Soutenance mémoire
LES CHAUSSÉES ET LE DIMENSIONNEMENT STRUCTURAL
Structure de chaussée
Constitution d’une structure de chaussée
Le dictionnaire de l’AIPCR définit la structure de chaussée comme « l’ensemble des couches construites au-dessus de la couche de forme ». Une structure de chaussée est aussi synonyme de corps de chaussée ou de superstructure.
Une chaussée est une structure multicouche constituée de trois parties principales qui ont chacune un rôle bien défini (LCPC, 1994).
La plate-forme support de chaussée est constituée du sol support. Elle est généralement surmontée d’une couche de forme qui remplit une double fonction. Pendant les travaux, elle assure la protection du sol support et la qualité du nivellement et elle permet la circulation des engins. En service, elle permet l’homogénéisation des caractéristiques mécaniques des matériaux constituant le sol ou le remblai et l’amélioration de la portance à long terme.
Constituée principalement de sable, la couche de forme assure également une protection de la fondation inférieure contre la contamination ou la remontée des matériaux fins du sol lorsque celui-ci en présente une proportion élevée.
Les différents types de structures de chaussée
On distingue trois principaux types de chaussées: les chaussées souples, les chaussées rigides
et les chaussées mixtes.
Les deux premiers types sont des chaussées classiques , il est apparu par la suite le type de chaussées mixtes, tel que la majorité des rues de la Ville de Montréal. Plusieurs catégories de chaussées souples sont identifiées. En plus de la chaussée classique ou conventionnelle (Haas, 1997), on distingue:
• les chaussées souples pleine profondeur, aussi appelées chaussées souples toute épaisseur, qui regroupent les structures où les mélanges bitumineux, employés pour toutes les couches au-dessus du sol support, à l’exception d’une couche de forme (de nivellement) granulaire drainante posée sur l’infrastructure (sol support);
• les chaussées souples profondes, aussi appelées chaussées souples grande épaisseur, qui regroupent les structures où le revêtement et la couche de fondation sont en enrobé bitumineux.
Au passage des charges roulantes, les chaussées souples se déforment. Il se forme alors une dépression de petites dimensions et une flèche relativement importante. « Pour diffuser ces pressions et réduire la valeur maximum sur l’axe de charge, il faut augmenter l’épaisseur de chaussée. Ces constatations sont à la base de toutes les méthodes de calcul des chaussées souples qui relient l’épaisseur requise à la pression maximale admissible sur le sol, pour une charge donnée. » (Jeuffroy, 1983, p. 254)
Chacune des couches constituant la chaussée souple doit remplir un rôle dans la structure.
Ainsi, les revêtements bitumineux doivent être étanches pour protéger contre les infiltrations d’eau, les différentes couches constituées de matériaux granulaires. Ils doivent résister aux efforts générés par les pneumatiques sur la surface de roulement; efforts normaux et tangentiels. Quant à la couche de base et la couche de fondation, elles doivent assurer la transmission des charges sans se déformer, se dégrader ou s’écraser.
Le dimensionnement structural des chaussées
Une superstructure de chaussée doit résister à diverses sollicitations, notamment celles dues au trafic et doit assurer la diffusion des efforts induits par ce même trafic dans le sol support.
Le dimensionnement de la structure de la chaussée dépend donc principalement de deux données fondamentales qui sont le trafic et la capacité portante du sol. Ces deux données sont les paramètres de base pour le dimensionnement structural, ils interviennent aux deux interfaces de la structure de chaussée; en surface pour le trafic et à la base pour le sol, ce qui nous rappelle le rôle distinct que doivent jouer les diverses couches d’une chaussée. En général, on peut conclure que les couches supérieures, outre leur fonction de confort et de sécurité, assurent la diffusion des efforts de trafic, alors que la partie inférieure doit assurer une portance permettant la transmission de ces efforts dans le sol de fondation. En résumé, le dimensionnement des couches supérieures est principalement lié à l’intensité du trafic, tandis que celui des couches inférieures dépend principalement de la qualité du sol support (Jeuffroy, 1983).
Dimensionnement théorique des structures de chaussées souples
Méthodes empiriques
Les méthodes empiriques font appel exclusivement à des expériences comparant le comportement à long terme de diverses structures pour des trafics, des conditions climatiques et des sols supports variés. Ainsi, on observe sous trafic des chaussées expérimentales à grandeur réelles. Ces essais permettent de recueillir l’information pour établir et mettre en place les règles empiriques de dimensionnement structural.
La démarche consiste à fixer un critère pour définir la durée de vie d’une chaussée. On établit sur cette population de sections expérimentales, en général par la méthode statistique de régression multiple, des relations entre cette durée de vie et l’épaisseur des couches ainsi que les propriétés mécaniques des matériaux ou entre la durée de vie et une mesure globale des propriétés mécaniques de la structure de chaussée et du sol support
Méthodes mécanistes-empiriques
Les méthodes mécanistes-empiriques font appel à une approche analytique complétée par des données empiriques, comme décrites dans Pavement Analysis and Design ( Huang, 1993).
Elles procèdent généralement en deux étapes :
• la détermination des sollicitations dans une superstructure sous l’effet d’une charge définie de trafic; ont recours au modèle de charges de référence;
• la mise en relation de ces sollicitations avec certaines dégradations des chaussées; ont recours aux modèles de comportement des matériaux, soit les modèles de calcul (ou de réponses) et les modèles de performance.
Méthode incrémentale
En vue de limiter, voire supprimer, l’importance des données empiriques dans le domaine du dimensionnement structural des chaussées routières, une nouvelle méthode veut voir le jour en Europe : la méthode incrémentale. Cette méthode en projet (COST-333, 1999) vise à étudier l’évolution d’une chaussée dans le temps (t) en cumulant l’effet, ou le dommage (D), de chacune des sollicitations dues aux charges de trafic (Perret, 2003). Elle prévoit tenir compte de l’effet des sollicitations sur l’état de la chaussée (géométrie) et sur l’évolution des propriétés des matériaux en fonction du dommage subi. Elle doit aussi intégrer l’effet des variations de la température et des données réelles de trafic sans avoir recours à la notion de trafic équivalent (Perret, 2003).
Phénomène de dégradation des chaussées dûe au gel et au dégel
L’exploitation des chaussées durant l’hiver, engendre la dégradation de la surface. La période la plus critique de la vie des chaussées est la période du dégel printanier.
Pendant l’hiver, la formation de lentilles de glace dans le sol gélif s’accompagne de soulèvements de la surface, ce qui provoque la formation des lézardes et des fissures généralement longitudinales . Ces fissures rendent le revêtement bitumineux moins étanche et donc la pénétration d’eau dans la fondation a pour effet d’accélérer la dégradation de la surface. En période de dégel, le revêtement de la surface de roulement est supporté par une fondation partiellement dégelée et saturée d’eau, donc de faible portance, le tout reposant sur une couche gelée rigide et imperméable. L’eau contenue dans cet horizon de matériaux dégelé sera pompée vers la surface au passage du trafic. Cette situation est à l’origine de formation de nids-de-poule dans les revêtements de chaussée. Le problème se présente aussi lorsque la fondation est entièrement dégelée et non drainée.
L’eau reste confinée dans l’assiette de rue, étant donné que le sol support est déjà saturé par l’eau de fonte de lentilles de glace. Ce phénomène a pour effet d’augmenter la sollicitation en fatigue du revêtement d’où l’apparition de dégradations majeures (fissurations de fatigue, carrelage,..) (Blond et al, 2000).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE
1.1 Problématique
1.2 Objectif
1.3 Contraintes et limites
1.4 Envergure
1.5 Étapes et méthodologie
CHAPITRE 2 LES CHAUSSÉES ET LE DIMENSIONNEMENT STRUCTURAL
2.1 Chaussée
2.1.1 Structure de chaussée
Constitution d’une structure de chaussée
2.1.2 Les différents types de structures de chaussée
2.2 Le dimensionnement structural des chaussées
2.2.1 Dimensionnement théorique des structures de chaussées souples
Méthodes empiriques
Méthodes mécanistes-empiriques
Méthode incrémentale
2.3 Revue bibliographique des méthodes de dimensionnement structural des chaussées
2.3.1 Villes en Amérique du Nord
2.3.2 Au Canada
2.4 Particularité des chaussées municipales
2.4.1 Types de chaussées municipales
2.4.2 Environnement et contraintes
2.4.3 Sollicitations
2.5 Phénomène de dégradation des chaussées dûe au gel et au dégel
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 CONTEXTE SPÉCIFIQUE DE LONGUEUIL ET BESOIN EN DIMENSIONNEMENT STRUCTURAL DES CHAUSSÉES
3.1 Introduction et mise en situation
3.2 Description des caractéristiques du réseau routier de la Ville de Longueuil
3.2.1 Résultats de l’évaluation de l’état du réseau routier
État visuel de la surface (indice PCI)
Confort au roulement (indice d’uni)
Analyse structurale (indice de portance)
État global (indice OCI)
3.2.2 Constas à la suite de l’analyse statistique
Indice d’état visuel (PCI)
Indice de confort au roulement
Indice de portance (mars 2004)
Indice d’état global (OCI)
3.2.3 Synthèse des résultats de l’étude des chaussées (Consortium, 2004)
3.2.4 Synthèse des résultats de la mise à jour (Consortium, 2006)
3.3 Recommandations
3.4 Caractérisation des particularités de la Ville de Longueuil .
3.4.1 Objectifs de performance et durée de vie
3.4.2 Caractérisation des sols supports de Longueuil
3.4.3 Interprétation et recommandations .
Phase avant projet
Phase construction
3.4.4 Caractérisation du trafic
3.5 Cheminement décisionnel pour le catalogue
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT STRUCTURAL
4.1 Méthode de dimensionnement structural des chaussées souples du MTQ
4.2 Calcul structural
4.2.1 Équation de l’AASHTO
4.2.2 Principe d’application de l’équation de l’AASHTO
4.2.3 Module de résilience
4.3 Dimensionnement au gel
4.3.1 Protection partielle – Gel 1994
4.3.2 Protection à soulèvement contrôlé
4.4 Débit de circulation et trafic lourd
4.5 Justification de l’approche retenue pour le catalogue
4.5.1 Durée de vie
4.5.2 Dimensionnement au gel
4.5.3 Climat
4.5.4 Trafic
4.5.5 Autres
CHAPITRE 5 CATALOGUE DE DIMENSIONNEMENT STRUCTURAL DES CHAUSSÉES SOUPLES
5.1 Introduction
5.2 Hypothèses et données de calculs
5.2.1 Données climatiques
5.2.2 Sol support
5.2.3 Trafic
5.3 Matériaux
5.4 Démarche de détermination d’une structure de chaussée
5.4.1 Exemple d’application
Objectif
Climat
Choix de la structure
5.5 Structures de chaussée selon la classification fonctionnelle
5.5.1 Structures types pour les rues locales
5.5.2 Structures types pour les rues collectrices
5.5.3 Structures types pour les artères secondaires
5.5.4 Structures types pour les artères principales
5.6 Conclusion
CHAPITRE 6 CAS PARTICULIER : CHAUSSÉES RIGIDES
6.1 Introduction
6.2 Méthode AASHTO 1993
6.3 Les variables de conception
6.3.1 Vie utile ou période de performance
6.3.2 Période d’analyse
6.3.3 Trafic
6.3.4 Fiabilité
6.3.5 Module de réaction du sol K
6.4 Logiciel WinPas
6.5 Hypothèses et données de conception
6.5.1 Trafic
6.5.2 Viabilité
6.5.3 Infrastructure et fondation
6.5.4 Module de rupture du béton
6.5.5 Démarche de détermination de l’épaisseur de la dalle
6.6 Structures types
6.7 Dalles courtes goujonnées
6.7.1 Les joints
Joints longitudinaux
Joints transversaux
Joints de désolidarisation
6.7.2 Construction des chaussées en béton
Plan de pavage
Préparation de la plate forme
Installation des goujons et des tirants
Préparation autour des structures d’utilités publiques
Fourniture et transport du béton pour chaussée
Mise en place
Le sciage des joints
Colmatage des joints
6.8 Conclusion
CHAPITRE 7 IMPACTS ÉCONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX
7.1 Introduction
7.2 Impact économique sur la collectivité .
7.2.1 Impact sur l’administration
Gain en temps et en coût d’investissement
7.2.2 Impact sur les usagers de la route
Économie de coût de fonctionnement
7.2.3 Impact sur la société en général
7.3 Impact environnemental
7.4 Conclusion
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
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