Soutenance mémoire
Les constituants de la voie ferrée
La ligne à grande vitesse est constituée de différents éléments dont l’assemblage permet la transmission des charges, statiques et dynamiques induites par les bogies, des niveaux supérieurs de la structure aux niveaux inférieurs. La structure de la ligne peut être divisée en trois parties tel que de haut en bas de la ligne, on trouve l’armement (constitué des rails, des traverses et système d’attaches), la structure d’assise (composée de plusieurs couches de ballast) et la plate-forme ferroviaire.
Plateforme
La plate-forme est la partie supérieure de l’ouvrage en terre, constituée de sol rapporté dans le cas d’un remblai ou du sol en place dans le cas d’un déblai. La qualité de la plateforme dépend de deux paramètres : la nature géotechnique du sol et les conditions hydrologiques et hydrogéologiques locales. On peut distinguer quatre classes de qualité de sols ; impropres, médiocres, moyens et bons en lien avec l’indice de portance du sol. La raideur du sol associée à chacune de ces classes est approximativement comprise entre 12.5 et 25 MPa pour les sols médiocres, 25 et 80 MPa pour les sols moyens, et supérieure à 80 MPa pour les sols bons (Quezada, 2012; Sauvage, 1993).
Structure d’assise
Les différentes couches d’assise de la voie sont posées sur la plate-forme. Elles permettent d’assurer le bon comportement de la voie ferrée du point de vue rigidité, tenue et drainage. L’assise se compose, du bas vers le haut, d’une couche anti-contaminante en sable, puis d’une couche de fondation également en grave si le sol n’est pas de très bonne qualité, d’une sous couche sous ballast en grave, et du ballast lui-même. La couche sous-ballast améliore la portance du sol et protège la plate-forme contre les effets du gel et l’érosion résultant du poinçonnement par les grains de ballast. Cette couche permet également de mieux répartir les charges transmises de façon que ces sollicitations soient en accord avec la portance du sol. Le ballast est l’élément de support de la voie, il est considéré comme faisant partie de la structure d’assise. Il permet de transmettre les charges concentrées appliquées sur les traverses jusqu’à la plateforme et assure le nivellement et le drainage de la voie.
Le ballast est constitué de granulats 25/50 mm provenant du concassage de roches extraites dans des carrières de pierres dures (granit, diorite, rhyolite, porphyre, quartzite…). Les critères de qualité du ballast portent sur la granulométrie, la dureté, la propreté et la forme des grains.
Une semelle en élastomère, de 9 mm d’épaisseur, est intercalée entre le rail et la traverse pour réduire l’influence des surcharges dynamiques par amortissement. Une attache élastique de type nabla, en téflon et acier permet de fixer le rail sur la traverse. Les semelles usuelles sont généralement à comportement élastique non linéaire (rigidification avec le niveau d’effort). Elles sont réparties en plusieurs catégories en fonction de leur gamme de rigidité. Le rail constitue le premier élément de contact entre le véhicule et la voie. Les critères de qualité des rails qui portent sur la dureté de l’acier et la répartition des contraintes dans les différentes parties du rail, ont pour but de limiter les risques de rupture et l’endommagement de la voie. Le rail a pour rôle de diriger le train et de répartir la charge à l’essieu sur plusieurs traverses. Le champignon en tête de rail a pour but d’assurer le contact roue-rail, la partie médiane du rail reprend les efforts de cisaillement, alors que le patin transmet les efforts aux blochets en diffusant légèrement la charge. La forme de la section du rail règle sa rigidité en flexion dans le domaine élastique.
Mécanismes de dégradation des LGV
Malgré la sévérité des critères destinés à assurer la qualité de l’armement et du ballast, l’état des voies n’atteint jamais une perfection absolue. Il existe toujours des irrégularités qui influent sur la stabilité de la voie. De plus la circulation des trains induit à son tour une dégradation de la géométrie de la voie et de l’état du matériel. Une irrégularité de voie devient un défaut lorsqu’elle provoque des surcharges dynamiques entrainant une évolution du défaut et lorsqu’elle cause une diminution du confort des voyageurs par augmentation des accélérations. Les causes principales de l’évolution des défauts peuvent être énumérées comme suit : le tassement du ballast, le manque de rectitude des lignes, et l’évolution des sollicitations dynamiques sur la voie. Les effets des imperfections du contact roue-rail génèrent des surcharges dynamiques, très néfastes pour la durabilité de la voie. La vitesse des trains joue dans ce cas un rôle significatif: elle amplifie ces charges dynamiques, accélérant la dégradation de la voie (A Lopez Pita, Teixeira, & Robusté, 2004). Les surcharges dynamiques induites par les défauts, au passage des trains, ont mis en évidence une relation étroite entre l’état du matériel et l’état de la géométrie. Ainsi un rail en bon état subit une usure très rapide si la géométrie de la voie n’est pas bonne. De même, une voie dont la géométrie est bonne, se dégradera rapidement si les composants sont usés.
Défauts de l’armement
Les charges statiques et les surcharges dynamiques, provoquées par les hétérogénéités et les irrégularités de la voie agissent en retour sur ces imperfections conduisant à l’apparition de « défauts de géométrie » au niveau de l’armement. Ces défauts peuvent, en conséquence, provoquer de fortes accélérations et donc d’importantes forces d’inertie lors du passage des véhicules à grande vitesse (augmentation des surcharges). Contrairement aux lignes classiques, la géométrie du rail a un effet important sur la qualité de la géométrie sur LGV. Les rails peuvent avoir des défauts de surface (patinage, squats…), des soudures pointues ou creuses, ou être faussés par l’écrasement de morceaux de ballast entre la roue des TGV et le rail. Les défauts de l’armement sont les plus endommageant puisqu’ils sont locaux et créent de tassements différentiels dus aux convois ferroviaires. On distingue des défauts sur le plan vertical et horizontal (Bodin, 2001; Guerin, 1996; Paderno, 2010; Quezada, 2012; Rivier, 2003; Gilles Saussine, 2004). Dans le plan vertical, on définit le nivellement longitudinal qui est le résultat du tassement global moyen et du tassement résiduel lus en chaque point des deux files de rails. Concrètement, tous les 15m de voie, la différence de hauteur entre les deux extrémités est mesurée. On peut dire que c’est l’altitude de l’axe moyen de la voie. Les défauts de nivellement verticaux sont une erreur géométrique dans le plan vertical défini par la distance entre un point au sommet du rail dans le plan de roulement et la ligne moyenne idéale du profil longitudinal (Caetano & Teixeira, 2015; Guler, 2014; International Union of Railways, 2008). Un mauvais nivellement vertical influe sur le confort des voyageurs et augmente les surcharges dynamiques. L’évolution du nivellement vertical (ΔVL) s’exprime en termes d’augmentation par an. Une augmentation de VL indique une modification de la géométrie de la piste, généralement associée à des problèmes de comportement mécanique de la piste (Laurens, 2014).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Etude bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Les constituants de la voie ferrée
I.2.1 Plateforme
I.2.2 Structure d’assise
I.2.3 Armement
I.3 Mécanismes de dégradation des LGV
I.3.1 Défauts de l’armement
I.4 Sollicitations sur les LGV
I.5 Modélisation des voies ferrées
I.6 Le logiciel ViscoRail : outil de modélisation utilisé dans la suite de la thèse
I.6.1 Principe du code
I.6.1.1 Le logiciel ViscoRoute© 2.0
I.6.1.2 Le logiciel ViscoRail : extension de ViscoRoute© 2.0 dans le domaine ferroviaire
I.6.1.3 Principaux résultats de la thèse d’A. Martin
I.6.1.4 Analyse de sensibilité de l’accélération verticale aux paramètres de conception de la LGV
I.7 Maintenance des voies ferrées
I.8 Les enrobés bitumineux
I.8.1 Caractéristiques des matériaux bitumineux
I.8.1.1 Composition
I.8.1.2 Propriétés des enrobés bitumineux
I.8.1 Comportement des matériaux bitumineux
I.8.1.1 Comportement réversible des matériaux bitumineux
I.8.1.2 Comportement en fatigue des enrobés bitumineux
I.9 Utilisation des enrobés bitumineux dans le domaine ferroviaire
I.9.1 Avantages de l’utilisation des matériaux bitumineux dans le domaine ferroviaire
I.9.1 Retours d’expérience sur les voies ballastées avec sous-couches bitumineuses
I.9.1.1 Italie
I.9.1.2 France
I.9.1.3 Espagne
I.9.1.4 Japon
I.9.1.5 Etats Unis
I.9.1.6 Autriche
I.9.1.7 Maroc
Chapitre II La ligne à grande vitesse Bretagne – Pays de la Loire
II.1 Description de la LGV BPL
II.1.1 Introduction de la ligne à grande vitesse BPL
II.1.2 Description des sections instrumentées de la LGV BPL
II.2 Instrumentation de la voie
II.2.1 Nature des capteurs
II.2.1.1 Sondes de température
II.2.1.2 Sondes d’humidité
II.2.1.3 Extensomètres de mesure des déformations horizontales et verticales
II.2.1.4 Accéléromètre
II.2.1.5 Capteur de mesure de déflexion ancré
II.2.1.6 Station météo
II.2.2 Positionnement des capteurs sur les sections
II.2.2.1 Section 1 PK 5+250
II.2.2.2 Section 2 PK 156+950
II.2.2.1 Section 3 PK 21+100
II.2.2.1 Section 4 PK 27+850
II.3 Système d’acquisition de données de la LGV BPL
II.3.1 Plateforme d’acquisition à distance
II.3.1.1 Principe de la plate-forme PEGASE
II.3.1.2 Généricité matérielle
II.3.1.3 Généricité logicielle
II.3.1.4 Plateforme d’acquisition de données de la LGV BPL
II.3.2 Acquisition des données
Chapitre III Analyse des données de la phase de montée en vitesse
III.1 Introduction
III.2 Description de la phase de montée en vitesse
III.3 Traitement des données
III.3.1 Description générale
III.3.2 Calcul de la vitesse des trains
III.3.3 Filtrage des mesures
III.3.4 Méthode de « cumul des bogies porteurs »
III.3.5 Validation des mesures d’accélération et de déplacement
III.4 Résultats de la phase de montée en vitesse
III.4.1 Analyse des mesures de déflexion
III.4.1.1 Section 1
III.4.1.2 Section 2
III.4.1.3 Section 4
III.4.2 Analyse des mesures d’accélération
III.4.2.1 Section 1
III.4.2.2 Section 2
III.4.2.3 Section 4
III.4.3 Analyse des mesures des extensomètres
III.4.3.1 Section 2
III.4.3.2 Section 4
III.4.3.3 Section 1
III.5 Comparaison entre structure granulaire et structure bitumineuse
III.5.1 Mesures de déflexion
III.5.2 Mesures d’accélérations
III.6 Tableaux récapitulatifs
III.7 Conclusion
Conclusion générale
