérations d’entretien des voies et les variations climatiques ont modifié la plate forme.
Les composants principaux de haut en bas d’une plate-forme ferroviaire des lignes classiques sont les suivants :
– Une couche de « ballast pollué » qui se trouve entre la couche intermédiaire et la couche de ballast. Cette couche est formée de ballast ainsi que de fines issues de l’attrition du ballast, du sol support et de l’environnement (traverses, rails, trains fret,…). L’analyse visuelle des sondages carottés réalisés sur les voies anciennes montre que cette couche est un mélange de ballast et de fines .
– Une « couche intermédiaire » qui s’est créée depuis l’édification de la ligne sous l’action des trains par l’interpénétration du sol support, des éventuelles couches de matériaux rapportés à la construction de la ligne ou lors de son entretien (ballast, pierres cassées, graviers, sables, mâchefer, etc.) et de produits divers (scories, produits d’usure, etc.) (SNCF, 1996a). Visuellement, cette couche est hétérogène et contient plus de fines du sol support et d’autres matériaux plus petits que le ballast par rapport à la couche de ballast pollué .
– Le « sol support » qui fait partie de l’ouvrage en terre sur lequel est rapportée la structure d’assise. Le mètre supérieur du sol support est désigné par PST (Partie Supérieure des Terrassements) (SNCF, 2006).
Problématiques concernant les lignes classiques
Comme évoqué précédemment, sur les lignes classiques, il existe en général entre la couche de ballast et la plate-forme une couche intermédiaire qui s’est constituée, sous forme d’un mélange plus ou moins pollué, de matériaux variables : ballast, grave, sable, scories, sol, etc. Contrairement aux voies nouvelles où les matériaux, avec des caractéristiques bien définies, sont mis en œuvre par couches d’épaisseurs sensiblement constantes avec un compactage approprié, l’épaisseur et la nature de la structure d’assise des voies anciennes s’avèrent plus variées. Ceci est, en grande partie dû, au mode d’exécution initial de la voie, sans compactage, ayant entraîné des tassements très variables d’un point à un autre et donc des défauts de nivellements de rail observés entre les zones géologiquement hétérogènes (SNCF, 1996a).
La dégradation du nivellement peut être identifiée à l’aide d’une rame spéciale appelée Voiture Mauzin (Alias, 1984). Les causes principales sont synthétisées ci-après.
Usure et pollution du ballast
L’usure du ballast est engendrée par les phénomènes de frottement et de choc. Les éléments fins ainsi formés remplissent les vides et réduisent la perméabilité (SNCF, 1996a). L’usure des ballasts due au trafic a été étudiée par Li & Selig (1995) ; Indraratna et al. 2005); Lackenby et al. (2007); Karraz (2008). En réalisant des essais triaxiaux cycliques sur des micro-ballasts (6-24 mm), Karraz (2008) a obtenu 7% de grains inférieurs à 6 mm produits par le chargement cyclique après 3,5 millions de cycles.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : CONTEXTE GENERAL ET COMPORTEMENT HYDROMECANIQUE DES SOLS GROSSIERS
I.1 Contexte général
I.1.1 Les voies ferrées ballastées en France
I.1.2 Problématiques concernant les lignes classiques
I.1.3 Sollicitations ferroviaires
I.1.4 Fréquences des charges dynamiques
I.2 Comportement hydromécanique des sols grossiers
I.2.1 Caractéristiques des sols grossiers
I.2.2 Comportement mécanique
I.2.3 Comportement hydraulique
I.3 Synthèse
CHAPITRE II : PRESENTATION DES SITES ET DES MATERIAUX ETUDIES
II.1 Introduction
II.2 Site du prélèvement
II.2.1 Choix du site
II.2.2 Visite de reconnaissance
II.3 Prélèvement du matériau
II.4 Identification de la couche intermédiaire en place
II.4.1 Mesure de la densité de la couche intermédiaire
II.4.2 Mesure de la teneur en eau volumique par sonde Thétaprobe
II.4.3 Estimation de la perméabilité de la couche intermédiaire
II.5 Identification du matériau en laboratoire
II.5.1 Essais d’identification
II.5.2 Essai de compactage
II.6 Site d’instrumentation
II.6.1 Choix du site
II.6.2 Visite de reconnaissance
II.6.3 Analyse du sol support du site de Moulin Blanc
II.6.4 Description du site de Moulin Blanc
II.7 Conclusion
CHAPITRE III : TECHNIQUES EXPERIMENTALES
III.1 Introduction
III.2 Comportement hydraulique
III.2.1 Comportement hydraulique du sol de la couche intermédiaire
III.2.2 Comportement hydraulique du sol de la couche intermédiaire écrêté à 2 mm
III.3 Comportement mécanique
III.3.1 Dispositifs expérimentaux
III.3.2 Procédure d’essai
CHAPITRE IV : COMPORTEMENT HYDRAULIQUE DU SOL DE LA COUCHE INTERMEDIAIRE
IV.1 Introduction
IV.2 Conductivité hydraulique du sol intermédiaire à l’état non saturé
IV.2.1 Résultats obtenus
IV.2.2 Détermination de la courbe de rétention d’eau
IV.2.3 Détermination de la conductivité hydraulique
IV.3 Conductivité hydraulique du sol saturé en fonction de la densité
IV.4 Conductivité hydraulique non saturée du sol intermédiaire écrêté à 2 mm
IV.4.1 Détermination de la courbe de rétention d’eau
IV.4.2 Essai HPN1-Résultats obtenus
IV.4.3 Détermination de la conductivité hydraulique
IV.5 Influence des fines sur la conductivité hydraulique du sol intermédiaire écrêté à 2mm
IV.6 Discussion
CHAPITRE V : COMPORTEMENT MECANIQUE DU SOL DE LA COUCHE INTERMEDIAIRE
V.1 Introduction
V.2 Programme expérimental
V.3 Essais triaxiaux monotones (EM)
V.3.1 Description d’un essai typique
V.3.2 Synthèse des essais monotones réalisés
V.4 Essais triaxiaux cycliques (EC)
V.4.1 Procédure de chargement
V.4.2 Description d’un essai typique
V.4.3 Influence de la teneur en eau
V.4.4 Influence de la teneur en fines
V.5 Modélisation des déformations permanentes axiales
V.5.1 Détermination des paramètres du modèle proposé
V.5.2 Vérification du modèle proposé
V.6 Discussion
V.6.1 Difficultés des études en laboratoire
V.6.2 Critères de l’état limite
V.6.3 Validation du modèle de déformation permanente axiale
V.7 Conclusions
CONCLUSION GENERALE
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