PROPOSITION D’UNE MÉTHODE DE CONCEPTION DES ......traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples ne sont pas adaptées aux chaussées revêtues de pavés de béton puisque

ALEXA BRESSON

PROPOSITION D’UNE MÉTHODE DE

CONCEPTION DES CHAUSSÉES REVÊTUES DE

PAVÉS DE BÉTON EN ZONE URBAINE ET

NORDIQUE

Thèse présentée

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval

dans le cadre du programme de doctorat en génie civil

pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)

DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL

FACULTÉ DES SCIENCES ET GÉNIE

UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

2010

© Alexa Bresson, 2010

Chi asperttar puote, viene a cio che vuole.

(Qui peut patienter, finira par arriver.)

-Proverbe italien-

À mes parents,

Maguy et Christian.

À ma sœur et mon frère,

Natacha et Samuel.

RÉSUMÉ

Actuellement au Québec il n’existe pas de méthode de dimensionnement pour les chaussées

revêtues de pavés de béton. Pourtant, l’utilisation de pavés de béton comme revêtement de

chaussées apporte des avantages certains tant sur le plan esthétique que sur plan climatique

en contexte municipal et nordique. En effet, ils permettent de structurer l’espace urbain et

peuvent être mis en place à de faibles températures, permettant ainsi d'augmenter la période

de construction durant l'année. Du point de vue structural, sous l'effet du trafic, le transfert

de charges d'un pavé à l'autre et vers les couches inférieures de la chaussée permet à ce type

de structures de se comporter comme une chaussée souple, ce qui rend possible leur

installation dans des zones fortement sollicitées.

Lors d’une première étape de ce projet, 18 sites répartis dans les villes de Montréal, Québec

et Longueuil ont été étudiés et ont permis de montrer que l'orniérage était la principale

dégradation pour ce type de chaussées en contexte municipal et nordique. Les méthodes

traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples ne sont pas adaptées aux

chaussées revêtues de pavés de béton puisque plusieurs des hypothèses généralement

posées pour ces méthodes ne sont pas valides pour ces structures : les couches doivent être

homogènes et isotropes, les modules doivent être décroissants d'une couche à l'autre du

haut de la structure vers le bas. Enfin, les méthodes de dimensionnement traditionnelles

consistent à vérifier entre autre que la traction à la base du revêtement ne dépasse pas une

valeur critique. Cependant, la présence du sable du lit de pose sous les pavés ne permet pas

d’utiliser ce critère.

En conséquence, il apparaît important de déterminer les caractéristiques d'une couche

unique, homogène et isotrope qui permet de reproduire adéquatement le comportement du

revêtement de pavés de béton. L’orniérage étant la principale dégradation pour ce type de

chaussées, une méthodologie de dimensionnement peut alors être développée en

déterminant l'accumulation de la déformation permanente dans la chaussée sous l'effet du

trafic, en incluant les variations de caractéristiques que subit la chaussée suivant la période

de l'année.

ii

REMERCIEMENTS

La thèse est une expérience tout à fait originale, à la fois très exaltante et très ingrate. Au

court des ans, une multitude de sentiments nous envahie, passant d'états d'euphorie à des

moments de doutes et de solitude. Les différents remerciements présentés ci-après peuvent

paraître longs, mais il me paraissait indispensable de remercier tous ces gens qui de près ou

de loin m'ont accompagnée dans cette aventure. En effet, outre le travail académique, la

thèse est aussi une aventure humaine.

Tout d'abord je tiens à remercier ma directrice Madame Pascale Pierre, et mes codirecteurs

Messieurs Guy Doré et Richard Pleau, pour m'avoir permis de vivre cette expérience

inoubliable et pour avoir su m'orienter et me donner des conseils avisés durant ces années.

Ce projet a été réalisé en collaboration avec les entreprises Permacon, Transpavé, Techni-

Seal et Bauval/Techmix et le soutien de Holcim, Transport Québec et des villes de Québec

et Montréal. Je tiens donc à remercier chaleureusement toutes les personnes qui ont

représenté ces différentes organisations dans ce projet, soit M. Blaise Perron,

M. Denis Hamel, M. Philippe Pinsonneault, M. Sylvain Dulude, M. David Bergeron,

M. Sylvain Leroux, M. Dominique Giguère M. Guy Bergeron, M. Serge Fortin,

Mme Sylvie Dubé et M. Pierre-Paul Légaré. J’ai en effet été très touchée du fait qu’ils se

soient déplacés à chacun de mes séminaires et qu’ils m’aient encouragé tout au long de

cette étude.

Avant de démarrer cette thèse, j’ai été accueilli au CERIB en France par Messieurs Lionel

Monfront et Gérard Degas. Je tiens à les remercier pour m’avoir si bien reçue ainsi que

pour toutes les discussions relatives à mon étude que l’on a pu avoir. Ils ont par ailleurs mis

à ma disposition une très grande quantité de documents et grâce à l’aide ajoutée de

Madame Geneviève Berbuto, la bibliothécaire, j’ai pu acquérir une bonne base d’étude.

Pour ce qui est des essais sur le terrain, je tiens à remercier chaleureusement Messieurs

Christian Juneau, Claude Picard et Serge Fortin. Toutes ces sorties ont été faites dans une

bonne humeur et grâce à leurs compétences et à leurs disponibilités, ces essais ont pu être

réalisés dans les meilleurs conditions possibles.

iii

En ce qui concerne l'aspect numérique, qui tient une grande place dans ma thèse, je tiens à

remercier M. Mario Fafard, pour sa gentillesse, son humanité et pour sa disponibilité à

répondre à mes questions.

Une thèse c'est aussi un temps plus que conséquent, passé aux bureaux de l'université. En

premier, je tiens à remercier Jean-Pascal, rencontré au début de mon expérience

québécoise. Hormis son amitié et son soutien, je tiens à lui exprimé toute ma gratitude pour

tous les cafés qu’il m’a préparé et tous les beignes qu’il m’a offert durant ces années. J'ai eu

la chance extraordinaire d'être entourée de collègues bienveillants, Sophie, Damien,

Stéphane et Jean-Simon qui m'ont toujours apporté leur soutien et ce, à tout moment.

Lorsque l’on part si loin de chez soit, de nouvelles amitiés se créent. Elles sont importantes

et précieuses pour nous aider à avancer et nous permettre de relâcher la pression dans les

moments plus difficiles Je tiens donc à remercier chaleureusement Lydie, Mylène, Sylvie,

Frédéric, Philippe, François et Rhéal.

D’autres personnes évoluant à l’université ont contribué à l’accomplissement de ce travail.

Je tiens ainsi à remercier Mesdames Denyse Marcotte et Lyne Dupuis, personnes

formidables, chaleureuses et qui accomplissent un travail remarquable. Merci pour tous ces

bons moments passés en votre compagnie.

Une autre de mes pensées va à Huguette, qui m’a servi un nombre incalculable de cafés,

toujours avec bonne humeur et gentillesse et qui ne manquait jamais de me mettre de côté

des biscuits aux pépites de chocolat pour être certaine qu’il en resterait quand je passerais.

Lors de mes derniers moments à Québec, j’ai eu la chance de rencontrer Julie, Michel et

Raynald. Leur bonne humeur, leur joie et leur enthousiasme ont contribué à rendre la fin de

mon séjour très agréable.

Pour ce qui est de l'aspect mécanique de ma personne, je tiens à remercier chaleureusement

le Dr Baker à Québec et M. Gilles Le Pennec à Paris, qui m'ont remise sur pieds un grand

nombre de fois. Outre leurs qualités professionnelles, c'est une belle histoire humaine qui

continue.

iv

Le retour du Québec a été une grande étape d’adaptation et de nouveautés. Je tiens à

remercier Guy Deridder pour toutes ces discussions et ce soutien qu’il m’a apporté. De

même, j'ai toujours pu compter sur le soutien de Titi, Céline et Jean-Pascal, Duch,

Christophe, Céline et Romain ainsi que Mous. Merci pour ces grandes discussions, ces

moments précieux d'amitié, que cela ait été d'un côté ou de l'autre de l'océan. La reprise

d'un travail à mi-temps lors de mon retour en France m'a permis par ailleurs de faire la

connaissance de deux personnes extraordinaires, Iréna et Youssef. Ils m'ont soutenue et

encouragée jusqu'aux derniers mots de cette thèse. Ces amitiés, nouvelles ou anciennes,

sont inestimables à mes yeux.

Finalement, et c'est certainement la partie la plus importante, je tiens à remercier

chaleureusement mes parents, Maguy et Christian ainsi que leurs conjoints Benoît et Joëlle,

ma sœur Natacha et mon frère Samuel pour leur soutien moral inconditionnel durant toutes

ces années. Même dans les moments de doutes ils ont toujours été là, à croire en moi. Il est

difficile de trouver les mots justes pour leur exprimer combien cela a fait toute la

différence, mais il est certain qu'ils sont grandement responsables de l'achèvement de cette

thèse. Merci de tout mon cœur, je vous aime.

Table des matières

Résumé ....................................................................................................... i

Remerciements ................................................................................................. ii

Liste des tableaux ............................................................................................. x

Liste des figures .............................................................................................. xii

Chapitre 1 Introduction générale ................................................................... 1

1.1 Introduction et mise en contexte ........................................................................... 1

1.2 Problématique ......................................................................................................... 2

1.3 Objectifs de la recherche ........................................................................................ 3

1.4 Organisation de la thèse ......................................................................................... 4

Chapitre 2 Revue de littérature ...................................................................... 7

2.1 Introduction ............................................................................................................ 7

2.2 Avantages et limitations des revêtements de pavés de béton .............................. 8

2.2.1 Avantages et limitations dans un contexte général...................................... 8

2.2.2 Avantages et limitations dans un contexte nordique ................................. 11

2.2.3 Importance du dimensionnement et de la mise en place ........................... 12

2.3 Les éléments constitutifs d’une chaussée revêtue de pavés de béton ............... 14

2.3.1 Généralités ................................................................................................. 14

2.3.2 Les pavés ................................................................................................... 14

2.3.3 Les joints ................................................................................................... 17

2.3.4 Les bordures .............................................................................................. 21

2.3.5 Le lit de pose ............................................................................................. 21

2.3.6 Les assises ................................................................................................. 26

2.3.7 Conclusion ................................................................................................. 27

2.4 Dimensionnement des chaussées revêtues de pavés de béton ........................... 28

2.4.1 Introduction ............................................................................................... 28

2.4.2 Comportement d’une chaussée revêtue de pavés de béton ....................... 28

2.4.3 Conception traditionnelle des chaussées souples en contexte municipal et nordique ..................................................................................................... 33

2.4.4 Étude de la mesure du module du système "pavés + lit de pose" .............. 35

2.4.5 Méthodes de dimensionnement existantes pour les chaussées revêtues de pavés de béton ........................................................................................... 36

2.4.6 Conclusion ................................................................................................. 41

vi

2.5 Analyses numériques par la méthode des éléments finis .................................. 42

2.5.1 Introduction ............................................................................................... 42

2.5.2 Généralités pour la méthode des éléments finis utilisés dans le cas des chaussées ................................................................................................... 42

2.5.3 Méthode des éléments finis en 2D pour les structures de chaussées revêtues de pavés de béton ........................................................................ 48

2.5.4 Méthode des éléments finis en 3D pour les structures de chaussées

revêtues de pavés de béton ........................................................................ 49

2.5.5 Méthode des éléments finis en axisymétrie pour les structures de chaussées revêtues de pavés de béton ....................................................... 51

2.5.6 Conclusion ................................................................................................. 52

Chapitre 3 Étude des Essais de déflectomètre à masse tombante à la ville

de Québec .................................................................................. 54

3.1 Introduction .......................................................................................................... 54

3.2 Description de l’appareil et principe de l’essai .................................................. 54

3.3 Généralités pour l’interprétation des résultats de bassins de déflexion .......... 57

3.4 Choix des sections de chaussées et essais réalisés .............................................. 61

3.5 Résultats des essais de terrain ............................................................................. 62

3.5.1 Nomenclature utilisée ................................................................................ 62

3.5.2 Description des structures de chaussées à l'étude ...................................... 63

3.5.3 Étude en fonction du type de structure ...................................................... 65

3.5.4 Étude en fonction de la saison ................................................................... 69

3.5.5 Comportement structural ........................................................................... 75

3.6 Conclusion ............................................................................................................. 78

Chapitre 4 Analyse par la méthode des éléments finis en 3D .................... 79

4.1 Introduction .......................................................................................................... 79

4.2 Description générale du logiciel ANSYS® (2007c) ............................................ 81

4.3 Simulations préliminaires .................................................................................... 82

4.3.1 Généralités ................................................................................................. 82

4.3.2 Choix des éléments structuraux et de contact ........................................... 83

4.3.2.1 Éléments structuraux ................................................................ 83

4.3.2.2 Éléments de contact .................................................................. 85

4.3.3 Tests préliminaires concernant la géométrie des structures ...................... 87

4.3.3.1 Présentation de la structure de chaussée témoin ..................... 87

4.3.3.2 Effet de la longueur et de la largeur du modèle ....................... 89

4.3.3.3 Effet de la hauteur du sol infrastructure .................................. 90

4.3.4 Test préliminaires concernant le maillage ................................................. 90

vii

4.3.4.1 Méthode utilisée pour le maillage des structures ..................... 90


4.3.4.3 Effet du maillage sur la hauteur ............................................... 94

4.3.4.4 Effet du maillage de la plaque .................................................. 95

4.3.5 Tests préliminaires concernant les paramètres matériaux du revêtement . 96

4.3.5.1 Généralités ............................................................................... 96


4.3.5.3 Tests sur l’effet de la valeur du coefficient de Poisson du revêtement ................................................................................ 98

4.3.5.4 Tests sur l’effet de la valeur du module élastique du revêtement .................................................................................................. 99

4.3.5.5 Test sur l’effet de la hauteur du revêtement ........................... 100

4.3.5.6 Comparaison des paramètres des bassins de déflexion en

fonction du module ou de la hauteur du revêtement .............. 101

4.3.6 Tests préliminaires concernant les paramètres de contact ....................... 103

4.3.6.1 Généralités ............................................................................. 103

4.3.6.2 Présentation de la structure de chaussée témoin ................... 103

4.3.6.3 Tests généraux sur les facteurs de rigidité normale (FKN) et

tangentielle (FKT) du lit de pose ............................................ 107

4.3.6.4 Tests généraux sur la rigidité normale (KN) et tangentielle (KT) du lit de pose ........................................................................... 108

4.3.6.5 Tests généraux sur les facteurs de rigidité normale (FKN) et

tangentielle (FKT) des joints .................................................. 110

4.3.6.6 Tests généraux sur le facteur de rigidité normale (FKN) des joints ....................................................................................... 113

4.3.6.7 Tests généraux sur le facteur de rigidité tangentielle (FKT) des joints ....................................................................................... 114

Tests généraux sur l'effet du coefficient de friction ............ 115

4.3.7 Conclusions relatives aux tests préliminaires réalisés ............................. 116

4.4 Construction des modèles de simulation pour un revêtement continu et pour un revêtement discontinu ................................................................................... 118

4.4.1 Généralités ............................................................................................... 118

4.4.2 Niveau Preprocessor ............................................................................... 118

4.4.2.1 Géométrie, éléments, liaisons et maillage .............................. 118

4.4.2.2 Définition des matériaux et construction des structures de

chaussées à revêtement continu ............................................. 119

4.4.2.3 Définition des matériaux et construction des structures de chaussées à revêtement discontinu ......................................... 120

4.4.3 Niveau Solution Processor ...................................................................... 121

4.4.4 Niveau Postprocessor .............................................................................. 121

viii

4.5 Résultats obtenus à l’aide des simulations numériques .................................. 123

4.5.1 Introduction ............................................................................................. 123

4.5.2 Simulations réalisées pour les structures de chaussée de terrain avec fondation granulaire et lit de pose en criblure de pierre .......................... 124

4.5.2.1 Structures de chaussée à l'étude ............................................. 124

4.5.2.2 Simulations pour revêtement discontinu ................................ 124

4.5.2.3 Simulations pour revêtement continu équivalent ................... 125

4.5.3 Simulations réalisées pour les structures de chaussée de terrain avec fondation en grave-bitume et lit de pose stabilisé ................................... 127

4.5.3.1 Structures de chaussée à l'étude ............................................. 127

4.5.3.2 Simulations pour revêtement discontinu ................................ 128

4.5.3.3 Simulations pour revêtement continu équivalent ................... 130

4.5.4 Conclusions relatives aux résultats obtenus à l'aide des simulations

numériques .............................................................................................. 131

Chapitre 5 Dimensionnement des chaussées revêtues de pavés de béton

.................................................................................................. 133

5.1 Introduction ........................................................................................................ 133

5.2 Vérifications des deux types de couches continues obtenues à l'aide de la simulation numérique ......................................................................................... 136

5.2.1 Généralités ............................................................................................... 136

5.2.2 Présentation du logiciel CHAUSSÉE 2 (2006) et des structures de

chaussées à l'étude ................................................................................... 137

5.2.3 Dimensionnement des deux types de structures de chaussées avec leur couche unique correspondante ................................................................ 140

5.2.4 Conclusion ............................................................................................... 142

5.3 Modèles de déformation permanente ............................................................... 142

5.3.1 Généralités ............................................................................................... 142

5.3.2 Déformation permanente dans le cas du revêtement de pavés de béton . 143

5.3.3 Modèle de déformation permanente pour une fondation granulaire ....... 145

5.3.3.1 Description de l'essai à l'appareil triaxial ............................. 145

5.3.3.2 Traitement des résultats ......................................................... 149

5.3.4 Modèle de déformation permanente pour le sol d'infrastructure ............. 154

5.4 Dimensionnement à l’aide des réponses élastiques déterminées par le logiciel

JULEA ................................................................................................................. 156

5.4.1 Présentation du problème ........................................................................ 156

5.4.2 Présentation du logiciel JULEA .............................................................. 158

5.4.3 Prise en compte du climat dans le calcul de déformation permanente .... 159

5.4.4 Déformation permanente totale calculée pour la structure de chaussée S1-FG-CC ..................................................................................................... 163

ix

5.5 Conclusion ........................................................................................................... 164

Chapitre 6 Discussion et conclusion ........................................................... 166

6.1 Discussion ............................................................................................................ 166

6.1.1 Généralités ............................................................................................... 166

6.1.2 Du point de vue théorique ....................................................................... 166

6.1.3 Du point de vue pratique : Essais à la ville de Québec ........................... 168

6.1.4 Du point de vue numérique : Simulation à l'aide du logiciel ANSYS® (2007a) ..................................................................................................... 170

6.1.5 Du point de vue du dimensionnement ..................................................... 176

6.1.5.1 Généralités ............................................................................. 176

6.1.5.2 Essais en laboratoire .............................................................. 177

6.1.5.3 Simulations à l'aide du logiciel JULEA.................................. 178

6.1.5.4 Développement du calcul ....................................................... 179

6.2 Conclusion ........................................................................................................... 189

Bibliographie................................................................................................. 192

Annexe A - Graphique de déformation permanente pour toutes les

couches de la structure ............................................................... I

Annexe B - Script utilisé pour les simulations des chaussées à revêtement

continu ........................................................................................ II

Annexe C - Script utilisé pour les simulations des chaussées à revêtement

discontinu .............................................................................. XXI

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 : Granulométrie du sable des joints proposée dans le devis technique normalisé

de la Ville de Montréal (2002) ...................................................................................... 19

Tableau 2.2 : Valeurs limites de fines à obtenir lors de l'essai de Lilley et Dowson (1988) 24

Tableau 2.3 : Déflexions mesurées et condition du revêtement correspondante selon

Knapton (1994) ............................................................................................................. 32

Tableau 2.4 : Résumé de différents facteurs d'équivalence du système "pavés + lit de pose"

(adapté de CMA (2004)) ............................................................................................... 37

Tableau 2.5 : Coefficient de variation relevé selon le type de réponse de la chaussée pour

plusieurs logiciels d'analyse des structures de chaussées souples (tiré de Witczak et

coll. (2004)) .................................................................................................................. 48

Tableau 3.1 : Correspondance entre la position des géophones et la profondeur de couche

sollicitée pour chaque géophone selon la droite d'Irwin ............................................... 56

Tableau 3.2 : Classification de la résistance des couches (adapté de Michalak et Scullion

(1995)) .......................................................................................................................... 59

Tableau 3.3 : Nomenclature utilisée dans le cadre des essais de déflectomètre à masse

tombante réalisés à la ville de Québec ......................................................................... 63

Tableau 3.4 : Structures de chaussées pour les séries S1 ...................................................... 63




Tableau 4.1 : Paramètres géométriques et paramètres matériaux de la structure de chaussée

témoin des tests préliminaires concernant la géométrie des structures ........................ 88


témoin des tests préliminaires concernant la géométrie des structures ........................ 97


témoin des tests préliminaires concernant les paramètres de contact ......................... 106

Tableau 4.4 : Valeurs de FKN et FKT pour les contacts des joints et du lit de pose de la

chaussée témoin .......................................................................................................... 107

Tableau 4.5 : Paramètres utilisés en données d’entrée pour les structures de chaussées à

revêtement continu ...................................................................................................... 120

Tableau 4.6 : Paramètres de la couche équivalente pour les structures avec fondation

granulaire et lit de pose en criblure de pierre .............................................................. 126

Tableau 4.7 : Structure de chaussées pour la série S5-FGB-P ............................................ 128

xi

Tableau 4.8 : Description des simulations réalisées pour la série S4 avec revêtement

discontinu .................................................................................................................... 129

Tableau 4.9 : Paramètres de la couche équivalente pour les structures avec fondation en

grave-bitume et lit de pose stabilisé ............................................................................ 130

Tableau 5.1 : Tableau récapitulatif des paramètres de la couche unique représentant le

système "pavés + lit de pose" ..................................................................................... 136

Tableau 5.2 : Valeurs de Ka et Kb pour le calcul du nombre structural en fonction du

matériau considéré (tiré de Saint-Laurent (2006)) ...................................................... 138

Tableau 5.3 : Valeurs des coefficients structuraux a1 des couches de revêtement continues

calculées par l'équation de l'AASHTO et par l'équation de Rada et coll. (1990) ....... 139

Tableau 5.4 : Structures de chaussées pour la série S1-FG-CC et la série S4-FGB-CC .... 139

Tableau 5.5 : Résultat obtenu lors du dimensionnement avec CHAUSSÉE 2 (2006) des

structures de chaussée S1-FG-CC et S4-FGB-CC ...................................................... 141

Tableau 5.6 : Paramètres matériaux utilisés dans le modèle de Ullidtz (1998) pour la

fondation en MG20 ..................................................................................................... 154

Tableau 5.7 : Paramètres matériaux utilisés dans le modèle de Behzadi et Choobbasti

(2008) pour le sable silteux ......................................................................................... 155

Tableau 5.8 : Exemple de résultats de calcul du nombre de cycles pour chaque période de la

1ère

année, de la 2nde

année et de la 25ème

année pour la structure de chaussée

S1-FG-CC ................................................................................................................... 161

Tableau 5.9 : Niveau de sévérité de la dégradation en fonction de la profondeur d'ornière

selon le Ministère des Transports du Québec (2002) ................................................. 163

Tableau 6.1 : Base de données créée afin de calculer la déformation permanente totale pour

une des couches inférieures de la chaussée ................................................................ 182

LISTE DES FIGURES

Figure 2.1 : Dessin typique d’une chaussée revêtue de pavés de béton ................................. 7

Figure 2.2 : Importance des raccords entre les revêtements de pavés de béton et les

revêtements d'enrobé bitumineux (adaptée de FEBE (2005)) ...................................... 10

Figure 2.3 : Effet de la rotation et du déplacement des pavés sous l'effet du trafic pour des

pavés rectangulaires et à emboîtement disposés en lignes parallèles discontinues ou en

chevrons (adaptée de Shackel (2003)) .......................................................................... 16

Figure 2.4 : Schématisation des contraintes de cisaillement et compression des joints sous

l'effet d'une charge de roue (adaptée de FEBE (2005)) ................................................ 18

Figure 2.5 : Courbes granulométriques de sable de joint relevées dans la littérature ........... 19

Figure 2.6 : Effet de la hauteur du lit de pose sur la déformation du revêtement sous l'effet

d'une charge de roue (adaptée de CIMbéton (2002)) .................................................... 22

Figure 2.7 : Courbes granulométriques de sable de lit de pose relevées dans la littérature

(adaptée de Bullen et Knapton (1998) et de la Ville de Montréal (2002)) ................... 23

Figure 2.8 : Expulsion du sable des joints sous l'effet de la pénétration de l'eau dans le lit

de pose et du trafic (FEBE (2005)) ............................................................................... 25

Figure 2.9 : Transfert de charge d'un pavé à l'autre selon l'appareillage sous l'effet d'une

charge de roue verticale (adaptée de FEBE (2005)) ..................................................... 29

Figure 2.10 : Transfert de charge d'un pavé à l'autre selon l'appareillage sous l'effet d'une

charge de roue horizontale (adaptée de FEBE (2005)) ................................................. 30

Figure 2.11 : Courbe typique d'augmentation de la profondeur moyenne d'ornière en

fonction du trafic ........................................................................................................... 31

Figure 2.12: Critère usuel du MTQ pour la protection contre le gel, (Ministère des

Transports du Québec (2006)) ...................................................................................... 35

Figure 2.13 : Exemples de formes de pavés adaptés de Weston Precast Inc. (1990) ........... 36

Figure 2.14 : Valeur du coefficient structural du système "pavés + lit de pose" en fonction

du nombre de répétition de charges selon Rada et coll. (1990) .................................... 39

Figure 2.15 : Effet répartiteur d'une chaussée pavée selon Dutruel et Dardare (1987) ........ 39

Figure 2.16 : Forme générale des lignes de rupture d'une plaque pavée, selon Dutruel et

Dardare (1987) .............................................................................................................. 40

Figure 2.17 : Forme générale de la surface de plasticité pour les sables dans le plan

déviatorique (adaptée de Lade (2005)) ......................................................................... 44

Figure 2.18: Enveloppes de Mohr-Coulomb et de Drucker-Prager dans le plan déviatorique

...................................................................................................................................... 44

xiii

Figure 2.19 : Lois de Mohr-Coulomb et de Drucker-Prager dans l'espace des contraintes

principales (adaptée de ANSYS® (2007b)) ................................................................. 45

Figure 2.20 : Relations linéaires des critères de Drucker-Prager et de Mohr-Coulomb ....... 46

Figure 2.21 : Intersection entre le cône de Drucker-Prager et les plans (σ1, σ2), (σ2, σ3) et

(σ1, σ3) (tiré de Desrues (2002)) .................................................................................. 47

Figure 2.22 : Modèle en 3D realisé par Nishizawa (2003) ................................................... 49

Figure 2.23 : Axes d'étude en axisymétrie de Chua et coll. (2000) ...................................... 52

Figure 3.1 : Déflectomètre à masse tombante de l’université Laval .................................... 55

Figure 3.2 : Schématisation du fonctionnement du déflectomètre à masse tombante .......... 56

Figure 3.3 : Droite de distribution de contraintes d'Irwin sous l'effet d'un chargement au

déflectomètre à masse tombante ................................................................................... 57

Figure 3.4 : Positions des géophones et déflexion pour un essai de déflectomètre à masse

tombante ........................................................................................................................ 58

Figure 3.5 : Rayon de courbure du bassin de déflexion ........................................................ 60

Figure 3.6 : Interprétation qualitative de la forme des bassins de déflexion (adaptée de Jung

(1988)) .......................................................................................................................... 61

Figure 3.7 : Bassins de déflexion relevés pour les séries S1 à l’automne ............................ 66



Figure 3.10 : Bassins de déflexion relevés pour les séries S4 à l’automne .......................... 66

Figure 3.11 : BCI relevés pour les séries S1 et S2 pour l’automne ...................................... 67

Figure 3.12 : BCI relevés pour les séries S3 et S4 pour l’automne ...................................... 67

Figure 3.13 : SCI relevés pour les séries S1 et S2 pour l’automne....................................... 68

Figure 3.14: SCI relevés pour les séries S3 et S4 pour l’automne........................................ 68

Figure 3.15 : Rayons de courbure relevés pour les séries S1 et S2 pour l’automne ............. 69

Figure 3.16 : Rayons de courbure relevés pour les séries S3 et S4 pour l’automne ............. 69

Figure 3.17 : Températures de l'air relevées entre septembre 2007 et mai 2008 à l’aéroport

Jean-Lesage de Québec (Environnement Canada (2008)) ............................................ 70

Figure 3.18 : Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S1-FG-P avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 71

Figure 3.19: Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S1-FG-EB avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 71


chargement de 40 kN .................................................................................................... 71

xiv

Figure 3.21 : Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S2-FG-EB avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 71


chargement de 40 kN .................................................................................................... 72

Figure 3.23 : Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S3-FGB-EB avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 72

Figure 3.24 : Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S4-FGB-P avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 73

Figure 3.25 : Bassins de déflexion pour les 3 saisons pour les essais S4-FGB-EB avec un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 73

Figure 3.26 : ISM calculés pour les séries S1 et S2 sous un chargement de 40 kN en

fonction des saisons ...................................................................................................... 74

Figure 3.27 : ISM calculés pour les séries S3 et S4 sous un chargement de 40 kN en

fonction des saisons ...................................................................................................... 74

Figure 3.28 : Aire des bassins de déflexion sous chargement de 40 kN pour les structures de

chaussées des séries S1 et S2 ........................................................................................ 75

Figure 3.29 : Aire des bassins de déflexion sous chargement de 40 kN pour les structures de

chaussées des séries S3 et S4 ........................................................................................ 75

Figure 3.30 : Relevés de bassins de déflexion pour chaussée à revêtement intact et

chaussée à revêtement fissuré (adaptée de Kim et coll. (2000)) ................................... 76

Figure 3.31 : Relevés de bassins de déflexion pour la série d'essai S2 à l'automne pour un

chargement de 40 kN .................................................................................................... 76

Figure 3.32 : Chaussée revêtue de pavés de béton à l’étude ayant subit un fort orniérage et

beaucoup de déplacements de pavés ............................................................................. 77

Figure 3.33 : Bassins de déflexion pour chaussées revêtues de pavés de béton avec

revêtement endommagé ou non .................................................................................... 77

Figure 4.1 : Schématisation des deux grandes étapes à effectuer lors des simulations

numériques pour déterminer les paramètres de la couche de revêtement équivalente . 80

Figure 4.2: Élément structural 3D à 20 nœuds (adaptée de ANSYS® (2007b)) .................. 84

Figure 4.3 : Élément structural 3D prismatique à 15 nœuds (adaptée de ANSYS® (2007b))

...................................................................................................................................... 85

Figure 4.4 : Élément de contact Surface-à-Surface .............................................................. 85

Figure 4.5 : Schématisation du comportement d'un élément de contact ............................... 86

Figure 4.6 : Assignation des surfaces de contact (Contact) et des surfaces cibles (Target) . 86

Figure 4.7 : Conditions aux limites et aux interfaces pour les tests concernant la géométrie

des structures ................................................................................................................. 87

xv

Figure 4.8 : Résultats des tests validant la longueur et la largeur des modèles de simulation

...................................................................................................................................... 89

Figure 4.9 : Résultats des tests de l’effet de la hauteur du sol d’infrastructure .................... 90

Figure 4.10 : Les deux grandes étapes du maillage par déplacement lors de la construction

d’une couche constitutive de la chaussée ..................................................................... 92

Figure 4.11 : Effet du découpage du chemin de guidage sur le maillage de la structure ..... 93

Figure 4.12 : Effet du découpage de la plaque sur le maillage de la structure ..................... 94

Figure 4.13 : Résultats des tests de l’effet du maillage sur la hauteur de la structure .......... 95

Figure 4.14 : Résultats des tests de l’effet du maillage de la plaque .................................... 96

Figure 4.15 : Influence de la valeur du coefficient de poisson du revêtement sur les bassins

de déflexion ................................................................................................................... 98

Figure 4.16 : Influence du module élastique du revêtement sur les bassins de déflexion ... 99

Figure 4.17 : Influence de la hauteur du revêtement sur les bassins de déflexion ............. 100

Figure 4.18 : D0 normalisé en fonction de l’évolution du module du revêtement normalisé

.................................................................................................................................... 101

Figure 4.19 : D0 normalisé en fonction de l’évolution de la hauteur du revêtement

normalisée ................................................................................................................... 101

Figure 4.20 : SCI normalisé en fonction de l’évolution du module du revêtement normalisé

.................................................................................................................................... 102

Figure 4.21 : SCI normalisé en fonction de l’évolution de la hauteur du revêtement

normalisée ................................................................................................................... 102

Figure 4.22 : Rc normalisé en fonction de l’évolution du module du revêtement normalisé

.................................................................................................................................... 102

Figure 4.23 : Rc normalisé en fonction de l’évolution de la hauteur du revêtement

normalisée ................................................................................................................... 102

Figure 4.24 : Conditions aux limites et aux interfaces pour les tests concernant les

paramètres de contact .................................................................................................. 105

Figure 4.25 : Vue du dessus du revêtement discontinu et de la plaque de chargement utilisés

sous ANSYS® (2007c) pour les tests concernant les paramètres de contact ............. 105

Figure 4.26 : Résultats des tests généraux des paramètres de contact du lit de pose avec

FKN=FKT=1 pour les contacts des joints .................................................................. 108

Figure 4.27 : Résultats des tests généraux des paramètres de contact du lit de pose avec

FKN=FKT=10 pour les contacts des joints ................................................................ 108

Figure 4.28 : Résultats des tests généraux de la rigidité normal (KN) des contacts du lit de

pose avec FKN=FKT=1 pour les contacts des joints et FKT=1 pour les contacts du lit

de pose ........................................................................................................................ 109

xvi

Figure 4.29 : Résultats des tests généraux de la rigidité tangentielle (KT) des contacts du lit

de pose avec FKN=FKT=1 pour les contacts des joints et FKN=1 pour les contacts du

lit de pose .................................................................................................................... 110

Figure 4.30 : Résultats des tests généraux de la rigidité tangentielle (KT) des contacts du lit

de pose avec FKN=FKT=1 pour les contacts des joints et KN=35 MPa pour les

contacts du lit de pose ................................................................................................ 110

Figure 4.31 : Résultats des tests généraux des paramètres de contact des joints avec

FKN=FKT=1 pour le lit de pose ................................................................................. 111

Figure 4.32 : Résultats des tests généraux des paramètres de contact des joints avec

FKN=FKT=10 pour le lit de pose ............................................................................... 111

Figure 4.33 : Résultats des tests généraux des paramètres de contact des joints (FKN=FKT)

et avec FKN=FKT=1 pour le lit de pose .................................................................... 112

Figure 4.34 : Effet de la valeur du FKN des joints pour une valeur de FKT=0.3 et avec

FKT=FKN=1 pour le lit de pose ................................................................................. 113

Figure 4.35 : Effet de la valeur du FKN des joints pour une valeur de FKT=1 et avec


Figure 4.36 : Effet de la valeur du FKN des joints sur le D0 normalisé ............................. 114

Figure 4.37 : Effet de la valeur du FKT des joints pour une valeur de FKN=0.3 et avec


Figure 4.38 : Effet de la valeur du FKT des joints pour une valeur de FKN=1 et avec


Figure 4.39 : Effet de la valeur du FKT des joints sur le D0 normalisé .............................. 115

pose ............................................................................................................................. 116

Figure 4.41 : Eff

.................................................................................................................................... 116

Figure 4.42 : Schématisation des chemins (paths) utilisés pour déterminer les déflexions de

la plaque pavée sous ANSYS® (2007c) ..................................................................... 122

Figure 4.43 : Essai de terrain et simulation numérique correspondante pour la structure de

chaussée S1 ................................................................................................................. 125


chaussée S2 ................................................................................................................. 125


chaussée S3 ................................................................................................................. 125

Figure 4.46 : Résultats des simulations pour la détermination des paramètres de couche

équivalente de la série S1 ............................................................................................ 126

xvii






chaussée S4 ................................................................................................................. 128


chaussée S5 ................................................................................................................. 128

Figure 4.51 : Meilleur résultat obtenu pour les simulations numériques versus l'essai de

terrain pour la structure de chaussée S4 ...................................................................... 130





Figure 5.1 : Critères de dimensionnement communément employés dans le cas des

chaussées souples ........................................................................................................ 134

Figure 5.2 : Schématisation de la méthode employée pour déterminer la déformation

permanente pour chaque couche de la chaussée ......................................................... 135

Figure 5.3 : Appareillage utilisé pour l'étude de la déformation permanente du revêtement

de pavés de béton ........................................................................................................ 144

Figure 5.4: Forme de l'impulsion lors de l'essai triaxial pour le système "pavés + lit de

pose" ........................................................................................................................... 144

Figure 5.5 : Déplacement permanent relevé lors des essais en laboratoire pour un lit de pose

en sable granitique et un lit de pose en poussière de pierre calcaire .......................... 145

Figure 5.6 : Courbe granulométrique du MG20 ................................................................. 146

Figure 5.7 : Schématisation de l'essai triaxial utilisé pour l'étude de la déformation

permanente de la fondation ........................................................................................ 146

Figure 5.8 : Forme de l'impulsion lors de l'essai triaxial pour le matériau de fondation .... 147

Figure 5.9 : Déformation permanente mesurée pour le MG20 ........................................... 148

Figure 5.10 : Les trois comportements à la rupture (concept du Shakedown) pour les

matériaux granulaires non liés .................................................................................... 148

Figure 5.11 : Décomposition en sommes de carrés (adaptée de Tufféry (2007)) ............... 151

Figure 5.12 : Déformation permanente mesurée de manière expérimentale et calculée à

l'aide du modèle d'Ullidtz (1998) pour le matériau de fondation ............................... 154

Figure 5.13 : Découpage de la structure de chaussée à l'étude ........................................... 157

xviii

Figure 5.14 : Schématisation des résultats d'une courbe de déformation permanente en

prenant en compte le climat pour la fondation, la sous-fondation ou le sol

d'infrastructure ............................................................................................................ 162

Figure 5.15 : Déformation permanente en fonction du nombre d’applications de charges,

calculée pour la structure de chaussée S1-FG-CC ...................................................... 164

Figure 6.1 : Temps d'application de la charge pour représenter un pneu en mouvement

(adaptée de Huang (2003)) ......................................................................................... 172

Figure 6.2 : Représentation des joints à l'aide des surfaces de contact et de ressorts placés

en bas de pavés ........................................................................................................... 173

Figure 6.3 : Maillage du revêtement de pavés de béton a) Lorsque les joints et le lit de pose

sont représentés par des éléments de contact b) Lorsque les joints et le lit de pose sont

représentés par des éléments solides ........................................................................... 174

Figure 6.4 : Différences de maillage entre a) Un maillage avec une longueur de maillage

fixe b) Un maillage avec une longueur de maillage progressive. .............................. 175

CHAPITRE 1

INTRODUCTION GÉNÉRALE

1.1 Introduction et mise en contexte

Les pavés de béton sont de plus en plus utilisés comme matériaux de revêtement de

chaussée. Leur domaine d’emploi est vaste puisqu’ils sont utilisés pour des applications

diverses telles que l’aménagement urbain (passages pour piétons, couloirs d’autobus,

trottoirs, etc.) ou encore dans des zones soumises à de lourdes charges (zones portuaires ou

aéroportuaires). Le grand choix de forme, de texture et de couleur de ce type de revêtement

permet de structurer les espaces urbains de manière esthétique. De plus, leur performance

structurale dans des zones très sollicitées mécaniquement ainsi que leur durabilité offrent

aux ingénieurs de multiples possibilités techniques. Ce type de revêtement reste encore peu

utilisé au Québec, notamment dû au fait qu’il n’existe pas actuellement de méthode de

dimensionnement pour ce type de chaussée. Outre les caractéristiques esthétiques, ce type

de revêtement combine plusieurs avantages en contexte nordique comparativement aux

enrobés bitumineux, tels qu’une remise en service de la chaussée plus rapide ou encore une

période de construction plus longue dans l’année puisque ce matériau peut être mis en place

sans difficulté et ce à de basses températures.

2

Il apparaît donc important d’étudier ce type de structures de chaussées afin de déterminer

une méthode de dimensionnement adaptée en contexte nordique.

Le projet de recherche réalisé en partenariat avec les entreprises Transpavé, Permacon,

Techni-Seal et Bauval/Techmix ainsi que le soutien d’Holcim, Transport Québec, Bitume

Québec et les villes de Québec et de Montréal. Lors d’une étude préliminaire (Pierre et coll.

(2006)), 18 sites répartis sur les villes de Montréal, Québec et Longueuil ont été étudiés

afin de déterminer les principaux paramètres à prendre en compte pour permettre un

dimensionnement adéquat de ce type de chaussées en contexte municipal et nordique. Les

résultats obtenus ont montré que la principale détérioration de ce type de revêtement est

l’orniérage. Cette étude préliminaire a par ailleurs permis de montrer l’importance de

l’épaisseur du lit de pose, du type de pavés et de la nature du matériau utilisé comme lit de

pose et empli-joint sur la performance à l’orniérage de ce type de structure. Basé sur ces

premières constatations, le projet de recherche consiste en la détermination de critères

simples et généralisables de dimensionnement de chaussées revêtues de pavés de béton,

accessibles aux industriels et aux municipalités, afin d’allier durabilité et esthétisme de la

chaussée.

1.2 Problématique

De nombreuses études ont été réalisées sur les chaussées revêtues de pavés de béton afin de

déterminer des critères performants de conception pour ce type de structure (Dutruel et

Dardare (1987) ; Shackel (1990) ; Knapton (1994) ; Festa et coll. (1996) ; Ishai et coll.

(2003)). En s’appuyant sur ces données, il convient de se demander comment il est possible

d’adapter les connaissances acquises en zone tempérée au contexte nordique. De plus, en

contexte nordique, de nombreuses recherches ont porté sur le fonctionnement et le

dimensionnement des chaussées sous l’effet du climat. Il apparaît donc important de

pourvoir intégrer certaines de ces données relatives au dimensionnement à celui des

chaussées revêtues de pavés de béton.

De manière générale, les chaussées revêtues de pavés de béton se comportent comme des

chaussées souples. En ce qui concerne les chaussées souples, les méthodes classiques de

3

dimensionnement visent à limiter la déformation horizontale à la base du revêtement et la

déformation verticale au sommet du sol d’infrastructure. Cependant, dans le cas des

chaussées revêtues de pavés de béton, la traction à la base du revêtement ne peut pas être un

critère significatif de par la nature même du système "pavés + lit de pose" qui ne peut être

sensible au phénomène de fatigue comme l’est un enrobé bitumineux. De ce fait, il

convient d’identifier les paramètres influençant le comportement de ce type de chaussée,

afin de proposer un cadre d’étude adéquat.

Finalement, le système "pavés + lit de pose" forme un système discontinu qui ne permet pas

d’utiliser directement les méthodes traditionnelles de dimensionnement pour les chaussées

souples. En effet, pour ces méthodes une des hypothèses est que les couches sont

considérées homogènes et isotropes. De plus, les modules sont en général obligatoirement

décroissant de la couche supérieure vers la couche inférieure. Or la présence du matériau du

lit de pose de faible module entre les pavés et la fondation rend impossible l’utilisation des

méthodes classiques de dimensionnement. De ce fait, il apparaît indispensable de pouvoir

transformer le système "pavés + lit de pose" en une couche unique dont les caractéristiques

permettent de reproduire adéquatement le comportement de ce système.

1.3 Objectifs de la recherche

Le projet consiste à proposer une méthodologie pour la conception de chaussée revêtue de

pavés de béton, globale et généralisable en milieu municipal et nordique. Afin de

contourner le problème de la discontinuité pour ce type de revêtement, il convient de

déterminer les caractéristiques d’une couche continue qui permet de remplacer ce système

de "pavés + lit de pose" par une couche homogène et isotrope. Il est souhaitable de vérifier

que du point de la performance, l’utilisation de ce type de revêtement est adéquate. Ainsi,

en vue d’atteindre l’objectif global, soit le développement d’une méthodologie de

dimensionnement pour les chaussées revêtues de pavés de béton, les objectifs spécifiques

présentés ci-dessous ont été suivis :

Faire le bilan de l’état des connaissances au sujet des chaussées revêtues de pavés

de béton et déterminer les critères de conception les plus importants à prendre en

compte dans le cadre d’un dimensionnement en contexte municipal et nordique ;

4

À l’aide d’essais de déflectomètre à masse tombante en condition réelle

d’exploitation :

o Vérifier que le comportement des chaussées revêtues de pavés de béton

s’apparente à celui des chaussées souples ;

o Étudier les différences de comportement pour deux structures équivalentes

de chaussées soumises à un même trafic, mais pour un revêtement de pavés

de béton et un autre d’enrobé bitumineux ;

À l’aide de simulations numériques :

o Reproduire le comportement de chaussées revêtues de pavés de béton

soumises à un chargement de déflectomètre à masse tombante ;

o Pour chaque structure étudiée, déterminer les paramètres d’une couche

continue de revêtement permettant de reproduire le comportement d’une

chaussée revêtue de pavés de béton ;

Valider l’utilisation de la couche continue pour le dimensionnement d’une chaussée

et proposer une méthodologie de dimensionnement pour les chaussées revêtues de

pavés de béton.

1.4 Organisation de la thèse

Outre le présent chapitre qui expose la problématique et les objectifs du projet dans sa

globalité, cette thèse est structurée en quatre chapitres principaux.

Ainsi, le second chapitre consiste en la synthétisation des résultats des recherches publiées

dans la littérature en ce qui concerne les chaussées revêtues de pavés de béton. L’étude

porte sur plusieurs axes dont le premier concerne les avantages et limitations quant à

l’utilisation de ce type de revêtement en terme de performance vis-à-vis du trafic, du climat

ou encore du coût. De plus, les différents éléments constitutifs de ce type de chaussées sont

étudiés pour comprendre comment ils interviennent dans le comportement structural de la

chaussée. Enfin, les méthodes de dimensionnement relatives à ce type de chaussées

utilisées pour différents environnements sont répertoriées.

5

Le troisième chapitre présente quant à lui les essais de déflectomètre à masse tombante

effectués en conditions réelles d’exploitation à la ville de Québec. Les essais ont été

réalisés pour des structures de chaussées équivalentes et des trafics équivalents mais avec

pour revêtement soit des pavés de béton reposant sur un lit de pose, soit de l’enrobé

bitumineux. Il convient de préciser que les structures de chaussées choisies pour l’étude

correspondent aux structures traditionnellement utilisées à la ville de Québec. Ces essais

permettent dans un premier temps de vérifier que les chaussées revêtues de pavés de béton

ont un comportement de chaussées souples. De plus, l’étude permet de déterminer les

différences de comportement entre ces deux types de revêtement.

Le quatrième chapitre est consacré à la détermination des paramètres de la couche continue

uniforme permettant de représenter le comportement d’un revêtement de pavés de béton. La

détermination de ces paramètres a été réalisée à l’aide de simulations numériques de

structures de chaussées en 3D, soumises à un chargement de déflectomètre à masse

tombante. Afin de limiter les temps de calcul, une étude préliminaire a été réalisée dans le

but de déterminer les dimensions du modèle, le maillage, les conditions aux limites, ainsi

que le type d’éléments à utiliser. Une fois le modèle adéquatement dimensionné et

discrétisé, des structures ont été simulées avec des revêtements discontinus revêtus de

pavés de béton. La réponse de la chaussée qui a été utilisée à titre de comparaison est la

déflexion relevée suite au chargement de déflectomètre à masse tombante. Par la suite, ces

mêmes structures ont été utilisées, mais cette fois avec un revêtement continu, afin de

déterminer les paramètres de cette couche qui permettent d’obtenir une déflexion similaire.

Le cinquième chapitre de cette thèse présente dans un premier temps une validation de

l’utilisation de la couche continue à la place du revêtement de pavés de béton, pour un

dimensionnement réalisé à l’aide du logiciel CHAUSSÉE 2 (2006) du Ministère des

Transport du Québec. Les structures de chaussées choisies dans ce cadre correspondent à

des structures existantes à la ville de Québec dont les données de DJMA (Débit Journalier

Moyen Annuel) sont accessibles. Étant donné que l’orniérage est la principale dégradation

des chaussées revêtues de pavés de béton, une étude de l’accumulation de la déformation

permanente dans la chaussée est présentée. Afin de proposer une méthodologie de

dimensionnement, des données issues d'essais expérimentaux en laboratoire réalisés lors de

6

projets de recherche antérieurs ont été utilisées. Les données sont incomplètes, mais

l'objectif est de proposer une méthodologie permettant de prendre en compte le contexte

climatique.

Finalement, le sixième chapitre contient les sections de discussion et de conclusion. En ce

qui concerne la discussion, celle-ci est structurée de manière à suivre le déroulement de la

thèse. Elle permet de revenir sur les points importants qui se sont dégagés des différentes

études et de proposer des solutions pour les difficultés apparues au cours de la thèse. De

plus, cette section expose différentes idées pouvant permettre d’approfondir des points

importants à prendre en compte pour une recherche future. La conclusion quant à elle

présente succinctement les différentes étapes qui ont composé cette thèse.

CHAPITRE 2

REVUE DE LITTÉRATURE

2.1 Introduction

Les revêtements de pavés de béton sont des pavages constitués de pavés de béton séparés

par des joints, reposant sur un lit de pose constitué de sable ou de sable stabilisé. La

Figure 2.1 présente un schéma des composants d’une chaussée revêtue de pavés de béton.

Figure 2.1 : Dessin typique d’une chaussée revêtue de pavés de béton

8

Le caractère discontinu de ce type de revêtement apporte à la fois des avantages et

inconvénients aux structures de chaussées qui différent de ceux relevés pour les chaussées

revêtues d'enrobé bitumineux.

Ainsi, dans un premier temps, les avantages et limitations quant à l’utilisation des

chaussées revêtues de pavés de béton sont exposés afin de déterminer le domaine

d’application de ce type de chaussées. Les éléments constitutifs de la chaussée (pavés, lit de

pose, joints, blocage de rive, matériaux de fondation et de sous-fondation) sont des

éléments importants vis-à-vis de la performance de la chaussée. Les matériaux doivent être

choisis adéquatement et les épaisseurs de couche doivent être correctement déterminées

afin d’assurer une bonne tenue de la chaussée. Tour à tour, le rôle de chacun de ces

éléments dans la chaussée ainsi que leurs caractéristiques et propriétés sont étudiés. Par la

suite, les différentes méthodes de dimensionnement existantes pour ce type de structure de

chaussées sont présentées ainsi que les moyens de prendre en compte l’effet du climat.

Enfin, la dernière section est consacrée à l’étude par éléments finis de structures de

chaussées. Dans cette section, une analyse des avancées dans le domaine des simulations

numériques des chaussées revêtues de pavés de béton ou concernant les chaussées souples

en générale est présentée. Cette analyse globale permettra alors de comprendre comment

les simulations dans le cadre de cette thèse ont pu être construites.

2.2 Avantages et limitations des revêtements de pavés de béton

2.2.1 Avantages et limitations dans un contexte général

L'utilisation de pavés de béton comme matériau de revêtement permet un aménagement

esthétique des espaces municipaux grâce à la variété de choix de forme et de couleur des

pavés. Les différentes couleurs et textures disponibles permettent de structurer visuellement

l'espace urbain et de mieux en différencier les différentes composantes. Par exemple, il est

possible de rendre plus visibles les traverses piétonnes, l'utilisation de pavés-guides permet

une structuration de l'espace urbain pour les handicapés, etc. En ce qui concerne la sécurité,

les changements d'aspect de la route ainsi que le changement de texture de roulement

ressenti par les automobilistes roulant sur ces revêtements les amènent à ralentir.

9

Le choix d'un type de revêtement pour une chaussée se fait selon plusieurs critères, dont un

des plus importants concerne le coût. L'étude de Beaty (1994) présente un calcul utilisé afin

de comparer le coût à court et long terme d'une chaussée revêtue de pavés de béton et d'une

chaussée revêtue d'enrobé bitumineux. Sa recherche montre alors que du point de vue du

coût initial, les revêtements de pavés de béton sont plus onéreux que les revêtements

bitumineux. Cependant, sur le long terme les faibles coûts de maintenance de ce type de

revêtement induisent un coût global inférieur à celui des revêtements bitumineux. En effet,

dans le cas des revêtements de pavés de béton, le fait que les pavés soient amovibles permet

un accès simplifié aux infrastructures souterraines municipales (Kuijpers (1984)). De plus,

en cas de chaussée endommagée, seule la zone concernée peut être démontée puis

réinstallée. Cependant, l'auteur précise que l'avantage d'un type de revêtement par rapport à

l'autre dépend du coût des matériaux dans le pays considéré. Dans le contexte canadien, une

étude de coût menée par Baker et Burak (2003) sur le site de North Bay en Ontario montre

qu'à terme, ce revêtement est moins onéreux qu'un revêtement bitumineux, pour une même

utilisation.

Un autre critère très important quant au choix d'un revêtement concerne la tenue de route et

donc la sécurité des usagers. Smith (2000) présente une revue de différentes recherches

menées sur le sujet en Amérique du Nord principalement. L'article fait référence à la

texture de la surface du pavé, soient la macrotexture qui correspond à toute déviation de

plus de 0.5 mm de la surface par rapport à une surface plane et la microtexture qui

correspond à toute déviation inférieure à 0.5 mm. Il apparaît alors, qu'en dessous de 40

km/h, la macrotexture de la surface assure une bonne résistance au dérapage. Les

chanfreins des pavés assurent cette bonne résistance et permettent par temps de pluie une

meilleure répartition de l'eau. Une étude japonaise présenté par Smith (2000) a par ailleurs

montré que par rapport à l'enrobé bitumineux, un revêtement de pavés de béton diminue la

distance de freinage de 5 m à l'état mouillé pour un camion roulant à 60 km/h. Au-dessus

de 40 km/h, c'est la microtexture, assurée par la présence des granulats, qui contrôle la

résistance au dérapage. Un article de la FEBE (2003) présente les résultats d'une étude

réalisée par l'École de maîtrise du volant qui indique que la distance de freinage sur un

revêtement de pavés de béton est réduite de 2 m par rapport à un revêtement conventionnel.

De même, l'article stipule que pour une structure de chaussée revêtue de pavés de béton

10

correctement dimensionnée et mise en place, les accumulations d'eau sur la chaussée sont

réduites, diminuant ainsi le risque d'aquaplanage.

Du point de vue environnemental, les pavés de béton offrent plusieurs avantages. En milieu

urbain une des grandes problématiques concerne l'entraînement de polluants de toute sorte

par les eaux de ruissellement provenant de la pluie ou de la fonte de neige. Selon Burak

(2004), l'utilisation de pavés de béton écologiques en zone urbaine peut être une solution à

ce problème puisque le béton agit comme filtre, emprisonnant alors les polluants. Toujours

selon l'auteur, trois catégories de pavés perméables existent : avec une forme autobloquante

qui laisse un espace entre les pavés, avec des joint perméables élargis ou enfin des pavés

réalisés avec du béton poreux. Cette dernière catégorie n'est généralement pas

recommandée au Canada car ces pavés ne répondent pas à la norme CSA-231.2-06 (2006)

en termes de résistance et de durabilité.

Lorsque les pavés de béton sont utilisés en zone urbaine pour des passages piétons par

exemple, un des problèmes majeur concerne la discontinuité entre le revêtement de pavés et

le revêtement bitumineux. Si les raccords entre les deux types de revêtements ne sont pas

correctement réalisés, les pavés risquent de basculer, comme le présente de manière

schématique la Figure 2.2.

Figure 2.2 : Importance des raccords entre les revêtements de pavés de béton et

les revêtements d'enrobé bitumineux (adaptée de FEBE (2005))

Selon Beaty (1998), l'appareillage en chevron (cf. Figure 2.3) serait la meilleure solution

pour pallier à ce problème. De plus, l'enrobé doit être coupé proprement verticalement afin

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d'assurer un bon maintien des pavés. Le compactage utilisé doit être identique au reste de la

structure afin d'assurer une homogénéité du système. Il convient d'ajouter qu'un mauvais

dimensionnement ou une mauvaise mise en place peut créer des désordres importants de la

structure de chaussée.

2.2.2 Avantages et limitations dans un contexte nordique

Lorsqu'on regarde la documentation concernant l'utilisation de pavés de béton en contexte

nordique, il apparaît que la majeure partie des travaux (Europe du Nord) concerne l'usure

des pavés due à l'utilisation de pneus à crampons dont l'utilisation est quasi-inexistante en

Amérique du Nord (Sato et coll. (1988), Gudbjartsson et Iversen (2003), Huurman et coll.

(2003)). Seuls quelques travaux traitent de l'état des connaissances des revêtements de

pavés de béton en contexte nordique.

En Amérique du Nord il existe non seulement un grand écart de température entre la

période hivernale et la période estivale, mais la période de gel-dégel des structures à la fin

de l'hiver et au printemps pose également un problème majeur.

En ce qui concerne la présence de neige, Muraleedharan et Nanda (1996) ont étudié le

comportement d'une route tibétaine pavée et non déneigée durant l'hiver. Après la fonte de

la neige, ils ont constaté des tassements non uniformes de la chaussée, dus probablement au

tassement du revêtement pavé sous l'effet de la neige. Il apparaît alors que pour des zones

ne subissant pas de déneigement durant l'hiver, le poids de la neige doit impérativement

être pris en compte lors du dimensionnement. Comme le propose l'Interlocking Concrete

Pavement Institute (1998), des dispositifs chauffants (électriques ou liquides), installés sous

le revêtement peuvent être utilisés afin d'assurer la fonte de la neige accumulée sur la

surface du revêtement. De ce fait, non seulement la zone devient plus sécuritaire, mais

l'utilisation de sels de déglaçage n'est plus nécessaire. Cependant, il convient de préciser

que cette pratique est onéreuse. L'étude d'Inuzuka et Nagata (2000) présente quant à elle un

système de déglaçage automatique des revêtements de pavés de béton. Le revêtement est

composé de pavés de béton qui reposent sur une base de caoutchouc (rainurée), elle-même

reposant sur une couche d'asphalte servant d'adhésif. Les joints et la base de caoutchouc

sont reliés à un réservoir de liquide de déglaçage. Le passage des véhicules permet

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d'entraîner le liquide de déglaçage aux endroits non pourvus du système. Dans le cadre de

ces essais, l'étude porte sur les véhicules légers. Ainsi, plus le trafic est important et plus le

liquide est entraîné. Par contre, les auteurs ne précisent pas les coûts engendrés pour un tel

équipement.

Du point de vue environnemental, l'utilisation de pavés écologiques en Amérique du Nord

est possible selon Burak (2004). Cependant, l'auteur précise que le type de pavé à utiliser

doit être choisi conformément aux exigences climatiques et environnementales. Pour Beaty

(2000), en zone de pergélisol, l'usage de pavés blancs pourrait être une solution de

construction, étant donné l'obligation de respecter l'équilibre thermique dans ces régions.

Contrairement à la méthode de la peinture de l'enrobé bitumineux, cette technique ne

nécessiterait pas de maintenances importantes, impliquant alors des coûts à long terme

moins élevés.

Enfin, un des avantages non négligeable de l'utilisation des pavés de béton en région

nordique concerne les réfections de chaussée durant l'hiver. Traditionnellement, les

réfections hivernales se font en deux temps. En premier lieu, la réfection se fait à l'aide d'un

enrobé à froid. Lorsque le printemps arrive, la pièce est retirée et un enrobé à chaud est

installé à la place. Dans son article, Burak (2003) présente une réfection de chaussée

réalisée en Ontario. La méthode a consisté en l'utilisation conjointe d'un matériau de

remplissage qui ne fait pas de retrait (remblai antiretrait ou remblai concentré) et des pavés

de béton. Plusieurs avantages ont alors été observés : la réfection ne nécessite qu'une seule

étape, la chaussée ne présente pas de problèmes de retrait, ni d'orniérage et ne nécessite pas

de maintenance. De plus, il s'avère que la méthode utilisant les pavés de béton est moins

onéreuse.

2.2.3 Importance du dimensionnement et de la mise en place

Pour que les chaussées revêtues de pavés de béton aient une bonne tenue structurale à long

terme, il est important que la chaussée soit correctement dimensionnée et que la mise en

place soit convenablement réalisée. En effet, en ce qui concerne ces deux aspects, Beaty

(1998) présente le cas d'une entrée de stationnement située dans une ville canadienne,

présentant beaucoup d'orniérage et de déplacements de pavés, dus à la fois à un mauvais

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dimensionnement et une mauvaise mise en place. Une étude de Hata et coll. (2003)

présente l'exemple d'un terminal de bus au Japon dont le revêtement est en pavés de béton,

10 ans après la mise en service. Les conditions de trafic sont très sévères puisqu'il y a de

fréquents arrêts, des freinages, des mouvements et des virages de la part des bus. Les forces

de cisaillement ainsi créées ont impliqué un déplacement des pavés. Des analyses ont par

ailleurs montré que dans le cas du sable du lit de pose, la taille maximum des particules, le

pourcentage de fines et la résistance à l’abrasion ne correspondaient pas à ce qui était

préconisé par le manuel de construction. Ce mauvais comportement du sable du lit de pose,

ajouté aux forts cisaillements subis par le revêtement ont conduit à une inégalité de la

hauteur du lit de pose entraînant alors une irrégularité de la couche pavée. Yasuhisa et coll.

(2006) présentent quant à eux une structure de chaussée mise en service depuis 6 ans et

demi et dont les pavés se sont déplacés sous l'effet du trafic, l'autoblocage ne se faisant

alors plus correctement. L'étude porte sur 4 sections de pavés dont l'appareillage est soit en

lignes parallèles discontinues, soit en chevrons et pour chacun, une des sections est

indemne et l'autre endommagée. Par rapport au trafic enregistré, l'appareillage en lignes

parallèles discontinues n'est pas approprié. Cependant, la qualité du lit de pose est la

principale cause du déplacement des pavés. En effet, la résistance à l’abrasion s'est avérée

insuffisante, impliquant alors un tassement du sable. À la suite de ce phénomène, les pavés

ont glissé, ce qui a permis à l'eau de pénétrer plus facilement la structure, engendrant ainsi

une augmentation du tassement et ainsi de suite.

Pour ce qui est du contexte québécois, une étude a été menée par Pierre et coll. (2006) sur

l'utilisation des pavés comme matériau de revêtement au Québec sur 18 sites répartis entre

les villes de Québec, Montréal et Longueuil. L'auscultation de ces sites a montré que

l'orniérage était la principale dégradation observée. D'après le devis technique de la Ville de

Montréal (2002), l'épaisseur du lit de pose doit être au minimum de 15 mm et ne doit en

aucun cas dépasser 25 mm. Cependant, les relevés d'épaisseurs du lit de pose ont montré

dans les cas extrêmes une quasi-inexistence du lit de pose ou au contraire des lit de pose au-

delà de 90 mm. Sur les 6 sites à l'étude à la ville de Montréal, la valeur moyenne relevée

pour la hauteur du lit de pose était de 41 mm avec un écart type de 33 mm. Même si les

sites à l'étude ont été entre autre choisis pour leurs mauvaises performances, ces relevés

montrent clairement un problème de mise en œuvre dans le cas de ces revêtements.

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À l'opposé de ces exemples, l'étude de Baker et Burak (2003) présentent l'état de

revêtements de pavés de béton à North Bay en Ontario au Canada, installés en 1983 et

revus en 2003. La structure a été dimensionnée pour une durée de vie de 20 ans, avec un

trafic de 8000 véhicules/jour comportant 5% de camions et de bus. De plus, ces pavages

sont soumis à un climat rigoureux puisque les températures passent de -40°C en hiver à

35°C en été. La chaussée étudiée reçoit 990 mm de précipitation chaque année et environ

170 tonnes de sel ou de sable de déglaçage. Étant donné que le dimensionnement et la mise

en place ont été correctement réalisés, la chaussée ne présente pas de dommages

importants. Il apparaît donc qu'un bon dimensionnement et une bonne mise en œuvre sont

deux conditions nécessaires à la bonne tenue de la chaussée sur le long terme.

2.3 Les éléments constitutifs d’une chaussée revêtue de pavés de béton

2.3.1

Documents

PROPOSITION D’UNE MÉTHODE DE CONCEPTION DES ......traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples ne sont pas adaptées aux chaussées revêtues de pavés de béton puisque