Fondation granulaire : Gravier concassé MG20

Mise en contexte

Les routes sont des infrastructures essentielles à la mobilité des biens, des personnes ainsi qu’au développement économique des territoires. Au Canada, le réseau routier compte de multiples utilisateurs dont 20 millions de véhicules légers, 750 000 camions moyens et lourds et 15 000 autobus (Transports Canada, 2012). Les sollicitations générées par les véhicules lourds entraînent des déformations dans les routes et constituent l’un des facteurs principaux de l’endommagement des chaussées. Dans les régions froides, en addition aux véhicules lourds, les chaussées sont affectées par les conditions environnementales notamment par les cycles de gel et dégel. Ainsi, la réponse mécanique d’une chaussée flexible fluctue selon la charge et les conditions climatiques saisonnières. Pour la grande majorité des routes principales du Canada, la surface de roulement est généralement constituée de béton bitumineux. Cette couche est composée d’un liant visqueux et constitue la principale couche à vocation structurale d’une chaussée puisqu’elle possède les valeurs de module dynamique les plus élevées. Ces valeurs oscillent généralement de moins de 1000 MPa à environ 20 000 MPa selon la température (Doucet & Auger, 2010). Plus les températures sont froides, plus le module est élevé, car la viscosité du liant est directement affectée par la température. Cette différence de rigidité est très importante dans la plupart des régions de l’Amérique du Nord où la différence de température entre la saison hivernale et estivale est importante.Également, les variations des teneurs en eau en fonction des saisons dans les sols et les matériaux granulaires influencent la capacité portante des chaussées. Au dégel, les pressions interstitielles élevées dans les sols et matériaux non liés diminuent significativement la capacité portante des routes alors qu’en période hivernale le gel de l’eau interstitielle vient «cimenter» les particules non liées entre elles augmentant la capacité portante des chaussées (Bigl & Berg, 1996a). En période de dégel, afin de protéger le réseau routier de dommages excessifs, la perte de capacité portante est considérée à l’aide de politiques de restriction de charge appliquées par certains pays, dont le Canada, les États-Unis et certains pays européens (C-SHRP, 2000). À l’inverse, l’augmentation de la rigidité des chaussées en période de gel incite certaines administrations à adapter leurs règlements sur les limites de charge admissible imposées aux véhicules lourds. Ainsi, certaines régions ont déjà établi des programmes pour l’octroi de primes de charge en période hivernale (OPCH) selon différents critères (Bradley, 2011; Montufar & Clayton, 2002; Ovik & Siekmeier, 2004). Pour l’industrie, il est clair que l’augmentation des charges suscite un intérêt particulier puisque la possibilité de transporter davantage de matériau par camion (bois, pétrole, etc.) permet de réduire significativement les frais de transport. Par cet intérêt, l’industrie exerce une pression croissante sur les administrations.

Les objectifs principaux des revendications sont d’assouplir et d’uniformiser les critères en plus d’implanter de nouveaux programmes dans les régions qui tardent à octroyer les primes de charge. Malgré que l’augmentation de la rigidité en saison hivernale soit observable, l’absence de documentation technique et précise justifie la sévérité des critères de primes de charge et la réticence de plusieurs administrations à en octroyer.

Dans le cadre de la phase 2 (2015-2020) de la Chaire de recherche industrielle du CRSNG sur l’interaction Charges lourdes-Climat-Chaussées (i3c), des études sont menées pour étudier les effets du transport hors norme sur la réponse mécanique des chaussées flexibles en condition de gel saisonnier. Le projet vise à documenter le comportement mécanique des chaussées flexibles selon le gel, établir le lien entre le gain de portance résultant du gel et l’endommagement et développer un critère rationnel pour l’octroi de primes de charge en période hivernale. Pour répondre à ces objectifs, une chaussée expérimentale de dimension réelle a été construite dans les laboratoires de l’université Laval. La chaussée instrumentée de plusieurs capteurs permet de mesurer les contraintes, déformations et déflexions dans la chaussée durant le gel. Le simulateur de véhicules lourds accéléré (Figure 1) de l’Université Laval a été utilisé afin de solliciter la chaussée durant deux cycles de gel. Ce mémoire présente, dans un premier temps, une revue des connaissances qui permet de se familiariser avec le sujet. Subséquemment à cette revue, la méthodologie et la construction de la chaussée sont présentées en détail. Ensuite, les résultats et les analyses détaillées sont présentés. Les analyses comprennent, sans s’y limiter, des calculs linéaires élastiques et des analyses d’endommagement. Finalement, le projet permet de proposer un critère rationnel concernant l’octroi de primes de charge en période hivernale.

Endommagements mécaniques

L’endommagement résultant du passage des camions peut se produire dans tous les matériaux. Pour les matériaux granulaires, il se produit principalement des déformations dans le plan vertical (εz), car ces matériaux ont une très faible résistance en extension. Selon Corté & Di Benedetto (2004), leur comportement peut être comparé à celui d’une poutre en flexion dans le domaine élastique. Les déformations permanentes sont générées par la réponse élastoplastique de la 5 chaussée face au passage répété des véhicules lourds. Dans la plupart des cas, les déformations proviennent de la densification des matériaux et des déformations en cisaillement de toutes les couches de la structure. Le phénomène de déformation permanente dans les sols et matériaux granulaires génère un orniérage à grand rayon en surface (orniérage structural). Pour ce qui est de l’enrobé bitumineux, en raison de son comportement viscoélastique causé par la présence de bitume, le module est fortement dépendant de la fréquence de chargement (la vitesse) et de la température (Carter & Perraton, 2002).Ainsi, toujours selon Corté & Di Benedetto (2004), l’hypothèse du comportement élastique est parfois moins justifiée de par l’accumulation des effets de non-linéarité et de non-réversibilité du matériau. Les détériorations principales liées à l’enrobé bitumineux sont l’orniérage à faible rayon et la fissuration par fatigue. La fissuration par fatigue est causée, entre autres, par la flexion répétée de la couche d’EB jumelée au vieillissement du bitume. Les contraintes maximales en tension sous chargement se situent à la base du revêtement (Ullidtz 1987, tiré de Grellet et coll. (2009)). Les méthodes de conception utilisent des critères de déformation admissible localisée à des niveaux précis comme à la base du revêtement pour la fatigue (Grellet et coll., 2009) et à l’interface du sol d’infrastructure pour l’orniérage structural. La déformation en fatigue à la base du revêtement peut être mesurée transversalement et longitudinalement au passage d’une roue telle que montrée à la Figure 4. La déformation longitudinale (a) est constituée de deux phases en compression et d’une en extension alors que la déformation transversale (b) est strictement en extension.

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Table des matières

Résumé
Abstract
Table des matière
Liste des tableaux
Liste des figures
Remerciements
1 Introduction
1.1 Mise en contexte
2 Revue de littérature
2.1 Généralités sur les chaussées flexibles
2.2 Sollicitations et endommagements des chaussées
2.2.1 Sollicitations mécaniques
2.2.2 Endommagements mécaniques
2.2.3 Variations saisonnières
2.2.4 Endommagements agissant par temps froid
2.3 Modules réversibles des matériaux non liés et des sols
2.4 Prédiction des contraintes, des déformations et des MR des matériaux non liés
2.5 Modules dynamiques des enrobés bitumineux
2.5.1 Généralités
2.5.2 Calcul de la fréquence de chargement
2.5.3 Calcul des températures
2.6 Lois d’endommagements
2.7 Loi de Miner
2.8 Modules réversibles des matériaux non liés gelés
2.8.1 Essais triaxiaux, gel de l’échantillon
2.8.2 Résultats du U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory
2.8.3 Essais de Simonsen et coll. (2002)
2.8.4 Autres projets (Boudali, 1997; Li et coll., 2010a)
2.9 Projets de recherche réalisés sur les chaussées gelées
2.9.1 Mesure de la déflexion et du MR d’une chaussée expérimentale (Wisconsin)
2.9.2 Simulateur de véhicules lourds de l’Université Laval (2014)
2.9.3 Prédiction de l’impact de l’octroi de primes de charge par le logiciel MnPAVE
2.9.4 Prédiction de la réponse mécanique d’une chaussée gelée par éléments finis
2.10 Considération du gel dans les logiciels de dimensionnement
2.10.1 Facteurs saisonniers
2.10.2 Modules effectifs et dommages relatifs (AASHTO 1993)
2.11 Survol des programmes de primes de charge hivernales existants
2.11.1 Alberta
2.11.2 Manitoba
2.11.3 Territoires du Nord-Ouest
2.11.4 Saskatchewan
2.11.5 Ontario
2.11.6 Tableau récapitulatif des programmes de prime de charges hivernales existants
2.12 Impacts positifs de l’OPCH
3 Présentation du projet
3.1 Raison d’être du projet
3.2 Description des objectifs
3.3 Méthodologie de recherche
4 Description du montage expérimental
4.1 Montage expérimental
4.1.1 Fosse d’essai
4.1.2 Simulateur ATLAS
4.2 Présentation de l’instrumentation
4.2.1 Sondes de teneur en eau
4.2.2 Thermistances
4.2.3 Déflexion de surface
4.2.4 Jauges de contraintes
4.2.5 Jauges de déformation horizontale et verticale
4.2.6 Système d’Acquisition de donnée
4.2.7 Type de pneus utilisés et mesure de l’empreinte (TekScan)
5 Caractérisation des Matériaux de chaussée
5.1 Structure de chaussée et essais de laboratoire
5.2 Couche de roulement : Enrobé Bitumineux (EB)
5.2.1 Provenance du mélange EB-10S
5.2.2 Détermination du module dynamique |E*| essais de compression-traction
5.2.4 Courbes du module dynamique selon la température
5.3 Fondation granulaire : Gravier concassé MG20
5.3.1 Provenance du MG20
5.3.2 Analyse granulométrique
5.3.3 Résultats des essais de caractérisation
5.3.4 Essai de portance Californien (CBR)
5.3.5 Module réversible (MR)
5.4 Sol d’infrastructure : CL
5.4.1 Provenance de l’argile
5.4.2 Analyse granulométrique
5.4.3 Résultats des essais de caractérisation
5.4.4 Essai de portance Californien (CBR)
6 Construction de la chaussée expérimentale
6.1 Étapes de construction
6.2 Vérification du niveau de compaction au cône de sable
6.3 Synthèse de l’instrumentation du montage – Croquis
6.4 Difficultés rencontrées lors de la construction
6.4.1 Échéancier de construction serré
6.4.2 Construction de la couche d’argile
6.4.3 Tassements observés
6.4.4 Défectuosité du capteur de déformation n°1
6.5 Protocole d’essai
6.5.1 Paramètres d’essais de la fosse expérimentale et du simulateur
6.5.2 Fonctionnement du simulateur et acquisition des données
6.5.3 Frise chronologique des essais avec le simulateur 89 93
7 Présentation et analyse des résultats du simulateur 91
7.1 Comportement thermique 91
7.2 Soulèvements et tassements
7.3 Comportement hydrique
7.4 Comportement mécanique
7.4.1 Contraintes (σ) dans les couches non liées
7.4.6 Effet de la variation de la charge sur la réponse de la chaussée
7.4.2 Déformations verticales optiques (εZ)
7.4.3 Déformations horizontales (εH) à la base de l’enrobé
7.4.4 Déflexion de surface
7.4.5 Synthèse des résultats en valeurs relatives
7.5 Comparaison des mesures avec Yi et coll. (2016)
7.5.1 Méthodologie des deux projets
7.5.2 Régimes thermiques et indices de gel
7.5.3 Résultats et comparaison des réponses mécaniques
7.6 Prédiction de la réponse mécanique avec WinJULEA
7.6.1 Caractérisation des matériaux lors de la déconstruction (DCP et teneurs en eau)
7.6.2 Paramètres de calcul
7.6.3 Méthodologie de calcul
7.6.4 Résultats et analyse comparative avec les données expérimentales
7.6.5 Effet de l’enrobé bitumineux
8 Analyse de l’endommagement causé par l’OPCH
8.1 Critère de fatigue
8.1.1 Détermination de la fréquence de chargement
8.1.2 Détermination de la température
8.2 Critère de déformation permanente
8.3 Critère de déflexion maximale
8.4 Dommage relatif calculé avec la loi de Miner
8.5 Résultats de l’analyse d’endommagement
8.6 Calcul de la consommation de vie sur un cycle annuel
8.6.1 Conditions climatiques
8.6.2 Calculs et résultats
9 Discussion
9.1 Causes d’erreur et critique des résultats
9.2 Applicabilité..
9.2.1 Contexte provincial
9.2.2 Contexte des changements climatiques
9.3 Limitations de l’étude
9.4 Travaux triaxiaux envisagés
10 Conclusion
Bibliographie
Annexe A : Extrait du Guide to Log Haul in Alberta, 2015-02-11
Annexe B Résultats des essais de caractérisation en laboratoire
Annexe C Données expérimentales additionnelles
Annexe D Analyses et calculs WinJULEA