Origine, description et classification des fissures

ORIGINE, DESCRIPTION ET CLASSIFICATION DES FISSURES

Parmi les différents modes de détérioration des chaussées, la fissuration est une dégradation majeure qui touche l’ensemble des structures de chaussées avec différentes origines et différents mécanismes de développement. Elle est à la base d’une accélération des dégradations propres à chaque type de chaussée par la diminution de la portance du support lors de l’infiltration d’eau et par la perte des conditions mécaniques nécessaires au maintien de la résistance des matériaux. La compréhension des phénomènes de fissuration des chaussées et la recherche de solutions dans ce domaine mobilisent un nombre important de travaux et de recherches, qui se sont accentués ces dernières années par l’importance donnée à l’entretien des patrimoines routiers. En raison de la complexité des mécanismes de fissuration et la variété des procédures existantes pour réagir face à ces problèmes, il est indispensable en première mesure de bien définir la fissuration.

Origine et classifications des fissures

Selon leur nature, leur mise en œuvre et les efforts induits par les différents chargements auxquels elles sont soumises, les chaussées peuvent présenter plusieurs types de dégradations et de ruptures. Toute fissure pouvant être reconnue en surface représente un risque de dégradation accélérée de la chaussée. En fonction de leurs diverses formes, les fissures sont aussi un indicateur du type de dommage que présente la structure de chaussée. Dans plusieurs cas, leur identification et la connaissance du mode de fonctionnement de la structure de chaussée permettent de mieux comprendre l’origine des phénomènes et de proposer une ou des solutions de réparation. Bien que les phénomènes d’initiation et de propagation des fissures dans les structures de chaussées aient été reconnus depuis l’existence des chaussées bitumineuses, leur comportement fondamental reste en partie inconnu tout comme leur prise en compte dans la réhabilitation des voies fissurées. Dans l’actualité une attention particulière est portée pour optimiser les coûts d’entretien des chaussées. Les raisons pour lesquelles une chaussée se fissure peuvent être très variées. Les causes plus courantes sont les phénomènes de retrait thermique et la fatigue due au trafic. Mais il existe aussi de nombreuses autres raisons qui peuvent jouer des fois un rôle décisif dans la fissuration d’une chaussée. Celles-ci peuvent être l’effet de la géométrie de la route, des procédures constructives, de la dynamique des sols vis-à-vis de leur état hydrique (notamment dans le cas des argiles expansives), ou encore les effets du gel/dégel.

Cette multiplicité de phénomènes pouvant entraîner la fissuration d’une chaussée permet d’établir une distinction des différents types de fissure en fonction des causes de cette fissuration:
⋅ fissures par retrait thermique ou de prise,
⋅ fissures par fatigue,
⋅ fissures par réflexion d’une discontinuité existante dans la couche sous-jacente,
⋅ fissures par mouvement du sol support,
⋅ fissures de construction,
⋅ fissures de vieillissement.

De la même façon une autre classification judicieuse et utile des fissures peut être réalisée en fonction des critères visuels lors du relevé des fissures sur le terrain:
– d’après la largeur ou l’ouverture de la fissure
⋅ fissures fines
⋅ fissures larges
– d’après la forme
⋅ fissure rectiligne
⋅ fissure oblique
⋅ fissure sinueuse
– d’après leur orientation
⋅ fissures transversales
⋅ fissures longitudinales
⋅ fissures diagonales
⋅ fissures paraboliques
– d’après leur aspect ou leur type de ramification
⋅ fissure franche linéaire
⋅ fissures en branche ou dédoublée
⋅ fissures ramifiée ou entrecroisées
– d’après l’extension de la fissuration en surface
⋅ fissure unique isolée,
⋅ fissures disposées en bloc
⋅ fissures en bloc très dense, faïençage ou « alligator cracking »
– selon si les couches traitées ont été conçues avec ou sans pre-fissuration
⋅ fissures irrégulières ou naturelles
⋅ fissures contrôlées ou propagées

L’ensemble des critères plus importants permettant de faire une distinction des fissures par causalité et par relevé visuel, est présenté en détail par la suite .

Distinction des fissures par mode de dégradation 

Fissures par retrait thermique ou de prise

La fissuration par retrait apparaît lorsqu’une couche de longueur théoriquement infinie est soumise à des sollicitations liées à un phénomène de retrait empêché. Cette fissuration se produit lorsque le frottement à la base de cette couche avec le support conduit à atteindre la limite en traction. En conséquence ce genre de fissure est toujours transversal contrairement aux fissures par fatigue qui peuvent aussi être longitudinales. Les fissures par retrait de prise ou thermique ont lieu particulièrement dans les couches de matériaux traités aux liants hydrauliques mais elles peuvent se présenter aussi dans les matériaux bitumineux lorsque les conditions climatiques sont sévères. Dans le cas de chaussées à assises traitées aux liants hydrauliques, le matériau subit des contraintes uniformes systématiques dues au retrait de prise dès sa mise en place. Ensuite s’ajoutent des contraintes dues aux retraits thermiques associés aux variations de températures journalières et annuelles, les premières pouvant atteindre jusqu’à de 30°C selon la saison, et les secondes jusqu’à 50°C. Le cisaillement horizontal établi au contact du support engendre à son tour des fissures remontantes à la base de la couche. Parallèlement des fissures se développent du haut vers le bas par la différence d’hygrométrie. Par ces deux moyens, des fissures même fines peuvent survenir sur toute l’épaisseur sans qu’un sens de propagation soit à vrai dire privilégié. Les fissures de retrait dans une couche traitée aux liants hydrauliques provoquent, dans son voisinage immédiat, une répartition des contraintes moins favorable au bon comportement mécanique de la couche qui la surmonte et qui, à son tour, se fissure.

Fissures par fatigue

Des fissures apparaissent lorsque la chaussée subit un trafic cumulé supérieur à une valeur limite admissible. C’est un phénomène qui peut affecter les matériaux de toutes les couches de la structure ou se limiter à celui de la couche de roulement uniquement. Les fissures de fatigue, initiées dans la couche de surface, sont fines et limitées aux voies circulées dans un premier temps. Postérieurement ces fissures peuvent s’étendre à l’ensemble de la chaussée sous forme de faïençage plus ou moins dense. Les fissures de fatigue sont la conséquence d’une insuffisance structurelle et précèdent la période de destruction totale d’une chaussée. Elles ont un processus évolutif proche de celui des fissures par retrait mais elles se différencient par le fait qu’elles apparaissent généralement dans le sens longitudinal au niveau des zones les plus circulées.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – LA FISSURATION DES CHAUSSEES
I. Origine, description et classification des fissures
I.1. Introduction
I.2. Origine et classifications des fissures
I.2.1. Distinction des fissures par mode de dégradation
I.2.1.1. Fissures par retrait thermique ou de prise
I.2.1.2. Fissures par fatigue
I.2.1.3. Fissures par reflet d’une discontinuité existante dans la couche sous-jacente
I.2.1.4. Fissures par mouvement du sol support
I.2.1.5. Fissures de construction
I.2.1.6. Fissures de vieillissement
I.2.2. Distinction des fissures selon les critères de relevé visuel
I.3. Fissuration par type de chaussée
I.3.1. Chaussées en béton ciment
I.3.2. Chaussées semi-rigides
I.3.3. Chaussées souples
I.4. Conclusions portant sur l’origine de la fissuration et la place de la fissuration réflective
II. Propagation de fissures vers les couches de surface
II.1. Le phénomène de fissuration réflective
II.2. Modes de fissuration et sollicitation sur le terrain
II.3. Les modèles de fissuration
II.3.1. Lois de Paris
II.3.2. Contribution des différents modes de fissuration
II.3.3. Modèle cohésif de fissuration
II.3.4. Modèle mécanique d’endommagement continu non-local
II.4. Schéma type de propagation de la fissuration
II.5. Conséquences de la fissuration réflective
II.6. Solutions adoptés contre la fissuration réflective
II.6.1. Définition d’un système d’entretien par superposition de nouvelles couches
II.6.2. Méthodes par application de couches d’enrobés bitumineux
II.6.2.1. Produits et autres matériaux d’interface retardateurs de la fissuration réflective
II.6.2.1.a. Sable enrobé
II.6.2.1.b. Membrane intermédiaire absorbante de tension
II.6.2.1.c. Géogrilles et renforcement métalliques
II.6.3. Mesures préventives pour les chaussées semi-rigides neuves
II.7. Essais de fissuration de chaussées bitumineuses
II.7.1. Essais sur les matériaux
II.7.1.1. Principes des essais de fissuration de matériaux
II.7.1.2. Essai de fatigue en cisaillement du laboratoire 3MSGC d’Egletons
II.7.1.3. Essai de cisaillement RCD (Reflective Cracking Device)
II.7.2. Essais sur des complexes
II.7.2.1. Essais de fissuration simulant des variations thermiques
II.7.2.1.a. Fissuromètre E/G
II.7.2.1.b. Dispositif expérimental de l’essai BBCR
II.7.2.2. Essais de fissuration par sollicitation de trafic
II.7.2.3. Essais de fissuration par sollicitation thermique et sollicitation du trafic
II.7.2.3.a. Essai de retrait-flexion du LR d’Autun
II.7.2.3.b. Essai SIFIRE (Simulation de la Fissuration Réflective) [Florence C., 2005]
II.7.2.3.c. Essai WRC (Wheel Reflective Cracking)
II.7.2.3.d. Essai ETS (Ecole de Technologie Supérieure, Université du Québec)
II.7.3. Essais sur chaussées en vraie grandeur
II.7.3.1. Intérêt des essais sous trafic accéléré
II.7.3.2. Application dans le domaine de la fissuration réflective
CHAPITRE 2 – LES EXPERIMENTATIONS FABAC
I. Définition de l’expérience de fissuration sur FABAC et mise oeuvre
I.1. Introduction
I.2. Objectifs
I.3. Présentation des simulateurs FABAC – Description des essais
I.3.1. Principe général de l’essai
I.3.2. Conditions d’essai
I.3.2.1. Piste d’essais préexistante
I.3.2.2. Structures testées
I.3.2.3. Définition d’un essai
I.3.2.4. Géométrie de la couche de roulement
I.3.2.5. Instrumentation, grandeurs à mesurer et capteurs utilisés
I.4. Construction de la planche d’essai et caractérisation de son état initial
I.4.1. Préparation de la plateforme support
I.4.1.1. Préparation des joints
I.4.1.2. Campagne de mesures avant le lancement de l’essai de fissuration
I.4.1.2.a. Mesure des déplacements verticaux et de battements en bord de dalle
I.4.1.2.b. Mesure des déplacements verticaux et de battement en centre de dalle
I.4.1.2.c. Mesure transversale des déplacements verticaux
I.4.2. Construction de la planche d’essai pour les essais de fissuration
I.4.2.1. Mesure du battement
I.4.2.2. Mesure Colibri
I.4.3. Mesure de point zéro
I.4.3.1. Température
I.4.3.2. Vitesse d’application de la charge
I.4.3.3. Battement initial sous chargement FABAC
I.5. Conclusions sur les conditions initiales de réalisation de l’essai de fissuration
II. Déroulement des séries d’essais
II.1. Introduction
II.2. Série d’essais N° 1 – Structures sur les Joints N° 3 (témoin) et N° 7 (complexe MD)
II.2.1. Déroulement global de la série d’essais 1
II.2.2. Température de l’essai
II.2.2.1. Valeur optimale de température moyenne de la couche d’enrobé
II.2.2.2. Valeur seuil de sécurité de la température moyenne de la couche d’enrobé
II.2.3. Comportement de l’instrumentation
II.2.3.1. Exploitation des mesures de déformation
II.2.3.2. Exploitation des mesures de déflexion
II.2.3.3. Déplacement horizontal des dalles au droit des joints
II.2.3.4. Jauges de fissuration
II.2.4. Fissuration et état de dégradation final
II.3. Série d’essais N° 2 – Structures sur les Joints N° 2 (sable bitume) et N° 6 (complexe MD)
II.3.1. Déroulement global de la série d’essais 1
II.3.2. Température de l’essai
II.3.3. Comportement de l’instrumentation
II.3.3.1. Exploitation des mesures de déformation
II.3.3.2. Exploitation des mesures de déflexion
II.3.3.3. Jauges de fissuration
II.3.4. Fissuration et état de dégradation final
II.4. Série d’essais N° 3 – Structures sur les Joints N° 1 (sable bitume) et N° 5 (témoin)
II.4.1. Déroulement global de la série d’essais 3
II.4.2. Température de l’essai
II.4.3. Comportement de l’instrumentation
II.4.4. Fissuration et état de dégradation final
II.5. Recoupement et synthèse des différentes séries d’essais
II.5.1. Instrumentation et conditions de réalisation des séries d’essais
II.5.1.1. Bilan des températures
II.5.1.2. Redéfinition des consignes de températures
II.5.2. Comportement à la fissuration
II.5.2.1. Influence des conditions de collage
II.5.2.2. Comportement des complexes testés
II.5.3. Typologie de la fissuration remontante
CHAPITRE 3 – MODELISATION ET INTERPRETATION DE L’EXPERIENCE DE FISSURATION REFLECTIVE
I. Modélisation EF 3D CESAR de l’expérience de fissuration réflective
I.1. Introduction
I.2. Avant propos sur la finalité de l’utilisation du modèle 3D EF
I.3. Description générale du modèle
I.4. Description du module TACT
I.5. Caractéristiques des éléments de contact
I.5.1. Géométrie
I.5.2. Le comportement
I.6. Propriétés retenues pour la modélisation des expériences sur piste FABAC
I.6.1. Géométrie retenue pour la modélisation
I.6.2. Choix des propriétés des matériaux
I.6.3. Position et valeur de la charge
I.7. Maillage des structures
I.7.1. Maillages des éléments de contact
I.8. Phases de calculs et hypothèses utilisées
I.8.1.1. Phase 1
I.8.1.2. Phase 2
I.8.1.3. Phase 3
I.8.2. Résumé des calculs réalisés
I.9. Résultats et interprétation de l’étude EF 3D CESAR
I.9.1. Résultats des modélisations sans fissuration de la couche d’enrobé
I.9.1.1. Comportement en déformation au passage de la charge
I.9.1.1.a. Influence des conditions de collage de l’interface et des discontinuités des couches d’assise
I.9.1.1.b. Influence de la température
I.9.1.2. Comportement en déflexion au passage de la charge
I.9.1.2.a. Déflexion de l’enrobé
I.9.1.2.b. Comparaison des déflexions de l’enrobé et des dalles à 20°C
I.9.2. Résultats des modélisations avec fissuration de la couche d’enrobé
I.10. Conclusions des résultats obtenu avec le modèle 3D EF CESAR
II. Interprétation de l’expérience de fissuration réflective
II.1. Introduction
II.2. Instrumentation pertinente et séries d’essais exploitables
II.2.1. Mesures des déformations
II.2.2. Mesures des déplacements verticaux
II.2.3. Séries de mesures exploitables retenues pour l’interprétation des essais de fissuration
II.3. Prétraitement des résultats des calculs et des mesures
II.3.1. Définition de la nomenclature des capteurs
II.3.2. Représentation de type capteur à partir des résultats des calculs
II.3.2.1. Prétraitement des données de déformation issues du calcul
II.3.2.2. Prétraitement des données de déplacement issues du calcul
II.3.2.3. Elaboration de signaux théoriques de décollement et de battement à partir des données du calcul
II.3.3. Prétraitement des mesures exploitables de l’expérience
II.3.3.1. Prétraitement pour exploitation détaillée d’un signal
II.3.3.1.a. Prétraitement d’un signal de déformation
II.3.3.1.b. Prétraitement d’un signal de déplacement vertical
II.3.3.2. Evolution dans le temps des signaux
II.3.3.2.a. Méthode de prétraitement des signaux de déformation et de déplacement
II.3.3.2.b. Méthode de traitement pour obtenir les amplitudes de battement et de décollement
II.4. Comparaison et interprétation de résultats d’expérience avec EF 3D CESAR
II.4.1. Conditions initiales de chargement
II.4.1.1. Comparaison des résultats des capteurs de déformation
II.4.1.1.a. Capteurs de déformation transversale à 75 cm du joint
II.4.1.1.b. Capteurs de déformation longitudinale à 55 cm du joint
II.4.1.1.c. Capteurs de déformation longitudinale à 20 cm du joint
II.4.1.1.d. Capteurs de déformation transversale à 5 cm du joint
II.4.1.2. Comparaison des résultats des capteurs de déplacement
II.4.1.2.a. Déflexions
II.4.1.2.b. Battements et décollements
II.5. Evolution au passage de la charge
II.6. Initiation de la fissure
II.6.1. Initiation par le bas
II.6.2. Initiation par le haut
II.7. Conclusions et validation de l’utilisation du modèle 3D EF CESAR dans le cadre de la fissuration réflective
II.7.1. Validation du modèle EF 3D CESAR
II.7.2. Conclusions des comparaisons réalisées entre les mesures et le calcul
II.7.2.1. Bilan de l’état de collage des structures testées
II.7.2.2. Interprétation du comportement des structures testées
CONCLUSION

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