Conception structurelle des chaussées

Chaussées :Surveiller l’usure pour éviter la rupture

11 mars 2009Les Présentations du Laboratoire de Strasbourg

Conception structurelle des chausséesProtection au gel/dégel

Vincent RouchLRPC de StrasbourgLes 1, 2, 3 Avril 2009


Prise en compte du gel/dégeldans les chaussées


Vérification au gel/dégel

Principe :

La structure convient si :I admissible de la chaussée > I hiver de référence


Quelques définitions . . .

Indice de gel : somme des températures journalières moyennes pendant la période de gel (°C x jours)(atmosphérique Iatm, en surface IS, à une profondeur z...)

IQuantité de gel : racine carrée d’indice de gel

(atmosphérique, en surface, à la profondeur z...)

Q


Hiver de référence :choisi par le maître d’ouvrage, et caractérisé par son indice de gel IR :– Hiver exceptionnel : hiver le plus rigoureux sur la

période considérée – Hiver rigoureux non exceptionnel : hiver ayant une

fréquence d’apparition de 10 ans ;– Autres valeurs : ...


Indice de gel admissible Iadm, calculé pour la structure considérée, en

fonction de :– la gélivité des matériaux du support ;– la protection thermique apportée par les matériaux non

gélifs (couche de forme, chaussée) ;– la résistance mécanique de la structure ;– les phénomènes de rayonnement et convection en

surface.


Gélivité des matériaux du support• Essai de gonflement (NFP 98-234-2):

classement en fonction de la pente 0,05 0,4 p (mm/

(°Cxh)1/2)SGn SGp SGt

• Découpage de la plate-forme en sous-couches de gélivité croissante :

SGn SGp/SGt SGtSGp

SGn SGn SGnQg


Résistance mécanique de la chaussée

• Au dégel, chute de portance du sol support possible si : ∆σ < 5%

pénétration du front de gel en phase de gel, donc QM admise en surface de la plate-forme (QM = edégelée/10 )

σe dégelée ?

1,05 x σ


Protection thermique

• Modèle unidimensionnel de Fourier :relation entre l’indice de gel de surface IS et l’indice de gel transmis à la base de la chaussée It(décroissance hyperbolique de Θsurf)

• Méthode simplifiée :utilisation de coefficients précalculés


Vérification au gel/dégel : résumé

IR

SGtSGp Qg

QngQPF = Qg+Qng+QM

IS = f (It=QPF2)IA = IS/0,7 + 10OK si IR< IA


Bref historique

Hiver 1962-63 : indice de gel supérieur à 150 °Cxj sur plus d’un tiers du territoire français (plus de 400 °Cxj en Alsace)– problèmes importants au dégel ;– travaux de recherche pour mieux comprendre ;

1 - Mise au point d’un essai pour quantifier la gelivité des sols (NF P 98-234-2)

2 - Développement d’une méthode de prise en compte du gel en phase de conception de chaussées (abaques du Catalogue 1977)


Ruine de la chaussée au dégel : exemple du Réseau Routier National : Hiver 1962-63




Que se passe-t-il dans un cycle de gel/dégel ?

• Au gel (température ambiante durablement négative) :pénétration du front de gel (θ = 0°C) dans la chaussée :– soit dans le corps de chaussée (en général non gélif)– soit dans le sol support :

1 - si non gélif : pas de problème2 - si gélif : gel => gonflement (cryossuccion)

gélifraction des granulatsGélifraction



Été Hiver

Soulèvement différentiel

CCDG: règle de 3 m (Dmax= 5 mm après MeO)


Tr-geltr 18

Les soulèvements au gel : - Affectent le confort de roulement (et la sécurité)

- Fissurent le revêtement - Diminuent la durée de vie de la chaussée

- Augmentent les frais d’entretien - Coûteux à réparer


Que se passe-t-il dans un cycle de gel/dégel ?

• Au gel (température ambiante durablement négative) :pénétration du front de gel (θ = 0°C) dans la chaussée :– soit dans le corps de chaussée (en général non gélif)– soit dans le sol support :

1 - si non gélif : pas de problème2 - si gélif : gel => gonflement (cryossuccion)

gélifraction des granulats• Au dégel (température ambiante durablement

positive) :– pénétration du front de dégel– chute de portance si matériau gélif (évacuation d’eau)

Gélifraction


Dégel

Temps

Prof.Gel


Définitions (1/2)

• Indice de gel atmosphérique Iatm : somme cumulée des températures moyennes journalières sous abri, calculée à partir du premier jour pour lequel la température moyenne devient négative.Valeur absolue (°C x j) Notation : I

• Sur le même principe, on définit :– Is : indice de gel en surface de la chaussée

– It : indice de gel transmis à la base du corps de chaussée


- 7 . 5

- 5

- 2 . 5

0

2 . 5

5

7 . 5

1 0

- 6 0

- 4 0

- 2 0

0

2 0

4 0

Température (°C)

Indice de gel (°Cxj)

jours

joursIG1 = -37 °Cxj IG2 = -49 °Cxj

ID1 = 35 °Cxj


Définitions (2/2)

• Quantité de gel : racine carrée de l’indice de gel( ) Notation : Q° Cxj

Peut être calculée :– dans l’air ambiant ;– en surface (QS) ;– à la base de la structure de chaussée (Qt) ;– à toute autre profondeur...


Rigueur hivernale (hiver 1962-63)


Rigueur hivernale (hiver 1962-63)


0255075100125

0

3

6

9

12

Indice de gel (°C x jours)

Hivers exceptionnels : 1951 - 1991

0

25

0

3

6

9

12

Indice de gel (°C x jours)

Hivers rigoureux non exceptionnels : 1951 - 1991


Quelques ordres de grandeurs ...

• France : hiver rigoureux non exceptionnelMarignane 20 °CxjBordeaux 40 °CxjLille 85 °CxjParis 100 °CxjStrasbourg 180 °Cxj

• Québec : hiver normalMontréal 1000 °CxjQuébec 1150 °CxjChicoutimi 1800 °Cxj


Caractérisation d’un hiver

Hiver caractérisé par son indice de gel.

Hiver exceptionnel : hiver pour lequel on a obtenu le plus fort indice de gel atmosphérique, entre 1951 et 1997 (hiver 55/56 ou 62/63 selon la région) ;

Hiver rigoureux non exceptionnel : hiver décennal sur la même période d’observation.


Vérification au gel/dégel

Principe : pour les seules structures reposant sur un matériau sensible au gel, on compare :

- l’indice de gel atmosphérique choisi comme référence IR qui caractérise l’hiver contre lequel on souhaite protéger la chaussée ;

- l’indice de gel atmosphérique que peut supporter la chaussée, appelé indice de gel admissible IA

Si IA > IR : vérification bonne(pas de dégâts)

Sinon : modifier support oustructure ou trafic


Choix de l’hiver de référence ou de IR

Choix de IR = fonction (politique du maître d’ouvrage)

• soit l’indice de gel de l’hiver exceptionnel(ex : 415 pour Mulhouse, hiver 62-63);

• soit l’indice de gel de l’hiver rigoureux non exceptionnel(ex : 155 pour Mulhouse, hiver 86-87) ;

• autre...


Calcul de IA

Remonter du sol support vers surface de chaussée:• 1ère étape : sensibilité au gel de la plate-forme

support de chaussée (Qg et Qng)• 2me étape : analyse de nature mécanique (QM)• 3me étape : quantité de gel admissible au niveau

de la plate-forme (QPF)• 4me étape : protection thermique apportée par la

structure de chaussée => relation It = f(IS)• 5me étape : détermination de l’indice de gel

atmosphérique admissible IA


1ère étape :sensibilité au gel des matériaux

Essai de gonflement au gel (NF P 98-234-2) pente de la courbe de gonflement (mm/(°Cxh)1/2)

=> trois classes de sensibilité au gel

0,05 0,40 pente en mm/ (°Cxh)1/2

SGn SGp SGt

avec SGn : sols non gélifsSGp : sols peu gélifsSGt : sols très gélifs


0

10

20

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Très gélifPeu gélifNon gélif

Classification

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40

CraieLimonSable gréseuxArgileMarne altéréeMarneSable propre

Matériaux

Indice de gel(°C x h) 1/2

Gonflement (mm)

Résultats obtenus à l'essai de gonflement


SGn hnSGp ou SGt

SGn hn SGn

2me étape :découpage de la plate-forme

SGn hn SGp hp SGt

(a)

Pas de pb

(b)

min (1/p ; 4) si p<10 si p> 1Qg = {

(c)

Qg

Hp (cm)

Qg(SGp)

Qg(SGt)

0 20


Période normale

3me étape :protection mécanique.

Pour les structures « rigides », on admet une augmentation momentanée et limitée (5%) de la sollicitation à la base de la structure par rapport à la période normale.

Dégelσ 1,05 x σ

e

QM = e/10avec e (cm)

=> quantité de gel QM en surface du massif=> pénétration du gel dans le support

ColléeCollée

Edégelée = EPF/10


4me étape :protection thermique (1/ )

Protection thermique due aux couches de forme et de chaussée, non gélives.

a) Couche de forme

(hn en cm)

Matériau A B,C D LTCC CV-SC-SL

An ( /cm) 0,15 0,13 0,12 0,14 0,17

Qng An hnhn

= ×+

2

10


Quantité de gel admissible en surface de la plate-forme

QPF = Qg + Qng +QM

avec– Qg : quantité de gel admissible en surface du sol gélif;– Qng : protection thermique assurée par la couche de

forme ;– QM : quantité de gel mécanique.


Protection thermique (2/ )

b) Protection du corps de chaussée

Calcul de base : modèle de Fourier géométrie de la structurecaractéristiques thermiquesconditions aux limites en températureloi d’évolution de la température en surface

relation It = f(IS)

Logiciel : Gel1d (LCPC) ou THRoute


Matériau ρ(kg/m3)

w (%) λ ng(W/m.K)

λ g(W/m.K)

BB 2 350 1 2.00 2.10GB 2 350 1 1.90 1.90GC 2 250 3 1.80 1.90GL 2 150 4 1.40 1.50Béton 2 300 3 1.70 1.90GNT 2 200 4 1.80 2.00

Quelques valeurs représentatives...


Température (°C)

0

10

20

30

400 5 10 15

Profondeur (m)

Temps (s)

-6

-4

-2

0

2

0 250000 500000 750000

Température (°C)

Conditions aux limites

Loi d’évolutionen surface




0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80

I (°C.j)

I (°C.j)

S

t

02468

1012141618

0 2 4 6 8

I (I en °C.j)

I (I en °C.j)

S S

t t

Structure8BB/20GL/18GL


Méthode simplifiéeLinéarisation de = f( )

selon = (1+a.h) x + b.h

oùh : épaisseur de la couche considérée (cm)a et b : coefficients fonction du matériau

Mat BB-GB BC-GC-GL GCV LTCC SL-SC GNT-GE

a 0,008 0,008 0,012 0,012 0,012 b 0,06 0,10 0,13 0,14 0,15

It IS

ItIS


Tr-geltr 45

Passage à l ’air ambiant

Iatm = IS/0,7 + 10avec

– IS : indice de gel de surface ;– Iatm : indice de gel atmosphérique

Remarque : relation établie pourdes conditions d ’altitude moyenne;un ensoleillement faible à moyenun IR < 210 °C.j


Tr-geltr 46

Quelques exemples !...

Chaussée souple de 30 cm d’épaisseur (BB/GNT)

Sol très gélif : p=1,05IA = 23 °Cxj 22 °Cxj 22 °Cxj 21 °Cxj

Sol peu gélif : p=0,30IA = 97 °Cxj 97 °Cxj 95 °Cxj 94 °Cxj

Cxh°

Cxh°

5 cm25 cm

8 cm22 cm

5 cm25 cm

12 cm

18 cm15 cm

15 cm


40 cm

Influence de l’épaisseur de GNT



Cxh°

Cxh°

8 cm

20 cm12 cm8 cm

10 cm8 cm

30 cm

8 cm


Influence de la nature de matériaux



Cxh°

Cxh°

8 cm 12 cm8 cm 8 cm 8 cm20 cmGB3

20 cmGC3

20 cmGLp

20 cmGNT


Influence de l’épaisseur de la couche de forme



Cxh°

Cxh°

8 cm 12 cm20 cmGB3

8 cm20 cmGB3

35 cm

8 cm20 cmGB3

8 cm20 cmGB3

50 cm 80 cm


Solutions possibles…

1. IA > IR : la chaussé peut supporter sans problème l’hiver choisi comme référence ;

3. IA < IR : la chaussée ne peut pas supporter l’hiver choisi comme référence :1. On ajuste l’épaisseur de la couche de forme (cas en

Alsace pour les routes nationales) ;2. On change de structure ;3. On pose des barrières de dégel (cas en Alsace pour les

routes départementales).


Couche de forme

Solution retenue par des maîtrises d’Ouvrage ayant décidé de mettre leur réseau « hors gel » (cas de l’état) ;

⇒ Forte épaisseur de matériau d’apport sur sol naturel (de l’ordre de 1,20m en tout en Alsace)

Cas TC620-PF3

8 cm21 cm

GB

96 cm CdForme


Changement de structure

Solution possible dans certaines régions selon disponibilité de matériaux

=> Réduction de l’épaisseur de la couche de forme

10 cm35 cmGC3

72 cm CdForme

8 cm21 cmGB3

96 cm CdForme

H = 125 cm H = 117 cm


Pose de barrière de dégel (1/3)

• Comment ? Par suivi :– De la pénétration du front de gel (cryopédomètre), pour

déterminer si les couches gélives sont atteintes;– De la pénétration du front de dégel pour décider de la pose

ou non des barrières ;– De la déflexion, pour analyse comparative par rapport à la

valeur pré-hivernale.

• Principe : limitation partielle ou totale du trafic poids lourds pour protéger la chaussée ;

• Quand ? Au dégel, lorsque la chaussée est fragilisée ;



Pose de cryopédomètre :

Suivi :




Facteur aggravant : l’eau


chauffage

Isolation thermique


Piste de développement

Campagne de gel/dégel

en période estivale….


H. Odéon - LRPC de Strasbourgtr. 59

Ce document est disponible sous la référence D 9511 (500 FF)Ce document est disponible sous la référence D 9511 (500 FF)

This document is available under the reference D9511TA (200 FF)

Bureau d’achat / Sales offices :LCPC IST - 58, bd Lefebvre - F75732 Paris Cédex 15 or

SETRA - 46, avenue A. Briand - BP100 - F92223 Bagneux Cédex LCPC Web site: http:\www.lcpc.fr

Documents

Conception structurelle des chaussées