LE PROJET ROUTIER
JamelNEJI Ingénieur ETP - Docteur Eep Enseignant à l'Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis
[email protected] ·
Centre dé Pu6fication 'Universitaire 2005
Tous droits de reproduction, de traàuction et d'adaptation réservés pour tous pays. © Centre de Publication Universitaire, Tunis, 2005. B. P: 255 TuNIS-CEDEX 1080 - TUNISIE Tél: (216) 71874426 Fax: (216) 71871677
PREFACE Au vu de l'approche moderne à la conception des infrastructures, le projet routier est perçu aujourd'hui plutôt comme l'agencement d'un nombre de composantes de construction, variées ou répétitives. Si chacune de ces composantes doit satisfaire aux exigences élémentaires de sécurité et de confort, il n'en est pas moins pour le fait même de leur composition en un projet routier unitaire et cohérent. Outre ces impératifs élémentaires de sécurité et de confort, le projet routier moderne doit répondre convenablement à la demande et à la fluctuation de trafic, tout en assurant un meilleur rapport durée de vie/coût. L'art de l'ingénieur se manifeste dans l'appréciation judicieuse des caractéristiques à attribuer à chacune des composantes constitutives du projet de manière à satisfaire les exigences sus-citées ainsi qu'une intégration harmonieuse de celui-ci dans le contexte socioéconomique dans lequel il s'installe. Ainsi, dans la matière présentée dans cet ouvrage, on peut distinguer deux axes majeurs. Le premier met essentiellement en relief les relations entre le comportement des usagers, la dynamique des véhicules, et les éléments géométriques et constructifs du tracé routier. Le second axe traite du comportement mécanique des structures de chaussées et des sols ainsi que les problèmes constructifs en relation avec ces structures et le milieu qui les héberge. D'autre part, en abordant les thèmes relevant de domaines comme la géotechnique, la rhéologie des matériaux, la topographie ou les procédés généraux de .construction, qui sont en rapport étroit avec la cons.truction routière, l'auteur a ainsi étoffé la matière de son ouvrage tout en conciliant le souci d'exhaustivité et la pertinence du contenu. Malgré le choix délibéré de concision, le texte arrive à couvrir largement le prograrurne d'enseignement de Routes dispensé dans les grandes écoles d'ingénieurs. Le lecteur remarquera certes quelques imperfections de forme dans cette première édition, dont certaines sont signalées dans l'erratum, et d'autres éventuellement omises ou relevant de la qualité des illustrations, etc .. , qui seront certainement évitées dans une future édition. Le présent ouvrage, fruit de la longue expérience de l'auteur dans l'enseignement et de son ouverture sur la pratique de la technique routière, est imbibé de cette pratique tout en soulignant les éléments opportuns de théorie quand cela est jugé utile. Il est ainsi conçu comme un excellent document d'aide et d'assistance au futur et au jeune ingénieur d'étude ou de chantier, impliqué dans le projet routier. De même, l' ingénieur expérimenté peut y trouver un valeureux aide-mémoire.
Foued KANOUN et Hichem SMAOUI
Sommaire
Le Projet Routier
SOMMAIRE Chapitre 1 : Introduction générale et exigence pour un projet routier 1. 1 Introduction générale : 1. 2 Exigences pour un proj et routier: 1.2.1 Aspect économique: investissements, rentabilité: 1.2.2 La sécurité routière : 1.2.3 Impact sur l'environnement : I.3 Choix d' imp lantation d ' une infrastructure routière: Chapitre II : Le réseau routier tunisien Introduction 11.1 Le parc automobi le tunisien: 11.2 Le réseau routier tuni sien: 11.3 Evol ution de la circulation sur le réseau routier tuni sien : Chapitre III : Etude de la circulation routière 1ntroduction 11 1 . 1 Analyse de la situation actuelle: méthodes d' étude: III 1.1 Stati stiques générales: III 1. 2 C omptages sur route: III lJ Enquêtes de c i rculation : III 1.4 Mesures de vitesse et de poids: ll 1.2 Lois d' étude de la circulation: 111.2. 1 La génération : Détermination du nombre de déplacements: 111. 2. 2 La distribution: Ventilation des déplacements dans l'espace : 111 .2.3 La répartition entre modes de transports : 111. 2.4 L' affectation s ur les itinéraires: [ 1I1. 2.5 C irc ulation sur les voies : llU Prévision et Projection d u trafic : 111 3. 1 Méthode analytique: III 3.2 Méthode numérique utili sant le modèle EMME/2 : C hap itre IV : Les tracés et les normes géométriques Introduction : IV.I La vitesse: paramètre déterminant du tracé : IV. I. I Vitesse de référence Vr: IV. 1.2 Classification des itinéraires en fonction de Vr: IV.I.3 Vitesse à vide, vitesse d'approche et vitesse de groupe: IV.2 L'entité "ROUTE-VEH ICULE-CONDUCTEUR" IV.2. 1 Le So us-Ensemble "Route-Véhicule" : IV.2.2 Le So us-Ensemble "Conducte ur- Véhicule" : IV.2.3 Le Sous-Ensemble "Conducteur-Route" : IV.3 Les éléments d ' un projet routier : . IV.3.1 Le tracé en plan IV.3 .2 Le profil en long IV.3.3 Le profil en travers IV.3.4 Les carrefours:
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Sommaire
Le Proj et Routier
Chapitre V: Le drainage routier Introduction: V.I Etude hydrologique: V 1.1 Climatologie et période de retour : V. 1.2 Méthodes de calcul s des débits: V.2 Etude hydraulique : V.2. 1 Les ouvrages de drainage longitudinaux : V2 .2 Les ouvrages de franchi ssement : V.3 Le drainage souterrain : V.3 . 1 Principe et généralités: V.3 .2 Géotextiles et drainage souterrain : VA Pathologi e du drainage routier : V.4.1 Causes du mauvais fonctionnement d'un réseau de drainage : VA.2 Cas fréquents de problèmes affectant les ouvrages:
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Chapitre VI : Géotechnique routière 85 Introduction 85 \TI.l Classifi cation des sols: 85 VI.I . I Généralités et définitions: 86 VI. I.2 Classification LPC : VI.I .3 La classification du '''G uide des Terrassements Routiers" (GTR): 86 VI.2 Essais d ' identification des sols: 89 89 V1. 2. 1 Analyse granulométrique : 90 V1.2.2 Limites d 'Atterberg : V1.2 .3 L'Essa i d' Equivalent de sable (ES) : 91 92 VI.2A L'essai au bleu de méthylène: 92 V1. 2. 5 Détennination des poids volumiques: 93 VI.2 .6 Essais chimiques: v 1.3 Essais mécaniques traditionnels: 94 94 v1.3. 1 Les essais Proctor (Modifié et Normal) : V1.3.2 L' essa i CBR (Californian Bearing Ratio) : 95 VI.3.3 Confection des éproùvettes pour essais de laboratoire: 97 VI.3.4 Essai tri axial de révolution: 98 99 V1.3.5 Essai de compression simple (Rc) : V1.3.6 L'essai de ci sa illement rectiligne direct (à la boîte) : 99 Chapitre VII : Les terrassements routiers Introduction VII.I Sélectionner les déblai s ou optimiser les mouvements des terres? VII.2 Les engins de terrassement : vI1.2 . 1 Prise en compte des difficultés d'extracti on: VI1.2 .2 Le bouteur (ou bulldozer): vI1.2.3 Les pelles: VII.2A Les chargeurs : VI1.2 .5 - Les camions et tombereaux (Dumpers): VI1.2.6 La décapeuse (ou scraper): VI1.2.7 La niveleuse (ou Motorgrader ou grader) : VlI.2 .8 Les engins de compactage: VI1.3 Les travaux de terrassement : V11.3 . 1 Exécution des déblais : 2
102 102 104 104 104 105 106 107 107 108 109 112 112
Le Proj et Routier
Sommaire
Vll.3.2 Les transports: VI!.3.3 Exécution des remblais : VII.4 Contrôles de compactage: VIl.4.1 Le contrôle local: VII.4.2 Le contrôle global: VI!.4.3 Les contrôles de partance: VI!.5 Les Quarante maximes des terrassements routiers:
Chapitre VIII: Les structures de chaussées Introduction VII!. 1 Structure de chaussée type : VII!. 1. 1 Généralités et définitions: VIIl.I.2 Les différentes couches d ' une chaussée: VII!.2 Différentes familles de structures de chaussée: VII!.2.1 Les chaussées souples: VII!.2 .2 Les chaussées semi-rigides : VIII.2.3 Les chaussées rigides: VlI!.2.4 Les chaussées mixtes: VIII.2 .5 Les chaussées à structure inverse: VIll.2 .6 Les chaussées à structure bitumineuse: VII1.3 Les géotexti les dans les chaussées: VlIl.3.1 Le rôle de Séparation: VII1.3 .2 Le rôle de Renforcement: VIII .3.3 Le rôle d' armature du revêtement: VII1.3.4 Conclusion : Chapitre IX : Les matériaux routiers Introduction IX 1 Matériaux utilisés dans les corps de chaus'sées : IX l. 1 Graves non traitées : IX.I.2 Graves et sables traités aux liants hydrauliques : IX 1.3 Graves et sables tmités aux liants hydrocarbonés : IX2 Matériaux utilisés dans les couches de roulement: IX2.1 Enrobés bitumineux à chaud: IX2.2 Enduits superficiels: IX2.3 Chaussées en béton: IX.3 Les enrobés bitumineux à chaud: IX.3.1 Généralités et définitions: IX.3.2 Historique des enrobés en Tunisie: IX3.3 Formulation des enrobés bitumineux : IX3.4 Comportement mécanique des enrobés bitumineux: Chapitre X: Dimensionnement des structures de chaussées Introduction: X.1 Les approches: XI.l L' approche empirique: Xl.2 L'approche rationnelle: X1.3 Particularités de la démarche: X2 Les modèles de la mécanique des chaussées: X2.1. Le modèle monocouche de Boussinesq ( 1885 ) : 3
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124 124 124 125 129 130 130 130 131 131 131 132 132 133
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Sommaire
Le Projet Routier
X2.2. Les modèles bicouches : X2.3 Le modèle multic0uche de Bunnister ( 1943) : X3 Les matériaux , le sol et le Trafic: X3.1 Généralités sur la fatigue des matériaux: X.3.2 Le trafic et les structures de chaussées: X.3 .3 Le calage des résultats: XA L'approche pratique tunisienne (cas du catalogue 1984): X5 Optimisation du dimensionnement des structures de chaussées: X5.1 Position du problème: X5.2 Modélisation du problème: X5.3 Présentation du programme développé: X5A Conclusion: Chapitre XI : Pathologie et entretien Introduction Xl.l Dégradation des chaussées: XI.l.l Présentation: Xl.l .2 Causes de dégradation : XI.2 Les différents types d' entretien: Xl.2 .1 L'entretien préventif (ou courant) : Xl.2 .2 L'entretien curatif (périodique) : XI.2.3 L'entretien d'urgence: Xl.2.4 La réhabilitation : Xl.3 Classification des opérations d 'entretien: XI.3.1 L'entretien des ouvrages de drainage et de la signalisation: Xl.3.2 L'entretien des routes non revêtues : XI.3.3 L'entretien des routes revêtues:
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Chapitre 1 : Introduction géné rale et exigences pour un projet routier
1.1 Introduction générale: La route a pour but de pennettre la circulation en toute saison, dans des conditions suffisantes et aussi durables que possible de confort et de sécurité. Elle constitue une des traces les plus significatives que laissent les Sociétés. Elle participe, de nos jours comme autrefois, à la qualité de l'environnement et du cadre de vie. Elle joue un rôle important dans le secteur des transports et communications dont elle fait partie de ses équipements collectifs appelés infrastructures. La route occupe une place de choix dans l'économie d'un pays essentiellement en raison des investissements que nécessite sa construction. Son évolution s'est faite en relation étroite avec celle du véhicule et ceci, compte tenu de la progression de l'économie et de la société. La projet routier moderne apparaît comme un assemblage d'éléments de constructions répétitifs, agencés de telle sorte qu'elle réponde aux impératifs de confort et de sécurité cités. Cet assemblage dépend plus particulièrement du trafic et de ses variations, de l'importance des besoins d'échange à satisfaire et notamment de la longévité espérée de l'ouvrage à construire.
L'Art de l'Ingénieur consiste à apprécier judicieusement les caractéristiques de chacun des éléments à agencer pour satisfaire les exigences déjà mentionnées ainsi qu'une hannonieuse intégration dans le contexte urbanistique, architectural ou ru,al et économique dans lequel s'installe l'ouvrage. L'étude d'un projet routier est donc un préalable indispensable. D'autre part, il existe dans chaque pays des nonnes et des textes administratifs qui veulent codifier les règles principales et, dans une certaine mesure, préciser les démarches et contrôles indispensables pour une confonnité de l'ouvrage routier aux règles de l'art. Ces nonnes sont souvent basées sur des hypothèses simplificatrices générales, pas toujours applicables aux cas limites. Une application se~ile des directives et recommandations contenues dans ces nonnes ne garantie donc pas un projet routier optimal. En effet, la qualité d'un projet dépendra toujours en première ligne de la compétence et de l'expérience de l'ingénieur. Celui-ci doit être en mesure de prendre les dérogations nécessaires et de les justifier en se basant sur des connaissances approfondies des principes fondamentaux qui eux mêmes sont à l'origine des nonnes. Aussi, faut il rappeler que des projets « en général» qui, hier encore, paraissaient totalement délirants et utopiques et des exploits technologiques impensables il y a quelques années sont aujourd'hui réali sés et en arrivent parfois à paraître communs, du fait de leur profusion. Mais les réalisateurs de ces exploits, panni lesquels les ingénieurs et les chercheurs figurent en bonne place, deviennent, à cause de ce succès, de plus en plus sollicités et se trouvent obligés d'accomplir des projets de plus en plus complexes et de plus en plus grandioses, sans avoir le droit à la plus petite erreur, car les critères de fiabilité et de sécurité sont de plus en plus sévères. Parallèlement, le rapport qualité 1 prix est également devenu une composante fondamentale de l' état actuel des choses. On exige des réalisations de plus en plus étonnantes et dont la qualité soit irréprochable, mais aussi au prix le plus bas possible. De ce fait, les ingénieurs
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Chapitre 1 : 1ntroduction générale et exigences pour un proj et routier
sont constammcnt confrontés au fait de devoir concilier des paramètres qui sont à priori peu conciliables : la perfec ti on technologique au prix dérisoire ou presque. La conception et la construction des routes fait aujourd' hui partie de ces domaines dont l'optimisation du ra pport qualité / prix est l' un des paramètres les plus importants. En effet, voici un ouvrage qui porte la responsabilité des vies des personnes qui l'utilisent, mais qu'on trouve parfois cher à construire (de fait , les routes comptent parmi les ouvrages les plus coûteux en Géni e Civil , puisque 1 km de route revient à un prix oscillant entre 1 et:2 MD). Mais c' est aussi un domaine qui ouvre encore des perspectives de recherche très vastes, car il est très vaste et par conséquent peu connu. Beaucoup de choses restent à faire tant du côté mécanique des chaussées que du point de vue optimisation des structures. Dans cet esprit, le cours présenté dans ce manuel tente de mettre en évidence d'une part les relations entre le comportement des usagers, les lois fondamentales de la dynamique des véhicules, et les éléments géométriques et constructifs du tracé et d'autre part le comportement mécanique des structures de chaussées ainsi que les problèmes constructifs en relation avec ces structures. L'ensemble du cours doit permettre aux futurs ingénieurs de réaliser des projets routiers en prenant en compte les critères essentiels de séc uri té, de confort, d'économie et de protection de l'environnement. Toutefois ce document n'a pas prétention d'être exhaustif. Le lecteur est renvoyé à l'ensemble des textes cités en bibli ographie afin qu'il trouve la meilleure solution technique au problème particulier qui le préoccupe.
1.2 Exigences pour un projet routier: Un projet routier doit satisfaire à plusieurs conditions. Quelques unes de ces conditions sont exigées par tous les usagers (tell e que la sécurité) d'autres restent réclamées par les uns mais oubliées par les autres (rentabilité). Un petit sondage auprès d' une centaine d'usagers a montré que toutes les exigences peuvent être regroupées sous fonne de troi s aspects : l'aspect économique, l'aspect sécurité et l'aspect environnemental. 1.2.1 Aspect économique: investissements, rentabilité: Lorsqu'une société anonyme dési re entreprendre une activité, elle se livre à une sérIe d'opérations préalables avant de fabriquer un produit et de le vendre. Ces opérations sont décrites tableau 1.1. Une société privée ou d'économie mixte qui construit une autoroute, se livre au même processus de pensée. La démarche de l'administration (Etat, comm une, .. .) qui construit une autoroute libre (sans péage) ou une déviation de route est liée étroitement à ce processus. Le parallèle ainsi résultant du tabl eau 1. 1 met en évidence un fondement technicoéconomique commun, auquel on ne peut échapper sans tomber dans l'incohérence. 6
------Société privée
Ollération
Administration '" Circulations potentielles * Caractéristiques géométriques fonction de ces circulations
Etude de la denulIIde
Première phase de l'étude du marché. Pourquoi fabriquer un objet qu'on ne peut pas vendre. Etude de la re"tabilité
• Evasion du trafic (péage)
'" Coût de construction: acquisition des terrains, travaux divers, . • Evaluation des dépenses de fonctionnement (positives et Deuxième phase de l'étude du négatives, le nouveau ouvrage peut entraîner des économies de marché. Etude du coût du produit fonctionnement) * Evaluation des avantages apportés aux usagers par l'ouvrage et du prix que le public peut • Comparaison de ces avantages • Avantages pour la collectivité payer. au péage probable (évasion) * Rentabilité économique pour * Rentabilité financière (intérêts) la nation (actualisation) Construction de l'ouvrage conforme aux lois de la circulation et au Investissemellts volume de la circulation escomptée. Seulement si l'étude de rentabilité est favorable. Construction, acquisition, .. * Payement de certains salaires • Payement des salaires E~ll.loitatio" (Péagistes, surveillants, police de * Mesures pour améliorer l'usage Fond de roulement. Production la circulation, ... ) * Mesures pour améliorer I!usage Veille • Publicité • Impôts • Recettes du Trésor Public • Péages Recettes • Redevances (Restaurants, Garaaes, pompes .. .) Cash flow Le progrès matériel pour les citoyens est évident, d'où une augmentation de la matière imposable (cash flow général) pour (Recettes - dépenses) = bénéfice financer le renouvellement et le développement (7ème opération). + provision pour renouvellement des matériels de production. Mailltenance et déveloflll.emC1Z1 * Entretien des ouvrages et notamment de la chaussée * Grosses réparations et reç.forcements Le cash flow alimente le fond de * Travaux d'élargissement. roulement et permet le renouvellement des instruments de production. Tableau 1.1 : App roche économique d'un projet routier
1. 2.2 La sécurité routière: La sécurité des usagers est un enjeu majeur de la politique routière. Parmi les nombreux facteurs qui permettent d'améliorer la sécurité des usagers, la conception et les caractéristiques des infrastructures jouent un rôle déterminant. Tout projet d'investissement fera donc l'objet d'une évaluation de son incidence sur la sécurité. Signalons que l'objectif sécurité est influent sur tous les chapitres de ce manuel. Il convient de dégager l'avantage de sécurité lié à l'aménagement ou la création d'une infrastructure. Cette évaluation passe par un diagnostic de la situation existante. L'avantage sécurité est en effet déterminé en comparant les niveaux de sécurité avant et après l'aménagement. Il est exprimé en nombre d'accidents, de tués et de blessés graves évités. Notons que les aménagements doivent permettre d'améliorer la sécurité non seulement sur l'axe étudié mais aussi sur l'ensemble du réseau concerné. Il est à remarquer enfin que lors de l'exploitation d'une route, l'objectif sécurité est en étroite relation avec les autres objectifs : confort, fluidité et information continue des usagers. Cette relation peut être contradictoire ou complémentaire selon les cas. 7
Chapitre [ : Int roduction générale et
ex i g e~ces
pour un projet routier
al Outil de base: le fichier accidents: Pour pouvoir mener des actions solides de prévention , un des premiers soucis en matière de sécurité routière doit être l'établissement d'un fichier des accidents. En effet, l'exploitation et l'analyse des données recueillies permettent de déterminer si une section de route ou un point singulier est réellement dangereux. Il faut alors prendre les mesures nécessaires afin de réduire l'éventuel danger. Des programmes informatiques existent pour exploiter les fichiers programmes permettent d'établir:
accidents. Ces
- les bilans globaux de sécurité (annuels et pluriannuels) - le recensement des divers types d'accidents (par exemple accidents contre un arbre) - l'orientation des programmes d'entretien routier pour mieux prendre en compte la sécurité - la nécessité de mettre en place des équipement spéciaux de sécurité (glissières, ... )
bl L'unité de risque: Les comparaIsons en matière d'accidents se fonts sur la base de taux moyen par unité de nsque. Ces taux peuvent être divers: - moyenne - moyenne - moyenne - moyenne
par kilomètre par véhicule par (véhicule x kilomètre) par (véhicule x heure).
Chacune de ces unités peut être utilisée pour résoudre un problème de type différent. La plus utilisée est la moyenne par (véhicule x kilomètre).
cl Causes des accidents et aménagements spéciaux: IL est rare qu'une cause unique soit à l'origine d'un accident. On parle souvent de faisceau de causes. Les analyses statistiq ues révèlent des associations d'accidents de type: accident-pluie, accident-ivresse, ... La recherche d'une cause peut être conduite en essayant d'isoler des sections où toutes les conditions sont semblables sauf celles dont on veut étudier l'effet de la variation sur un nombre d'accidents. Cependant l'effet concours de circonstances reste difficile à éliminer. L'analyse des causes d'accidents se produisant sur des points ou sections dangereux permet de choisir les meilleurs aménagements pour améliorer la sécurité. On distingue: - les aménagements de carrefours - les rectifications de virages - les modifications de la signalisation - la pose de glissières de sécurité - l'amélioration de la surface de roulement (enduit à haute adhérence, ... ) 8
Chapitre 1 : I ntroducti on générale et exigences pour un proj et ro utier
- la mise en place ou l'amélioration de l'éclairage - etc. Chaque aménagement nécessite un fin ancement et les crédits sont généra lement limités. Le choi x repose sur un critère principal qui est le taux de rentabi lité. Signalons que les taux de rentabilité des opérations de sécurité sont très é levés et peuvent dépasser les 100 %. 1. 2.3 Impact sur l'environnement : L'usager ou le riverain de la route est sensible à son environnement (comme tout autre individu). L'approche de cette sensibilité est difficile : les qualités spatiales d'un espace ne se quantifient que partiellement, le vocabulaire spéciali sé de ce domaine de connaissance est peu accessible. Les processus de conception doi vent, notamment en milie u urbain, tenir compte d'un certa ins nombre de principes relatifs a u minéra l, au végétal, à la lumière artificielle, à la cou leur . pour aménager l'espace sans lui nuire. Le recours à un indicateur un iq ue agrégeant l'ensemble des aspects de l'environnement n'est généralement pas possible compte tenu de : - la multiplicité des objectifs qui caractérisent ces questions et dont la satisfaction ne peut d'ailleurs pas toujours être assurée simultanément - la difficulté de quantifier les effets sur l'environnement et encore plus de les traduire en équivalent monétaire. L'importance donnée à tel ou tel aspect de l'envir4nnement est généralement liée à des considérations locales ou régionales. En effet, on ne peut créer des équipements sur des recettes transposables à travers, toutes les régions, toutes les cultures, tous les climats. Il faut à chaque foi s tenir compte des spécifications des populations pour lesquelles on fait un aménagement et on se rer.d a lors compte de la complexité qu'il y a de témoigner avec des mots sur l'express ion sensible d'un paysage et de l'insertion d'un aménagement dans le site. Les critères d'appréciation peuvent concerner: - les ressources naturelles et les écosystèmes: le sol, l'ai r, l'eau, la faune, la flore, - les activités humaines : • l'aménagement urbain, la vic locale et l'améli C\ration des accès aux différents pôles desservies • l'agriculture et l'aménagement rural * la sylviculture et l'aménagement fo resti er - le cadre et la qualité de vie:
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Chapitre 1 : Introduction générale et exigences pour un projet routier
* le bruit et les pollutions * le paysage
* le patrimoine culturel et scientifique 1.3 Choix d'implantation d'une infrastructure routière: Le tracé d' une infrastructure routière ou l'esquisse de l' implantation de son axe nécessitent l'intégration de plusieurs paramètres : historiques, politiques, économiques, juridiques, techniques, sociaux et esthétiques. L'étude n'aboutit pas forcément à une solution unique et plusieurs variantes peuvent être proposées. Le décideur est alors amené à ne retenir qu ' une seule de ces variantes. Il doit ainsi prendre en considération le fait que son choix peut engendrer des consequences irréversibles sur l'avenir de l'infrastructure en question: une infrastructure, qui est le plus souvent très coûteuse, est difficilement modifiable une fois réali sée. En plus, les critères intervenant dans le choix de cette infrastructure n 'ont pas forcément la même dimension ni les mêmes effets vis à vis des conséquences sur l'avenir de cette infrastructure ce qui rend encore plus complexe le choix des décideurs. Dès lors, le recours aux outils d'aide à la décision doit être envisagé . Les méthodes multicritères d 'aide à la décision contiennent une démarche permettant de répondre à la problématique posée. Nous avons entrepris une étude qui s'inscrit dans cette démarche. Nous avons d'abord analysé les différentes méthodes multicritères et nous avons choisi la mieux aJaptée au cas des infrastructures routières. Nous avons retenu la méthode ELECTRE III (Elimination Et Choix Traduisant la Réalité) que nous avons programm~ et un code de calcul est ainsi développé. Ce code, baptisé EMNA Il, est validé en utilisant beaucoup de cas tirés de la bibliographie parmi lesquels des projets d' infrastructures du grand Tunis. Le code ainsi développé permet de fournir un classement de plusieurs variantes d' implantation d' infrastructures routière en fonction d'un certain nombre de critères indépendants et hétérogènes. Fini l'époque où décider se ramenait souvent à optimiser une fonction économique. Le critère économique était alors le majeur sinon l' unique critère de sélection. Les méthodes de calculs et les procédures employées pour l'élaboration de cet outil sont transparentes ce qui constitue un avantage.
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ChapÎtre Il : Le réseau rout ier tun isÎen
Introduction Ce cha pitre, résume les caractéri stiques du parc automobil e Tunisien, décrit le réseau routier national, et donne une idée sur l'évolution de la ci rc ulation sur ce réseau. La Tunisie est un pays dont la surface recouvre 162. 155 km2 du nord de l' Afrique. Elle dénombre environ 9.4 millions ( 1999). La Tuni sie est découpée administrativement en 24 go uvernorats. Ses plus grandes villes sont Tunis (La ca pitale), Sousse, Sfax, Kairouan, Gabès, Bizerte. Dans la fi gure 11.1 , on co nsigne la carte de la Tuni sie muni e de ses pri ncipales villes, des ses ports existants, de so n réseau hydrographique et de so n résea u routier.
U BYA
LEGENDE • Capitale • Villes principales
Ports Réseau hydrographique Réseau roulier
o
1 u
,
100 km 100
~ i ks
Figure 11.1 : Carte de Tuni sie
1.1 Le parc automobile tunisien: .a fi gure 11.2 montre les catégori es, les définitions et les si lhouettes des véhic ul es qui irculent sur le résea u routi er tuni sien. Il
, ,.
Chapitre II : Le réseau routier tunisien
i
l
.., ;
i cycl ettes avec ou sans moteur auxiliaire Tricycles avec ou sans B
C
D
Camionnettes une tonne 500 (Estafettes, Ilacteur sans semi-remorque, ... )
E
Cami ons légers de charge uti! e compris e une tonne 500 et trois tonnes 500 (OM, RE1lault;,1 Iveco, .. . ) lourds sans remorque de supérieure à trois tClllles 500 (BerEet,
"",,,QU, I
Praga, ... )
2
Camions lourds avec remorque ou tracteurs semi-remorque (Tankers des T.P., Trn,nsrlort.sl
pétroliers, .. . ) Transports avec 2 remorques ou raus, Tracteur av~c semicen-,nmnp plus remorque, . ..) ,
Tracteurs agricoles avec ou sans remorque
~Ulll'L'" It'~l'''''"' de
.)
parc Le parc automobile tunisien est passé de 171719 véhicules en 1972 à 537842 en 1987, soit une augmentation de plus 200 % pendant 15 ans. En 1997, il a atteint 853470 véhicules, soit une augmentation de plus de 58 % pendant 10 ans. Le parc automobile tunisien à dépassé le million de véhicules à partir de l' an 2000.
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Chap itre Il : Le réseau routier tunisien
J;'oooooo Ë"
800000 'g; 600000 ID <0 400000 ID -" 200000 E o 0 Z
1 980 2000 1987 An née Figure lI.3: Evolution du parc automobile de 1970 à 2000 1970
1975
Le taux de motorisation, quant à lui, est passé de 31 véhicules par 1000 habitants en 1972, soit un véhicule pour 32 habitants, à 72 véhicules par 1000 habitants en 1987 soit un véhicule pour 14 habitants. En revanche, ce taux est à 91 véhicules par 1000 habitants en 1997 soit un véhicule pour Il habitants Il ressort donc de ces chiffres que l'automobile n'est plus aujourd'hui un luxe réservé à un petit nombre de privilégiés, mais il devient indispensable dans un monde où la communication, sous toutes ses formes, constitue l'un des facteurs clés du développement. La nouvelle politique de l'Etat (Nov 94) se basant sur un projet de voitures destinées aux classes moyennes (voiture populaire/économique) a renforcé la mise en disposition d'un nombre de plus en plus grand de moyens de transport aux citoyens . . 'L'évolution du parc automobile est à comparer étroitement avec l'évolution du réseau routier qui n' était pas aussi importante. Ceci avait des répercussions sur la fluidité et la sécurité de la circulation,
II.2 Le réseau routier tunisien: En 1956, date de l'indépendance tunisienne, le réseau routier totalisait environ 5 700 km bitumés dont 75% avaient une largeur inférieure à 5,5m, Les caractéristiques géométriques des routes étaient en général insuffisantes: largeurs faibles, corps de chaussée mince, zones de mauvaise visibilité, passages hydrauliques insuffisants, etc ...
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Au lendemain de l'indépendance et jusqu'à la fin des années 60, le Gouvernement décidait de doter le pays d'un réseau routier bitumé afin d'assurer des liaisons nonnales entre les régions, en particulier celles du centre et du sud. En conséquence, le réseau routier pitumé a connu une extension importante et passa à 7 600 km en 1970, soit une augmentation de plus de 30% en 14 ans. En 1997, le réseau routier bitumé comptait 12264 km, soit une augmentation de plus de 52,8% en 24 ans. A la même année (1997), l'ensemble du réseau routier tmlisien totalisait 32 332 km dont environ 12 600 km de routes rurales à vocation agricole dont seulement 1460 km étaient bitumées. La densité moyenne était de 0,12 km/km'. Le reste du réseau se décompose comme suit: 12 264 km de routes revêtues, 2 083 km de routes en terre et 5 385 km de routes à l'état de piste. La figure UA résume ces chiffres,
13
Chapitre LI : Le réseau routier tun isien
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Routes revetues
Routes en terre
Pistes
Routes rurales
Figure II.4 : Répartition du réseau routier. La loi n° 86-17 du 17 Mars 1986, classe toutes les routes" Voies de communications routières faisant parti du domaine public de l'état, à l'exception des routes militaires", dans l'une des trois catégories suivantes: _ Routes nationales « RN» pour les voies destinées à assurer les liaisons entre les frontières du territoire de la république. _ Routes régionales « RR» pour les voies assurant les communications entre deux ou plusieurs régions du te rritoire de la république. - Routes locales « RL » pour les voies assurant les communications d ' intérêt local ou agricole. Le tableau de la figure 11.5 montre la classification des routes non rurales selon ces trois catégories: Caté20rie RN RR RL Non classées Total
Revêtues
Non revêhles
, 3793 286 4527 2173 4352 2235 657 1709 12264 7468 Figure ILS : Classi fi catIOn du reseau routier
Total
4079 6700 6587 2366 19732
Signalons aussi que les quelques 170 km d' autoroutes ont été construites par tronçons, à partir de 1980, selon le calendrier suivant : - 1980 : tronçon de 30 km reliant l'échangeur d ' Oued Meliane à l' échangeur de Turki - 1985 : tronçon de 21 km reliant l'échangeur de Turki à l'échangeur de Hammamet - 1994 : tronçon de 38,4 km reliant l'échangeur de Hammamet à l'échangeur d' Enfidha - 1993 : tronçon de 23 km reliant l'échangeur d 'Enfidha à l'échangeur de Sidi Bou Ali -1993: tronçon de 29,1 km reliant l'échangeur de Sidi Bou Ali à l'échangeur de M' saken. Cette autoroute est mise en concession et devenue payante à partir de mars 19%. - 2002 : Autoroute Tunis-Bizerte qui a été récemment mi se en service (Décembre 2002).
Il.3 Evolution de la circulation sur. le réseau ,'outier tunisien:
14
Chapitre Il : Le réseau routier tunisien
Dans J'étude de cette évolution, nous considérons d'abord la probTfess ion de J'ensemble de la circulati on motorisée «4 roues }) (catégories C à 1 de la fi gure 3) puis nous examinons la structuration de cette circulation et enfin nous traitons le cas particulier de la traction animale et des deux roues. La figure Il .6 montre l'évolution du débit journalier moyen de la circulation motori sée sur le réseau national entre 1967et 1997; Alors que la figure 7 représente son taux de croissance annuel par période de cinq ans. <
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Figure 11.7: Taux de croi ssance annuel de la circulation motorisée. En anal yse de ces deux graphes, on conclut que: - Entre 1967 et 1982, la circulation motorisée est en croissance quasi régulière.
- E,lIre 1982 et 1987, le taux de croissance passe de 10% à 4% . Ceci était une des répercussions de la cri se économique qu'a connu la Tunisie pendant les années 1986 et 1987 et qui a engendré une diminution de la circulation ro utière. La circulation ro utière dépend donc de la si tuation économique et sociale du pays. Cette circulation motorisée est composée d' une circulation dite légère (catégories C, D et E de la fig ure 3) et d' un trafi c Poids lourds (catégo ri es F à 1). Le tableau de la figure 8 mont re la :om position de la circulation motorisée sur l'ensemble du réseau routier en rase compagne " primée en pourcentage (%) durant les 30 années entre 1967 et 1997. Na ture \ Année Voitures légères Ca mionnettes Camions léeers Circulation léeère Tra fic Poids lourd s
1967 52,5 19,4 6,3 78,2 2 1,8
1972 54 22,6 5,7 82,3 17,7
1977 44 ,4 29,5 7 80,9 19, 1
1982 39,5 35 9 83,5 16,5
1987 42,5 32 Il 85,5 14,5
FIgure 11. 8: ComposItion de la circulation motonsee 15
1997 49,4 28,2 8,9 86,5 13,5
Chapitre II : Le réseau routier tunisien
Il ressort de ce tableau que la part de la circulation légère qui est passé de près de 78% en 1967 à près de 86% en 1987 se stabilise autour de 86,5% à partir de 1997; En contre partie la part de la circulation des poids lourds a diminué. Ceci pourrait être la conséquence du besoin en acquisition de moyens de transport propres de la population La figure 11.9 montre l'évolution de la circulation par traction animale et des deux roues en pourcentage de la circulation totale durant la même période. ~
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Figure II.9: Evolution de la circulation 2 roues et traction animale. Remarquons la stabilisation du trafic 2 roues autour de 10 % de la circulation totale et la quasi-disparition de la circulation par traction animale sur le réseau national Dans la figure 11.1 0 nous montrons la fluctuation saisonnière de la circulation dans la république tunisienne. Cette fluctuation est exprimée par rapport à une moyenne journalière annuelle.
Hiver Automne Eté
Printemps
o
0.2
0.4
1.2
Figure II.IO : Fluctuation saisonnière de la circulation Le pic de l'été revient au retour des tunisiens de l' étranger, des voyages de loisirs des tunisiens résidents et aux déplacements des touristes .
16
Chapitre III : Etude de la circu lation routière
Introduction Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, le nombre de véhicules roulants n'a cessé d'augmenter faisant naître un grand besoin d' infrastructures pour pouvoir garantir une circulation fluide et sans danger. Ainsi toutes les métropoles du monde se sont envahies par les routes afin de satisfaire à cette nouvelle technologie. Aujourd'hui, tout en étant le moyen de transport le plus utilisé, la voiture est devenue à la fois une nécessité et une menace comme elle est devenue une source de grands débats dans toutes les grandes villes du monde. La circulation routière occupe une place de choix dans l'économie mondiale ce qui rend nécessaire la connaissance précise de son importance générale et de sa répartition. L'étude du trafic présente une étape préliminaire et importante dans la conception d'un projet routier. En effet, elle permet de déterminer la variante la plus adéquate satisfaisant aux caractéristiques techniques du projet et aux exigences socio-économiques des zones à desservir. Cependant, cette étude ne peut être déduite qu'à partir d'une analyse complète de la situation actuelle du trafic sur le réseau de la zone d' influence du projet. Par ailleurs, cette analyse de circulation actuelle doit être complétée par la maîtrise d'un certain nombre de lois ({ théoriques» d'actualisation, de projection et de calage.
111.1 Analyse de la situation actuelle: méthodes d'étude: Les objectifs de l'étude du trafic actuel sont: - La détermination des valeurs actuelles du trafic tians la zone d'influence. - L'analyse des origines, des destinations et des motifs de déplacements. - La détermination de la répartition du trafic par catégorie de véhicules. Dans tous les pays on recueille et on exploite des renseignements statistiques dont l'utilité est multiple: - Sur le plan de l'économie générale: Pour l'élaboration des plans économiques, financiers et fiscaux, il est indispensable de connaître la consistance du parc des véhicules, la consommation en carburant, les tonnages globaux transportés par la route, . - Sur le plan de la construction routière: L'étude de la circulation sur les diverses artères du réseau est nécessaire pour élaborer les plans d'aménagements ou de transformation de l'infrastructure, déterminer les dimensions à donner aux routes et apprécier l'utilité des travaux projetés.
Enfin la connaissance des circulations est nécessaire pour l'élaboration des mesures de police, d'exploitation, .. Se rapprocher au maximum de la situation actuelle revient à étudier les données du trafic les plus récentes. Cette étude peut être complétée par les enquêtes suivantes: 18
C hap itre lU : Etude de la circulation routière
- Un comptage automatique des véhicules: Cette opération consiste à recenser le flux du trafic au moyen d ' un compteur automatique dans les différents postes de comptages pendant au moins une semaine entière. Ce comptage permet la détermination des fluctuations journalières du trafic et la part du trafic nocturne. - Un comptage exhaustildes véhicules: Cette opération consiste à compter manuellement les véhicules qui passent par les différents postes de comptages tout en classant le trafic par heure, par sens et par type de véhicule (Voitures particulières, camions lourds et articulés, taxis et louages ... )
- Une enquête Origine. Destination: Cette opération consiste à interroger un échantillon représentatif des occupants des différents types de véhicules à propos de l'origine, la destination et !e motif de leurs déplacements, leurs professions, leurs revenus, .. On aboutit, en premier, à des matrices OriginelDestination brutes pour chaque type de véhicule et pour chaque poste d'enquête. Ces matrices seront redressées selon le trafic enregistré le jour de l'enquête et puis selon le trafic journalier moyen annuel en tenant compte du trafic de nuit et des fluctuations journalières. Finalement on aboutit à une matrice OriginelDestination globale qui tient cOl1lpte des matrices brutes calculées par poste. Le choix de la localisation des postes de l'enquête et de la manière d'analyse des résultats sont d' une grande importance pour le degré de représentativité de la matrice trouvée. En effet, les éléments de cette analyse sont multiples: statistiques générales obtenues sur le plan national, comptages de la circulation sur les routes, mesures diverses et enquêtes relatives à des cas particuliers. III 1.1 Statistiques générales: Les éléments statistiques généraux, provenant d' un certain nombre de sources, peuvent aboutir à des indications globales.
al La production de véhicules: Cette statistiq ue permet d'obtenir le nombre de véhicules neufs mis chaque année en circulation dans la métropole; Il faut en déduire les véhicules exportés et en ajouter .les véhicules importés.
bl La consommation de carburants: Fournit des indications globales sur l'activité du parc Il s'agit d 'évaluer et déduire les quantités consommées par les bateaux, les tracteurs agricoles et les diverses utilisations fixes des consom mations totales d'essence, de supercarburant et de gas-oil qui sont connues avec précision.
cl La vente de pneumatiques: La combinaison des deux statistiques de dessus avec les indications résultants des comptages sur route permet de calculer approximativement le parcours moyen annuel des différentes 19
Chapitre III : Etude de la circulation routière
catégories de véhicules. Cet élément est d'une importance capitale pour l'étude des variations dans le temps de l'activité automobile, il fourn it des indications sur l'activité du parc des véhicules lourds en particulier. 1JI 1.2 Comptages sur route :
Les comptages de la circulation sur une section de route donnée peuvent être périodiques ou continus.
al Comptages périodiques: Le réseau routier est divisé en sections de 8 à 15 Km de long, homogènes de point de vue des caractéristiques géométriques, du trafic et de la densité démographique des abords. Ces types de comptages sont généralement réalisés une fois tous les cinq ans et font l'objet d' une publication. Ils sont menés par des agents recenseurs qui peuvent déterm iner les véhicules par catégories de A à J: Les comptages comportent : - 15 comptages de jour de 6 h à22 h. - 7 comptages de nuit de 22 h à 6 h. Mais, en général , pour les routes où la circulation est faibl e on dispose de 6 comptages de jour dont on détermine les dates de façon à obtenir une bonne représentation de la circulation moyenne.
bl Comptages continus: Outre les comptages périodiq ues à grande échelle, il est intéressant d'effectuer des comptages sur un itinéraire devant faire l'objet d' un amé.nagement (Construction d' une déviation, renforcement, entretien .. ). Ces comptages sont d'in'térêt important du fait qu ' ils remplacent un contrôle manuel fastidieux, sont de faible coût. L' erreur relative est de l' ordre de 10 à 20% selon le moyen utilisé. En effet ces appareils automatiques sont distingués en plusieurs types suivant leurs modes de fonctionnement:
Compteurs pneumatiques: C'est un tube en caoutchouc spécial très souple à tension réglabl e, de 12 à 18 mm de diamètre extérieur et de 6 mm de diamètre intérieur. Ce tube est tendu en travers de la chaussée dont l' une de ses extrémités est munie d'un about spécial et l'autre est reliée à la machine. La surpression causée par le passage d' un essieu ferme un contact au moyen d'un diaphragme. Par un relais, cette impulsion actionne un compteur qui totalise en enregistrant un essieu sur deux. On distingue deux modèles: - Le simple totali sateur : Il consigne le nombre total de véhicules passés entre l'heure de déclenchement et celle du relevé. Il est formé d' un dispositif spécial qui reporte les totaux partiels à - L' enregistreur intervalles réguliers (15 mn ou 1 h) sur une bande chronographiqu~ ou sur un graphique
20
T C hapitre 1Il : Etude de la circulation routière
Détecteur capacitif: Il est constitué de deux fils transversaux parallèles espacés de 4 cm et noyés dans la chaussée; Le premier est lié à un émetteur tandis que l'autre est branché sur un récepteur détectant le passage d'un pneu. Délecteur radar: Son fonctionnement est basé sur la différence de fréquence entre une onde émise et celle réfléchie par le véhicule (mesure de vitesse). Délecteur magnétique : Il est formé d'une boucle à une ou plusieurs spires (3m x 1.2 m) enterrée dans la chaussée. Suite au passage d'un véhicule, l'inductance du circuit est modifiée et enregistrée dans un oscillateur L'enregistrement des impulsions (qu'elles proviennent de tubes ou de boucles) peut être fait sur des mini cassettes ou sur des compteurs à mémoire statique qui sont relevés à intervalles réguliers par un opérateur ou automatiquement sur un circuit téléphonique. Un nouveau concept utilisant une technologie de pointe a été mis au point par Marconi Canada. Le but est de créer une approche reliant les qualités propres aux réseaux informatiques et de communications, sans la complexité de ceux-ci, tout en conservant les normes. Un cas particulier des comptages étant le comptage directionnel. C'est un comptage qui comme son nom l'indique, donne le débit par direction. Il est, en général, effectué à trois moments différents de la journée (à l'heure de pointe du matin, à l'heure de pointe du soir et dans une heure creuse) et ceci pendant quelques jours. Alors que pour les installations fixes on utilise des détecteurs à pédale (débit par intervalles de 6mn), le comptage directionnel nécessite ceux à double pédale (les véhicules étant enregistrés par deux compteurs séparés suivant qui ils actionnent l'une ou l'autre pédale). i
Les détecteurs sont également utilisés pour mesurer le taux d'occupation de la chaussée (Portion de la surface occupée par des ' véhicules). Cet indice caractérisant l'encombrement permet de prendre des dispositions pour une meilleure exploitation de la route. En titre d'exemple, ce type de comptage se fait sur des carrefours à aménager III 1.3 Enquêtes de circulation: Pour la résolution des problèmes d'aménagement ou d'exploitation routière, il est insuffisant de connaître la circulation en un point donné d'une route. A cet effet, des enquêtes sont menées pour connaître les différents courants de circulation et la plupart des destinations. Ces enquêtes sont sous trois formes:
al Enquêtes sur route: Il s'agit de commencer par isoler le trafic dans la zone concernée et installer des stations . d' enquêtes pour interroger un certain pourcentage de conducteurs. Ces enquêtes sur route ' .rendent nécessaire l'aménagement d'aires de stationnement pour les véhicules questionnés . .., Le moment opportun de l'enquête doit être représentatif de la circulation moyenne ou de la .c.irculation dominante, suivant le problème posé. Le nombre total N de véhicules à soumettre à l'enquête dépend de la précision que l'on veut obtenir (pour une précision de 40 v/j sur 5000, faut environ 500 véhicules enquêtés).
Chapitre III : Etude de la circulation routière
bl Enquêtes simplifiées: Elles sont utilisées pour avoir une idée approximative de l'importance de certains courants de circulation. Il s'agit de repérer les numéros d'immatriculations des véhicules aux entrées et sorties du cordon. Un recours à l'utilisation des papillons ou des cartes peut également être envisagé: Pour les enquêtes par papillons, les véhicules sont arrêtés à l'entrée de la zone. Un papillon est apposé sur le pare-brise. Dans le sens de la sortie on compte, sans pratiquement arrêter les véhicules, les papillons de diverses origines. Pour les enquêtes par cartes, des cartes distinctes sont distribuées aux usagers à chaque entrée. Les cartes sont récupérées à la sortie. Cette enquête peut renseigner sur l' heure d'entrée et l'heure de sortie d' un véhicule et fournit diverses autres indications. L' inconvénient de cette méthode réside au fait d' arrêter deux fois les véhicules. La figure III 1 montre les résultats d' un exemple réel de comptage directionnel réalisé en 2000, par enquête simplifiée à l'occasion de l'étude du projet de l'échangeur d' El Jem sur l'autoroute Tunis Sfax. Cette échangeur permet de desservir la ville de Souassi. MJA EIJem Srax Souassi Tunis
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Sfax
2248 567 1266
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562 8090
Souassi Tunis
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Figure Ill.! : Exemple réel de comptage directionnel
cl Enquêtes à domicile : L'enquête ménage, l' enquête OriginelDestination et les sondages effectués dans les carrefours de la zone considérée servent à avoir une idée précise sur les caractéristiques des différents mouvements. Ces informations sont à comparer avec celles tirées des données statistiques sur les origines et les destinations les plus fréquentes des véhicules. Sur une carte seront reportées les lignes désirs qui représentent les courants virtuels les plus importants ainsi que les demandes .d' emplacements pour stationnement.
dl Enquêtes de stationnement: Elles représentent un type particulier d'enquête qui se réalise en site urbain. En effet, le stationnement est un consommateur important d 'espace et il appartient de bien appréhender le phénomène pour pouvoir y apporter des solutions efficaces. Le stationnement peut être distingué en 4 formes: - Stationnement des riverains - Stationnement de longue durée des pendulaires - Stationnement de courte durée - Stationnement pour livraison
22
Chapitre III : Etude de la circulation routi ère
L' enquête de stationnement est manuelle. Chaque enquêteur dispose d' un plan des stationnements d' une zone détenminée, avec places de parking numérotées. Il doit effectuer, à période fixe ( 1/2 heure), le pointage des véhicules stationnés, en repérant généralement le numéro d' immatriculation. Cet enregistrement permet de déterminer le taux d' occupation des places, le délai de rotation et la durée moyenne de stationnement.
III lA Mesures de vitesse et de poids: Il est très utile de connaître, en plus du nombre des véhicules et de la classification du trafic, les autres éléments caractéristiques de la circulation (Vitesse et poids des véhicules).
al Mesures de vitesse: La détenmination de vitesse peut être faite par un grand nombre de procédés. Le plus simple est évidemment le chronométrage direct du temps mis par un véhicule pour franchir la distance entre deux repères placés sur la chaussée. Les mesures peuvent être faites par un observateur unique en utili sant des appareils appelés énoscopes constitués par un miroir à 45 °, placé dans une boîte en forme d'équerre, ouverte d'un côté vers la route, de l'autre vers l'observateur. Celui-ci placé à égale distance (50 m par exemple) des deux énoscopes, perçoit nettement un changement d'intensité lumineuse lorsque le véhicule passe au droit de chacun des appareils. En prati que, on utili se des appareils basés sur le même principe, mais plus perfectionnés . . Dans un premier modèle, les repères sont deux tubes pneumatiques analogues à ceux des compteurs, espacés de 4,5 m : l'impul sion de l'essieu sur le premier tube provoque par un relais la décharge d'un condensateur, le passage sur le second tube arrête cette décharge: La chute de tension résiduell e est fonction du temps de décharge et donc de la vitesse du véhicul e, qui s'i nscrit sur un cadran jusqu'à ce que l 'obs~rvateur, d'un coup de clé, recharge le condensateur. ; Dans un second modèle, les repères sont des câbles coaXIaUX minces espacés de 1 m. L'écrasement du câble (3mm de diamètre) produit une variation de capacité par diminution de l'épaisseur d'isolant qui provoque une impulsion de tension dans le circuit d'où le déclenchement d'une décharge du condensateur. La mesure de vitesse est faite identiquement à celle décrite ci-dessus. D'autres appareil s utili sent l'effet Doppler-Fizeau : Un faisceau d'ondes ém ises par une source et rayonné par une antenne directive est réfléchi par un objectif et reçu sur un récepteur. Si l'objectif est mobile, la fréquence de l'onde reçue sera différente de celle émise, et la différence des fréquences sera proportionnelle à la vitesse. La précision obtenue est de l'ordre de2 %. Sinon, recourir à des procédés d'enregistrement photographiques qui consistent à étudier le passage d'un véhicul e sur des séries d' images prises à des intervalles de temps réguliers. Indépendamment de la vitesse instantanée des véhicules, on peut avoir à mesurer leur vitesse moyenne sur un parcours, notamment sur des itinéraires urbains encombrés. Ceci se fait généralement en détenminant le temps de parcours d'un véhicule dit « flottant )) , conduit de telle façon que le nombre de fois où il dépasse un autre véhic ule soit égal au nombre de fois où il est dépassé.
23
Chapitre III : Etude de la circulation routière
bl Mesures de poids: Le contrôle du poids des véhicules est indispensable non seulement pour l'analyse statistique et les prévisions de trafic, mais surtout pour limiter les surcharges d'essieux qui sont extrêmement dommageables pour les chaussées. L'agressivité des véhicules lourds croît très vites en fonction du poids des essieux. Or, les compagnes de contrôle mettent en évidence des proportions de véhicules en surcharge atteignant 20 %. Tout véhicule en surcharge de plus de 5 % doit être immobilisé. Sont employés pour ces contrôles : - Des matériel s mobiles, bascules mécamques, mesurant par un système de levier les déformations d'un ressort. - Des matéri els dits « semi-fixes» déterminant le poids d'une roue, au moyen de quatre jauges de contraintes branchées sur un pont de Wheatstone. - Des ponts bascules classiques, présentant l'inconvénient de donner le poids total du véhicule et non pas la charge par essieu. Il existe également des dispositifs équipés de façon à déterminer la vitesse, l'écartement des essieux et le poids de chaque essieu.
111.2 Lois d'étude de la circulation: L' étude de cette partie sera suivant un enchaînement logique. Cet enchaînement commence par l' évaluation du nombre de déplacements (de tout genre) susceptibles d'être crées entre deux agglomérations ou à l' intérieur d' une même agglomération et là on parle de la génération des déplacements. En phase uJtérieure sera, alors, la distribution des déplacements ainsi générés dans l'espace pour les répartir ensuite sur les différents modes de transport disponibles. La part du trafic purement routier sera alors affectée aux itinéraires existants ou projetés pour évaluer enfin la circulation sur les différentes voies d ' un même itinéraire. III.2 .1 La génération: Détermination du nombre de déplacements:
Cas de la rase compagne: On considère le cas général où l'on cherche à déterminer le nombre de déplacements T AB susceptibles d' être crées entre deux agglomérations A et B distantes de D (km) et de populations respectives PA et PB. Le nombre de déplacements T AB peut être approché par les modèles gravitaires de la forme:
TAB= K (PAPB)'" n D Où : K, m et n sont déterminés par des procédés statistiques de corrélation : Calage sur la
réalité. Il est à signaler que des travaux antérieurs ont montré que : 1/2 :,; n :,; 1 et m # 2. Ainsi se révèle une similitude de cette loi avec celle de Newton portant sur l'attraction universelle. 24
Chapitre III : Etude de la circulatio n routi ère
Cas du milieu urbain: Ce cas est plus compliqué car il faut différencier les 3 genres de déplacements qui s'y trouvent et qui sont les déplacements de transit, les déplacements d'échange et les déplacements internes. Pour le transit et l'échange, la situation actuelle est parfaitement mesurable (Comptages, enquêtes ... ), l'évolution peut être estimée pareillement à celle de la rase compagne. Pour les deplacements internes, l'approche peut se faire par un découpage du milieu urbain en zones de caractéristiques socio-économiques homogènes. A chaque zone sont associés des éléments chiffrés qui caractérisent l'attraction et l'émission de cette zone en matière de déplacements. Les déplacements sont alors rattachés à un motif déterminé: Travail, étude, domicile, .. Il est à remarquer avant de clore ce paragraphe, que le projeteur doit prendre en considération les déplacements induits provoqués par l'attraction d' usagers supplémentaires par le nouvel aménagement. IIl.2.2 La distribution: Ventilation des déplacements dans l'espace Cette phase intéresse essentiellement le milieu urbain et vient tout de suite après la phase génération. Il s'agit d'affecter à chaque zone d ' origine de déplacements une zone de destination. On construit alors la matrice origine/destination. Pour déterminer Tij, on définit une résistance au trafic noté (fii ) inversement proportionnelle à Ti). Cette résistance au trafic est évidemment fonction de paramètres simples et identifiables tels que la distance parcourue (d ij ), le temps mis (tiil ou le coût payé par l' usager (Cii). '. 1 2 1 N. r N
.t
T.,
1 2
T. 2
T ij
J
T .J
N., N
T.N Tl. T z.
T1.
T N.
Figure III 1: Matrice Origine/Destination pour un motif. Il est évident que quand Cij, dij ou t,j augmentem, Tij dim mue. On admettra par hypothèse que fij = fji. Pour calculer le m:mbre de déplacements on considère, par exemple, que la fonction fij sera la valeur (Cij)' (x peut êr,"ô le temps mis ou la distance parcourue selon qu'on est en milieu urbain ou en rase compagn';).
25
Chap itre III : Etude de la circulation routière
On définit également Ok comme l' opportunité de la zone k (travail, commerce, .. ). Le nombre de déplacements déduits sera ainsi calculé: 1
O, -
fij
T u - E '·
- " n O k -fik L.,
1
k .J
Enfin, on définit l'émission globale Ei de la zone i et l'attraction globale AJ de la zone j respectivement par: Où Pi est la population de la zone i T, . = E , = ÀF,À < 1
T.j
= a Aja < 1
III .2.3 La répartition entre modes de transports: Les déplacements entre deux agglomérations où entre deux zones d'une même agglomération peuvent se faire selon plusieurs manières, en passant de la marche à pied jusqu'au transports dits exceptionnels. Que choisir?
Figure HU : Se déplac~r , et choisir Le choix d'un mode de transport dépend de plusieurs paramètres qui peuvent être quantitatifs (distance, temps, COÙI. . . ) où qualitatifs (niveau de service, qualité de service ... ). L' importance d' un paramètre par rapport à un autre peut différer d'un contexte à l'autre. Notons, à titre d' exemple pour un contexte donné, MP comme le pourcentage de la marche à pied par rapport aux autres modes de transports disponibles dans ce contexte. La figure 4 montre l'évolution de MP en fonction de la distance parcourue D. DA varie de 2 à 4 km et ce essentiellement en fonction de la qualité des transports en commun. HP 100%0---_
o
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D
Figure HU : Evolution de MP en fonction de la distance parcourue D.
26
Chapitre III : Etude de la ci rcul atio n ro utière
Remarque: L' évaluation de la part du transport routier par rapport aux autres modes peut être effectuée en suivant le même processus. III.2.4 L'affectation sur les itinéraires : Le nombre de déplacements routiers entre deux agglomérations ou entre deux zones, d'une même agglomération doit être affecté aux différents itinéraires existants ou proj etés. Rappelons que l'importance du trafic d'un itinéraire projeté par rapport à celui des routes existantes a une incidence directe sur la rentabilité économique et financière du projet. itinéraire 1 exist8 nt itinéra ire 2 existant zone
A
itinéra ire 3 projeté
---
'Zone B
- ~ - --
Figure IIIA : Affectation sur les itinéraires Remarquons que la configuration de la figure 5 ressemble fortement au schéma électrique de plusieurs résistances en parallèles: figure III. 6. Le courant électrique qui traverse une résistance i ne dépend pas uniquement de la valeur de cette résistance et de la différence de potentiel (VS-VA) mais aussi des valeurs des autres résistances.
Figure !l1.5: Similitude électrique Ainsi, On définit le coût généralisé qui représente la somme pondérée de plusieurs coûts soient directement ressentis par les usagers ou indirectement (sécurité .. ). Ce coût généralisé englobe les coûts réels (Carburant, amortissement ... ) les coûts psychologiques (attente, stress ... ) La considération de ce coût n'implique pas nécessairement que tous les déplacements seront par l'itinéraire ayant le coût le moins élevé. En effet, l'itinéraire le moins cher serait dans ce cas le pus emprunté et donc le plus encombré; Son coût augmentera nécessairement. D ' autres raisons peuvent être invoquées: - L' appréciation de l'importance d ' un itinéraire ou l'autre peut être différente d' un usager à l'autre. - Le manque d'information des usagers.
27
i
Chapitre III : Etude de la circulation routière
1
j
_ Les usagers étrangers aux lieux, suivent nécessairement la signalisation. Certains bureaux d' études utilisent pour l'affectation du trafic le logiciel ARIANE développé par la SETRA. Le principe de fonctionnement d' ARIANE est le suivant: Enquête Origine/IJestination 1
Matrice OriginelDestination
Evaluation économique régionale.
l Taux de croissance de trafic
~ ARIANE~ )
Coûts économiques d'exploitation
i Croissance démographique régionale Affectation du trafic Figure III.6: Organigramme méthodologique de fonctionnement d'ARIANE La loi d' affectation utilisée est du type :
LiC)a
Ti"-C Où :
Ti, Tj sont les trafics sur les itinéraires i et j. Ci, C j sont les coûts de circulation généralisés y compris le temps de parcours sur les itinéraires i et j qui sont fonction des trafics Ti et Tj CI. est le coefficient d'ajustement déterminé par calibrage des matrices initiales sur les trafics enregistrés à l'année de référence dans la zone du projet. Ce coefficient a été déterminé en 1996 à partir du test de calibrage du trafic entre les différents itinéraires ou routes existantes. Plusieurs tests d'affectation devàient être effectués avec le logiciel ARIANE jusqu'à trouver les marges d' erreurs les plus faibles entre les trafics reconstruits par le modèle et les trafics réellement observés sur les différentes routes dans la zone du projet. Après différents tests, la valeur de CI. égale à 10 s'est avéfée la valeur qui restitue le mieux le réalité, c'est à dire qui engendre les marges d'erreurs les plus faibles. III.2.5 Circulation sur les voies : al Relation Débit- Vitesse:
Il s'agit de déterminer la relation débit-vitesse pour une voie. 28
Chapitre 111 : Etude de la circulation routière
Le débit Q sur une voie est fonction de l'espacement entre les véhicules. Or, l'expérience d' un conducteur qui veut éviter la collision avec celui qui le précède, si ce demier s'arrête, a montré que l'espacement minimum ç entre deux véhicules successifs roulant sur une même voie est géré et commandé par une notion de sécurité .. ç est donc la somme de trois termes: L-a longueur du véhicule, la distance parcourue pendant le temps de perception-réaction (proportionnelle à la vitesse) et la di stance parcourue pendant le freinage (proportionnelle à la vitesse). En remplaçant chaque terme par son expression en fonction de la vitesse v et en faisant les simplifications nécessaires, l'expression de ç sera la suivante:
ç=
8 + 0.2 v + 0.003 v'
Or, le débit Q en véhicules par heures peut s'écrire sous la forme suivante:
Q=_V_
ç
1000 L'allure de la courbe de Q en fonction de v est alors celle de la figure 1I1.8. 120
.. -
- ..
_._- - -
100 80
=~ .g ;>-
60
) 40 "é hicule~/kJ1t
40
.-/
20
1
0 0
500
1000
1500
2000
2500
Q(véh!11)
Figure HI.7: Courbe schématique donnant (pour une voie) la vitesse praticable en fonction du débit Le dessin comporte les valeurs (approximatives) des concentrations aux 3 points particuliers de la courbe.
bl Notion de capacité et de niveau de service: Le Hayway Capacity Manuel (H.C.M) édité par les améncains en 1965, à partir des statistiques effectués sur des routes et des conducteurs américains, défi nit six niveaux de services observés sur les autoroutes et les rouhos express qui s'approchent des conditions idéales de circulation (pas de croisement, pas à 'ohtac1es latéraux, bonne visibi lité, pente et rampe généralement faible etc ... ). Chaque niveau de service est caractérisé par ses propre, paramètres comme l'indique le tableau ci-après:
29
Chapitre UI : Etude de la circul ation routière
Vitesse Niveau partica le (kmlh)
Vitesse de Ecoulement fluide base 90à l00 Ecoulement stable Ecoulement stable; vitesse 80 limitée par le trafic Ecoulement stable de courte 60 durée 50 Ecoulement instable <40 Ecoulement forcé congestion
A
B C
D
E F
La figure
Condition de la circu lation
Débit horaire de service maximum Débit en Rapport débit! capacité :(lIe U,V,P/h/voie 0,20 500à700
0,45 0 ,70
900àl000 1500
0,85
1800
1 2000 Débit en fonction des go ul ots d'étranglement (ga re de péage carrefour à feux etc .. , )
rn.9 montre la superposition des ni veaux de service sur la courbe débit-vitesse.
120 100
ao
1 ;:--
60 40
20 0
0
50 0
1000
1500
2000
2500
Q(véhlh) Figure 1Il. 8: Etalonnage de la courbe débit-vitesse à l'aide des niveaux de service. Choix du nombre de voies:
Il découle de la comparaison du trafic prévu et du débit que peut écouler une voie, une notion de débit de base horai re qb et de débit de congestion q,. Ces débits dépendent de la catégori e de largeur rouable (donc du niveau de service) et de la taille de la vi lle par l'intermédiaire du facteur de pointe instantané (F.P. l.).
JO
Chapitre III : Etude de la ci rculation routière
1
qb
Catégorie FPI 1,00 1,20
A 1550 1400
1650 1500
C 1750 1600
1800 1650
qc
1,20 1,25 tout FPI
1250 1200 1600
1400 1350 1700
1500 1450 1800
1550 1500 1850
B
D
Remarques Les débits qh et qo définis par les nonnes résultent d'anciennes études. Ils apparai ssent actuellement un peu faibles; Ainsi dans l'agglomération parisienne, les débits de saturation sont supérieurs à 2 000 uvp/he ure. c Débit et nombre de voies pour un échangeur: Afin de déterminer le nombre de voies nécessaires à un sens de circulation donné ou de dimensionner un couloir d'entrée ou de sortie, il est nécessaire de procéder à l'évaluation du trafic affecté à chaque voie. Il est rappelé que pour un échangeur, la charge d'une entrée de l'échangeur est le rapport entre le débit réel et le débit de saturation. Ce rapport doit être forc ément inférieur à 1. Au-delà de la largeur utile de la chaussée, il est en quelque sorte le rapport de la demande sur l'offre: Yi = Qi / Si. Où :
Q, est le débit réel transitant la bretell e concernée.
Si = S'i XCI X C, X Cl est le débit de saturation corrigé S : Débit de saturation brut, donné soit par l'abaque ci-dessous si L'<5 m, soit par la formule S = 535 L' si L' > 5 m. L'étant la largeur utile de la chaussée. !
S· (u.;v_p.dJh.) 3000
./
2500
./ /
/
/'
2000
./
L"(:n'\.)
1500
2_"
3
3 _"
4
4_"
Figure 111.9 : Abaque du débit de saturation brut
31
Chapitre III : Etude de la circulation routièr,
C, le coefficient de correction dû à la population.C,=I , population comprise entre 250.000 e 500.000 habitants. C z le coefficient de correction dû à l'environnement. C z = 1 pour de conditions moyennes. Cl • Coefficient de correction dû à la déclivité a % et qui est égal dans le cas d'une. Ramp' (montée) (a % > 0) => C3 = 1 - 0,03 (a - 1). Pente (descente) (a % < 0) => C3 = 1 - 0,03 (a + 1).
Choh de nombre de voies: La détermination du nombre de voies en section courante est déduite à partir du trafic estimé, l' horizon du projet en période de pointe « normale » et non en période de pointe absolue Ceci signifie que, sur la courbe de débits classés, le débit pris en compte peut être dépasst pendant un certain nombre d'heures par an. Si la pointe est plus courte qu ' une heure, or multiplie le trafic de l'heure la plus chargée par un facteur de pointe FP. En absence d'autres éléments, on peut considérer les valeurs de FP suivantes. - Agglomération de plus de 1,5 millions d'habitants.. . . .. ..... . ... ........ 1, 1 - Entre 3000 et 1,5 millions.. ... ... ... .... .... . ... ..... .. .1,2 .......... .. . ...1,25. - En dessous de 300 000. Les débits sont exprimés en UVP avec les correspondances suivantes, les poids lourds étan; caractérisés par leur poids total en charge. T)'IJe du véhicule Cycle Motocycle VL ou PL< 3,5 T PL> 3,5 T
,i
Equivalence en UVP 0,5 1 1 2
On dM;nit la capacité comme le plus fort' débit, même de courte durée, qu' on peut observer. Ramenée à l'heure, cette capacité est de l'ordre de 2000 UVP par voie pour une chaussée unidirectionnelle. Elle correspond à des conditions de circulation difficiles et instables. Elle est parfois appelée par la capacité maximale ou capacité physique afin de la distinguer de la capacité économique à partir de laquelle un élargissement se justifie. Elle est influencée par la fréquence des accidents et incidents, elle est même en relation avec le trafic moyen journalier annuel (TMJA). Pour la détermination du nombre de voies d' une route à chaussées séparées, on est donc conduit à prendre en compte à la fois le débit horaire On (en UVP par sens) et le TMJA (pour les deux sens).
111.3 Prévision et Projection du trafic: La méthode de prévision du trafic est établie sur la base de l'évolution des indicateurs de croissance démographique et économique. Elle sert à estimer le taux global de croissance des flux du trafic des véhicules légers (VL) et des flux du trafic des poids lourds (PL) aux échelles nationale et régionale.
32
Chapitre Ill : Etude de la circulat ion routière
En effet, l'analyse du trafic est projetée à l'horizon de l'année de fin de durée de vie de la chaussée (exemple 2025) qui correspond à l'année de mise en service (exemple 2005) plus une durée de vie (exemple 20 ans) prise en compte pour le dimensionnement. Plusieurs méthodes sont utilisées pour la prévision du trafic. Nous citons ici une méthode analytique et une méthode numérique basée sur le modèle EMMEI2 . III 3.1 Méthode analytique: La projection du trafic à l'horizon de l'année de fin de durée de vie, définit en fonction de l'évolution de la mobilité, dépend de deux paramètres: _ L'élasticité de la mobilité m. _ L'évolution du produit national brut PNB par habitant. La formule suivante permet de déterminer le taux de croissance annuelle des véhicules entre deux zones i et j :
Hi
l'. Ti = «I+-)x(I+ --~ M j ))x(I+I11-) M -1 --~
Ti) Pi Pj li Avec: l'.Tijrrij :. Taux de croissance annuel du trafic des véhicul es entre les zones i etj. l'.P/Pi : Taux d,;'! croissance annuel de la population de la zone i. t.PjlPj : Taux de croissance annuel de la population de la zone j . /',R/R : Taux de croi ssance annuel du PNB par habitant.
m : L'élasticité de la mobilité par rapport au PNB par habitant. Selon la banque mondiale (Recensements généraux d~ la circulation, Mini stère d'Equipement ' et de l'Hab itat MEH), On a : m = 1,5 (Coefficient pondéré entre 1.6 relatif au VL et 1.2 relatif au PL). Pour la période 1972-1 992 l'.R/R = 2,3 % et on peut considérer que ce rapport est égal : Entre 2000-2005 : l'.R/R = 2, 1 % Entre 2005-2010 : l'.R/R = 2.0 % 1II 3.2 Méthode numérique utilisant le modèle EMME/2 : Ce modèle utilise une base de données contenant les caractéristiques du réseau routier existant (Offre) et la matrice Origine-Destination des déplacements par zone (Demande) . Cette base de données permet de faire l'affectation entre les différents cro isements et par la suite simuler l'impact de tout changement aussi bien au niveau de l'offre que la demande . Le modèle a été développé par l'Agence Urbaine du G",nd Tunis (AUGT) sur la base des enquêtes ménages de 1994 , une matrice OID couvrant ks 90 zones de transport (86 zones internes et 4 externes) a été élaborée.
33
ChapItre
1 V : Lt:s
1l (11,..t::~
C:;l IC:;,::,
IIUllU ..... ~
5 ..... v •• ' .... ~"\.I ........ .,
Introduction: La façon, pour un ingénieur, d'élaborer la surface gauche de l'espace que constitue la route, consiste à étudier et concevoir les trois éléments géométriques simples qui la définissent, le tracé en plan, le profil en long et le profil en travers en plus des carrefours. Le tracé en plan est la projection sur un plan horizontal de la route (ou son axe), ses éléments sont repérés en x et y dans un système local ou Lambert. Le profil en long est le développement de l'intersection de la route avec un cylindre à génératrice verticale passant par l'axe de cette route, ses éléments sont repérés en abscisse curviligne et cote locale ou NGT. Le profil en travers est la coupe de la route suivant un plan vertical perpendiculaire à son axe. L'Art de l'Ingénieur consiste à apprécier judicieusement les caractéristiques de chacun de ces éléments pour satisfaire les exigences de sécurité et de confort ainsi qu'une harmonieuse intégration dans le contexte urbanistique, architectural ou rural et économique dans lequel s'installe la route. Les normes et les textes administratifs ont pour but de codifier les règles principales pour une conformité du projet routier aux règles de l'art. Ces normes sont souvent basées sur des hypothèses simplificatrices générales, pas toujours applicables aux cas limites. Une application servile des recommandations contenues dans ces normes ne garantie donc pas un . projet routier optimal. En effet, la qualité d'un projet dépendra toujours en première ligne de la compétence et de l'expérience de l'ingénieur. Celui-ci doit être en mesure de prendre les dérogations nécessaires de les justifier en se basant sur des connaissances approfondies des principes fondamentaux qui eux mêmes sont à l'origine des normes.
'et
IV.I La vitesse: paramètre déterminant du tracé: l
!
Lors de l'étude d'un tracé, le paramètre vitesse intervient de façon déterminante dans le choix des différents éléments géométriques qui le composent. C'est le critère de base de tout projet routier. Ce paramètre a une influence primordiale sur l'économie globale de l'investissement, son taux d'utilisation, la sécurité et le confort des usagers et les nuisances pour les riverains. Pour des raisons de sécurité et d'économie, la législation routière fixe les limitations générales de vitesse, valables pour l'ensemble d'un réseau (90 km/h pour les G.P. par exemple). Ces limitations n'ont qu'un caractère indicatif pour l'auteur d'un projet routier. En effet, il serait trop onéreux, voire parfois impossible, de baser tous les projets routiers sur ces seules lunitations. L'ingénieur routier est donc amené à utiliser une notion théorique de vitesse correspondant à des conditions générales moyennes (véhicules, climat, état de la chaussée, comportement du conducteur). Cette vitesse commande les directives réglementaires qui fixent alors les valeurs .~ites (sous forme de maxima et minima) entre lesquelles les éléments du tracé devront se situer.
__________________.-;::._. _-,C",h"ap",i",tr.::e-.:l'-,-I.c'-.:L::e"s "tr.::ac::é:::s..:et:..:l:::es::.. ::no:.:r.::m:.:e.::.sE.g.::éo"m::.e:.t:.:ri",qu:::e:;\~, :· La normalisation des conditions techniques d'aménagement, s'appuie essentiellement sur la vitesse de référence Vr. Cette notion de vitesse de référence doit être complétée pour la rase campagne par une notion de vitesse à vide et en site urbain par une notion de vitesse de ~ ou vitesse pratiquée sur voie rapide urbaine. A l'approche des carrefours non dénivelés (même niveau) munis ou non de feux, on utilise la notion de vitesse d'approche.
rv.l.l Vitesse de référence
Vr:
C'est la vitesse d'un véhicule isolé permettant de définir les caractéristiques minimales d'aménagement des points particuliers d'une section de route pour lesquels les contraintes géométriques sont les plus astreignantes pour l'usager. Elle se rapporte donc à une section de route déterminée (tronçon), de type et de caractère constants (trafic, topographie, aménagements et équipements de l'ouvrage). La vitesse de référence est ainsi la vitesse théorique la plus élevée à laquelle la section de route considérée peut être parcourue avec sécurité et confort, lorsque ces facteurs ne dépendent que de la géométrie de la route. Cette vitesse est choisie par ,'auteur du projet routier en tenant compte des critères suivants: - caractéristiques topographiques - importance de la route dans le réseau - conditions économiques - volume et structuration du trafic. Il s'agit avant tout d'un choix économique, basé dans les cas les pl us complexes sur des comparaisons de variantes. Ce choix devra toujours faire l'objet d'une ratification par le maître de l'ouvrage. )
Le lecteur est appelé à ne pas confondre entre la vitesse de référence (théorique) et les autres vitesses (pratiquée, moyenne, maximale, réglementaire, .... ). La vitesse de référence de la route est en relation avec la distance de visibilité minimale Dmin, de la sinuosité Rmin et de la déclivité maximale imax : figure rv.l. 1
max.
Vr
Rmin Dmin Figure IV. 1 : Action de la vitesse de référence. La circulation à la vitesse de référence Vr implique une distance minimale de visibilité Dmin assurée partout sur obstacles éventuels. La visibilité moyenne "D" sur la section, incite les usagers à rouler en dehors des points particuliers, à une vitesse moyenne supérieure à Vr.
36
Chapitre IV : Les traces et les normes géométriques
IV. 1.2 Classification des itinéraires en fonction de Vr: Une section homogène de route d'une certaine catégorie, est un tronçon de cette route, d'une certaine longueur, dont les points particuli ers sont aménagés pour la vitesse de référence correspondante.
, l
La tableau IV. I donne la classification des routes nationales (R.N), des autoroutes de liai son et des vo ies rapides urbaines (V.R.U.) e n fonction des vitesses de référence.
Classification des routes nationales L80 LI OO Ll 20 80 100 120 Classification des autoroutes de liaison
Catégorie Vr (k m/h ) type A: V R.U. à caractéri stiques autoroutières type U : V. R .U. à caractéri stiques non autorouti ères
Classification des voies rapides urbaines Tableau IV. I : Classification des itinéraires en fonction de Vr IV.I .3 Vitesse à vide, vitesse d'approche et vitesse de groupe : La vitesse à vide Vo est la vitesse moyenne que pratiquent les véhicules isolés en dehors des points parti culiers de la section. Elle correspond à des dèbits quasi nuls. Il est à remarquer que la vitesse de référence est toujours inférieure à la vitesséà vide (Vr < Vol. En rase campagne, on définie la vitesse d'approche par la vitesse à vide d'un véhicule à l'approche des carrefours ou des voies de manœuvre. Dans un but de simpli fication , on appellera vitesse de groupe la vitesse moyenne de l'ensemble des véhicules légers dans une section homogène de route. C'est la moyenne harmonique des vitesses moyennes de parcours de cette section par l'ensemble de ces véhicules.
IV.2 L'entité "ROUTE-VEHICULE-CONDUCTEUR" La démarche qui a aboutit à l'élaboration des normes routières consistait à prendre en considération l'unité physique que constitue, pour le transport routier, l'ensemble "ROUTEVEHICULE-CONDUCTEUR". Ceci avait pour but de mieux satisfaire à l'objectif auquel doit répondre l'infrastructure routière, soit assurer un écoulement de trafic avec le maximum de sécurité et de confort pour les personnes et le matériel. La sécurité de circulation dépend essentiellement de la cohérence de fonctionnement des liai sons existantes entre la route, le véhicule et le conducteur. C'est grâce à cette cohérence que l'ensemble des trois éléments constitue une véritable "Unité Physique". 37
Chapitre IV : Les tracés et les normes géométriques
Signalons la diversité et la complexité des facteurs à prendre en compte : _ la route, structure inerte, caractérisée par sa géométrie et son état de surface _ le véhicule, structure hétérogène articulée et dynamique _ le conducteur, structure complexe d'analyse et de décision. C'est l'étude des trois sous-ensembles : route-véhicule, conducteur-véhicule et routeconducteur qui rend le mieux compte de l'incidence des critères dynamique, psychologique et physiologique sur l'élaboration des normes de sécurité.
IV2.1 Le Sous-Ensemble "Route-Véhicule" : L'automobile est une structure soumise à un ensemble de forces que nous distinguerons de la manière suivante: figure !V.2. - les forces naturelles: P = Mg : l'attraction terrestre qui accorde, au contact "roues-sol" sa capacité de guidage, l'adhérence. M étant la masse du véhicule et g l'accélération du pesanteur. y2
F=M- : la force centrifuge qui, dans les trajectoires circulaires, tend à faire sortir le R véhicule de la bande de roulement. R étant le rayon de la trajectoire et v la vitesse du véhicule. - les forces internes au véhicule: 1 = M r : l'effort de traction ou de freinage imprimé au véhicule pour susciter le mouvement ou l'arrêt. A l'instant t, l'état du mouvement du véhicule est caractérisé par sa force d'inertie
Mr.
1
- les forces de réaction à l'interface "sol-pneumatique" : N, L et T : les réactions du sol sur les pneumatiques dont les composantes tangentielles (longitudinales et transversales) assurent et contrôlent le déplacement du véhicule.
Figure IV2 : Forces exercées sur un véhicule en mouvement. La conception de la géométrie de la route doit être telle qu'elle évite, compte tenu des performances des véhicules (vitesse, adhérence des pneumatiques ... ) et de la qualité d'adhérence des revêtements:
38
T
- une rupture de l'équilibre transversal en courbe - des accélérations résiduelles - des variations brutales d'accélération (Iongitudin~ ' au confort des usagers.
al Le déversement des chaussées en courbe:
SI.>
La force centnfuge, définIe plus haut, tend à faire déraper le courbes. Le déversement de la chaussée vers l'i ntérieur de la courtà la pesanteur un rôle actif, la composante du poids parallèle au pl. alors compenser partiellement la force centrifuge. La résultante des centre de gravité du véhicule s'exprime par:
v2
.
r = M -cosd - Mgsmd .......... (1) R "d" est l'angle de la chaussée par rapport à l'horizontale: dévers.
P
F~M
P~M
____ .P cosd
v' IR ________~d_______ ~P~~_M~~ _____
Figure IV.3 : Dévers de la chaussée. On pourrait songer à contrer complètement par le dévers l'effet de la force centrifuge, en annulant r. A titre d'exemple, pour v ~ 140 km/h et R ~ 1 000 m, "d" devrait être dimensionné à 16% ce qui serait inadmissible pour les véhicules lents et dangereux en temps de pluie. On ne peut donc jamais compenser la force centrifuge par la seule action du dévers. C'est alors la propriété du contact "chaussée-pneumatique" qui permet de mobiliser les réactions tangentielles complémentaires. Le dévers, exprimé en %, est souvent inférieur à 7 % (d < 0,07 rad), d'où sin d # tg d # d et cos d # 1. L'équation( 1) devient alors: v' r ~ M -- - Mgd (2) R v'
Le terme (R - gd)est équivalent à une accélération (transversale). Pour le confort de l'usager, cette accélération doit être introduite progressivement. Nous parlerons alors de courbure progressive et de dévers progressif
bl Elasticité et déformation du pneumatique. La Dérive du pneumatique: La dérive d'un mobile est une notion qui nous est familière: soumis à des actions normales à leur direction de marche, les mobi les "dérivent" glissent latéralement, (dérive des nageurs, des bateaux, des avions, des skieurs .. ). Le pneumatique présente un comportement identique. 39
Chapitre IV : Les traces et les normes géométriques
Pendant le mouvement de rotation, sous l'action de la force transversale, la oénératrice médiane du tore qui forme '"l'enveloppe, se déforme au passage dans l'aire de contact Cette déformation étant faible à l'entrée dans l'aire de contact, elle s'amplifie vers l'arrière car le matériau élastique cède progressivement sous la poussée qu'il reçoit Les défonnations étant plus grandes à l'arrière de l'aire de contact, les réactions transversales élémentaires y sont plus fortes: la réaction totale ne passe donc plus sous le centre de la roue, mai s forcément en arrière. Figure lVA : Déformation du pneumatique. Le pneu en dérive est donc soumis, non seulement à la rés ultante T (définie plus haut ) mais aussi à une torsion qui explique l'obliquité de la surface de contact Le pneumatique n'appréciant pas cette torsion, le couple (F, T ) dit couple d'auto alignement tend à fàire tourner le plan équatorial du tore dans le plan vertical de F. Si l'on veut maintenir la traj ectoi re du centre de l'aire de contact telle qu'elle existerait en l'absence de force transversale, il faut exercer un couple d'axe vert ical éga l au couple d'auto alignement et incliner le plan équatorial de la roue d'un angle ex par rapport au plan vertical qui passe par la trajectoire fixée: manœuvre similaire à celle du pilote qui , pour conserver son cap, "met en dérive" son avion.
N et T étant les sollicitations instantanées d'une roJe (respectivement vert icale et tangentielle transversale), on a la relation : T = kexN (3) ex : angle de dérive et k : coefficient d 'envisage.
T
On retrouve la relation classique de la mécanique frottement
f N, où f est le coefficient de
cl Conditions d'équilibre dans les courbes: Considérons l'essieu arrière du véh icule, form é d'un axe reliant deux roues. Le système à cinq équations suivant définie l'équilibre de cet essieu: fi gure IV.S.
\h
NI
Ti
.....
P=Mg ····-I-·~·
i
Figure IV.S : Equi libre d'un essieu. 40
.,
T Chapitre IV : Les tracés et les normes géométriques
NI+N2=Mg+Fd Tl + T2 = F - Mgd Tl = K( N I T2 =K( N2 Mgb = (F - Mgd) h
Cette équation exprime le non renversement.
A partir des équations d'équilibre, nous pouvons établir la relation liant les caractéristiques spécifiques R et d de l'infrastructure.
v'
ka
=
Tl
NI
--d gR v'd 1+gR
= T2 = Tl + T2 = F - Mgd N2
NI + N 2
Dans les cas les plus courants, on peut négliger le v' R --- - g(d+ka)
ou
Fd+Mg
terme(;~J, d'où: R
v'
g(d+j,)
............. (4)
ft : étant le coefficient de frottement transversal et "d" exprimé en pourcentage.
dl Comportement longitudinal - Le freinage .Le freinage des véhicules actuels est réalisé par l'action du frottement des garnitures des freins . sur les tambours ou les 'disques de freins , et du frottement du pneumatique sur la chaussée. Le frein fait naître autour des axes des roues un couple qui mobilise au contact "roueschaussée" des réactions tangentielles grâce à l'adhérence des pneumatiques et de la chaussée. Nous avons la relation suivante entre l'effort normal 1N sur la chaussée et l'effort tangentiel longitudinal L : L = fl N (5) où fI est le coefficient de frottement longitudinal. Les constructeurs de véhicules limitent la valeur possible du couple de freinage, de façon à éviter le glissement dans les conditions moyennes d'état de chaussée et de pneumatique (AB.S.). En fait, la valeur fi est essentiellement fluctuante: Tableau Iv'2.
Etat de la chaussée ru..E1leuse et sèche rugueuse et mouillée Mouillée lisse-mouillée Verglas - Boue
Etat du pneumatique bon bon usé usé usé
Plage du coefficient f. 0,8 à 0,9 0,6 à 0,8 0,3 à 0,4 0,05 à 0,1 0,05 à 0,1
Tableau IV.2 : Coefficient de frottement longitudinal.
41
ChapÎtre IV : Les tracés et les no rmes géométriques
Signalons que les valeurs du coefficient de frottement dépendent aussi de la vitesse du véhicule et des conditions atmosphériques. La valeur de ce coefficient peut tomber même à 0 lorsque de mauvaises conditions de drainage entraînent de part la présence d'une hauteur d'eau importante sur la chaussée, l'hydroplanage du pneumatique : figure IY. 6.
B ZOne de transition Pneumatique en hydroplanage La zone A s'est étendue à toute l'aire de contact.
Pneumatique roulant sur chaussée mouillée en adhérence partielle A zone de film d'eau continu C zone de contact sec.
Figure IV.6 : L'hydroplanage du pneumatique. D'autre part, le freinage est rendu plus délicat par le problème du blocage d'un essieu avant l'autre, ce qui provoque la perte de contrôle du véhicule pour une décélération inférieure à "fi gH L'action des freins est en effet proportionnelle à la charge instantanée de chaque essieu. Or, pour un véhicu le à traction avant classique, le rapport avant-arrière peut facilement passer de 60/40 à 40/60 suivant que le véhicule est à vide ou en charge. En plus, en courbe, sous l'effet de la force centrifuge, il y a un transfert de charge de la roue Mg h ( cf. IV.2. I.c). intérieure vers la roue extérieure pour un même essieu. 6P ~ b( F Mg
-dl
l
Pour évaluer la distance de frei nage Dr on peut considérer que la force vive du véhicule est progressivement annulée par le travail des efforts de cisaillement dans la surface de contact pneumatique chaussée:
DJ
fr· al = 1m v
2
o Où:
L~
fi N
ce qui donne:
N~
mg
avec m : masse du véhicule
DJ
fJidl o
2g
En prenant en compte la grande dispersion des valeurs de fi , et en faisant l'hypothèse d'un freinage nécessaire moins énergique en courbe, les normes retiennent les valeurs suivantes : tableau IY.3 . La longueur le freinage n'étant pas la distance d'arrêt qui inclut en plus le délai de réaction du conducteur.
42
Chapitre IV : Les traces et les normes geometriques
Vitesse Alignement
kmlh fLadmis freinage (m)
40 0,46 15
60 0,46 35
80 0,42 60
100 0,38 105
120 0,34 170
140 0,31 250
courbe
fJ admis
0,37 20
0,37 45
0,34 75
0,30 125
0,27 220
0,25 313
freinage (m)
Tableau IV3 : Coefficient de frottement et longueur de freinage en fonction de la vitesse.
el Comportement des véhicules en rampe - véhicules lents .La situation d' un véhicule entreprenant une montée en rampe peut être schématisé par la figure VI? D est la portée de la rampe, Ci sa déclivité et m est la masse du véhicule, v est la vitesse initiale du véhicule et 0' sa réserve d'énergie avant la rampe. vi est la vitesse finale du véhicule et 8r sa réserve d 'énergie après la rampe. Nous avons:
~m(vl' 2
v') = (ç -
if)- MgDsina
Figure IV.7: Véhicule en montée. Remarquons que pour avoir une vitesse finale sensi1:jlement identique à la vitesse initiale, il faut que le véhicule ,dispose d ' une réserve d 'éne'rgie suffisante pour contrer le terme (MgDsina) ce qui n'est pas le cas pour tous les véhicules (véhicules lourds ou lents, ... ). La déclivité maximale en rampe est fixée à partir des caractéristiques dynamiques des véhicules (poids lourds) et du niveau de service affecté à chaque catégorie de route (Autoroute, R.N., etc ... ). Les normes retiennent les valeurs suivantes: tableau !VA. Vitesse 1 Pente 1
km/h maximale %
40 8
60
7
80 6
\00 5
120 4
140 4
Tableau IV.4 : Pente maximale en déclivité en fonction de la vitesse. La présence, sur une même chaussée, de véhicules ayant des vitesses très différentes est source de gène et d'accidents. Ainsi l'Autoroute exclue tout véhicule ayant une cylindrée inférieure à 100 cm l , à fortiori donc, l'animal ou le piéton. Le poids lourd, tout en n'entrant pas dans ces catégories, atteint selon les déclivités rencontrées sur un itinéraire, des vitesses très variables. Bien que le parc soit très hétérogène, . quelles que soient les puissances massiques et la qualité des boites de vitesse, le poids lourd . est très sensible aux rampes. 43
Chapitre IV : Les tracés et les normes géométriques
A titre indicatif, la vitesse d'un poids lourd est réduite de 23,4 km/h après une rampe de 6% de plus de 600 mètres; elle est réduite de 32,4 km/h après une rampe de 4% de plus de 800 mètres et elle est réduite de 50,4 km/h après une rampe de 2,5% de plus de 1 300 mètres. Les circulaires prévoient donc une voie suppléinentaire pour véhicules lents dans les sections en rampe, lorsque leur longueur et leur déclivité sont telles que la vitesse des véhicules lents dans la rampe est réduite à moins de 14 mis (50 km/hl. L'aménagement de telle voie doit faire l'objet d'une justification économique (calcul avantages - coûts). ry.2.2 Le Sous-Ensemble "Conducteur-Véhicule" : L'automobiliste "fait corps" avec son véhicule. Toute impulsion donnée au véhicule (arrêt, accélération, rectification de trajectoire) par l'intermédiaire des organes de transmission (freins, accélérateur, volant de direction) résulte toujours d'une information, soit visuelle, soit auditive. Sur la route, l'automobiliste garde toujours la charge des responsabilités fondamentales : synthèse des informations, décision et intervention. Les informations visuelles (perceptions de l'évolution du tracé) que nous soulignerons en examinant le sous-ensemble "conducteurroute" sont complétées par des perceptions de tout le corps : efforts exercés, accélérations subites, bruits du moteur, crissement des pneus ... La seule prise en compte du véhicule ne suffit donc pas à définir les situations concrètes. Les décisions du conducteur relèvent, à la longue, du réflexe conditionné. Cependant, le temps de "perception-réaction" qui s'écoule entre la saisie de la donnée et l'action du pied ou de la main, diminue sensiblement les performances intrinsèques du véhicule même si elles sont très évoluées. C'est donc la capacité du couple "conducteur-véhicule" qui instaure les conditions de sécurité. Ainsi les caractéristiques géométriques (dégagements latéraux, rayon minimum des courbes en point haut) assurant la visibilité sur obstacle au sol seront calculées, non sur les longueurs brutes de freinage indiquées dans le tableau IY.3, mais sur des longueurs incluant la distance parcourue pendant le temps " t" de "perception-réaction". On définit ainsi la distance d'arrêt Da: Da=Df + v. t Les normes imposent les valeurs suivantes pour le temps de "perception-réaction" : t = 1,8 secondes pour les vitesses inférieures à 100 km/h t = 2 secondes pour les vitesses supérieures à 100 km/h
Ce temps de "perception-réaction" s'entend pour un véhicule en bon état et un conducteur moyen dans des conditions psychiques et physiques normales. Il est très influencé par des facteurs psychologiques difficilement saisissables tels que la fatigue, l'âge, l'agressivité, ainsi que par des agents extérieurs tels que l'alcool , les médicaments, les conditions climatiques et l'effet de la monotonie.
44
Chapitre IV : Les tracés et [es no rmes géométriques
IV.2.3 Le Sous-Ensemble "Conducteur-Route" : L'attention visuelle est le lien immatériel qui place, comme le bord de la roue sur le rail ou l'aiguille du Pick-up sur le microsillon, le mobile dans sa trajectoire. L'automobile se distingue d'autres modes de transport par le fait qu'elle n'est pas asservie organiquement à une trajectoire imposée comme c'est le cas pour le rail. Le guidage, par les forces de contact "roues-sol" fait usage de deux variables spatiales, la fixation de la trajectoire résultant de l'information visuelle du conducteur. D'autre part, il est difficile de définir de façon precise les paramètres physiques qui interviennent dans la notion de confort, laquelle varie fortement selon les personnes, les véhicules et les situation. Sur la base de nombreuses expériences et observations, nous pouvons retenir qu' au-delà des seuils suivants d'accélérations, le confort d'un passager assis n' est plus assuré: - accélération longitudinale (yl)max = là2 rn/s2 - accélération verticale (yv)rnax =0.8 rn/s 2 - accélération transversale (yt)max =0.8 à 1.5 mls 2 Signalons aussi que le même passager assis ne sent pas la variation de l'accélération transversale lorsqu'elle est inférieure à 0,3 mls 2/s accepte cette variation quand elle est de l'ordre de 0,5 mls 2/s et ne le supporte pas lorsqu'elle dépasse 0,8 mls 2/s. Ces valeurs sont sûrement des résultats empiriques et sont d'une utilité évidente pour la suite du chapitre.
al Le champ de vision - la distance de perception: champ de vision est l'espace à l'intérieur duquel un conducteur peut observer ùn obstacle ou une situation particulière et adapter sa conduite à cette observation. L'étendue de ce champs de vision varie en fonction de la vitesse du véhicule, l'attention se portant plus en avant lorsque la vitesse augmente, alors que la largeur de la zone observée diminue figure IY8. La formule empirique suivante peut être utilisée:
O (m)
400
- --;- -- ~---: --- i-- 7
300
- -- ~- -- i -- -i ,..7 ·
200
- --i---77~
100
: / ---V
l
:
:
:
D pmax = 12 . v
Y'
/
'
- - - i 0ptmn
f
_ _ ...,...
r
-0-~_--L'- - - 'c--',,---"'--
20
1
:
Op ma:.;
40
60
80
(ven mis) 1 Figure !V.8 : Champ de xision en fonction de
45
100
_. V Ikmlh\
la vitesse
Chap itre IV : Les tracés et les no rmes géométriq ues
Des recherches all emandes ont montré qu'à une vitesse d'environ 100 km/h, le conducteur moyen contrôle de façon soutenue la section de route qui se situe à moins 150 !Tl devant lui , qu'il réagit à une distance d'environ 300 m au maximum lorsque la situation le demande et qu'il porte régulièrement son regard jusqu'à environ 750 m. Cette distinction entre la zone d'observation soutenue, la zone de perception et la zone d'observation périodique est importante pour l'étude d'un projet routier: figure IV .9.
['l,ldi,;t I,m)
ao0l-----,_--,_-,_,-_== 1Obs~ r::<;!t,)n périodIque iüO
000
1
500
40°1 300 200 100
Figure 1Y.9 : Di stances de perception et d'observation en fonction de la vitesse. Ces considérations trouvent le ur expression concrète à l'intérieur des trois thèmes suivants: - visibilité de prem ier plan - guidage optique à moyenne distance - cohérence interne d'un itinéraire.
bl La visibilité de premier plan: Les normes considèrent qu'un obstacle de 15 cm de hauteur est une référence particulièrement significative car il est assez volumineux pour mettre en danger le véhicule et il est aussi assez réduit pour n'être détecté que trop tard, surtout si la)géométrie de la route réduit la visibilité. L'œi l du conducteur est supposé placé à 1 mètre au dessus de la surface de la chaussée et un véhicule qui roule en sens inverse est supposé avoir une hauteur de 1,20 m. La visibilité offerte sur un itinéraire doit permettre à l'automobiliste de s'arrêter sur un obstacle de 15 cm de hauteur et d'effectuer, sur des chaussées bidirectionnelles à 2 ou 3 voies, une manœuvre de dépassement ou tout au moins de l'interrompre à temps, si nécessaire. Les masques qui limitent la visibilité sont, soit transversaux (talus de déblai , relief, constructions à l'extérieur de la plate-forme ), soit longitudinaux (courbe convexe, courbe concave la nuit, puisqu'elle limite la portée des phares). La visibilité transversale est traitée dans le paragraphe dérase ment en tracé en plan, et la visibi lité longi\udinale dans celui du profil en long.
cl Le g,uidage optique à moyenne distance : Le guidage o~tique à moyenne distance est assurée grâce à une bonne coordination entre le tracé en plan de la route et son profil en long. Ce thème fait l' objet d'un paragraphe à part au IY.3.2.b. 46
r'
Chapitre IV : Les tracés et tes normes géométriq L
Au début de l'étude, le tracé en plan est limité à l'axe en plan. Ce dernier est détermil graphiquement sur un fond topographique (échelle 1/2000 ou plus ) comportant: - le carroyage Lambert (abscisse et ordonnée du tracé) - les courbes de niveau - le parcellaire - les détails géographiques (rivières, routes existantes, .. ) - les construction de toute sortes - les réseaux aériens et souterrains. On commence par établir la polygonale de l'axe, puis on procède aux différent raccordements (circulaires ou progressifs). Il est souhaitable d'établir une esquisse du profi en long pour s'assurer de la faisabilité du projet. La conception et le calcul de l'axe doivent tenir compte des éléments astreignants du sit. (coordonnées de l'origine et de l'extrémité du projet, raccordement à la voirie existante e coordonnées des points de passage obligés) pour permettre son implantation sur le terrain. L' axe en plan est alors calculé, en définissant les caractéristiques du ses divers (droites, cercles et courbes de transition).
élément~
Les normes fixent les règles relatives à la construction de ses différents éléments en prenant en compte la sécurité des personnes et des matériels transportés. 1
•
!.
al La polygonale: C'est la succession des différents alignements droits de l'axe en plan. L' intersection entre deux segments successifs constitue un somme~ S; de la polygonale. On détermine ainsi: - les cordonnées en plan des sommets S; (x;, y;j - les angles au sommets : Œ; - les distances entre sommets : S; S;+I
bl Les rayons minimums horizontaux: v'
La formule (4) R~ g(d+ j,) du Iv'2.l.c donne la relation entre le rayon de courbure, la vitesse, le coefficient de frottement transversal et le dévers. En fixant un dévers maximum et en admettant que le coefficient de frottement transversal ne peut dépasser certaines valeurs jugées dangereuses et inconfortables nous pouvons calculer, pour une vitesse donnée, la valeur du rayon correspondant. Ce rayon, calculé pour des valeurs des paramètres physiques que nous nous interdisons de dépasser, est le rayon minimum absolu horizontal RHa. En plus de ce rayon minimum absolu calculé pour une certaine vitesse et un dévers maximal, les normes prévoient deux autres rayons minimums en plan : le rayon minimum normal RHn calculé comme le rayon minimum absolu pour une vitesse supérieure de 20 Krn!h, et le rayon non déversé RH' calculé pour un dévers nul.
48
Chapitre IV : Les tracés et les normes géométriques
Le tableau IV.5 donne les vale urs des rayons minimums absolus e,n plan en fonction de la vitesse et en fonction du coefficient de frottement transversal qUi depend aUSSI de la vitesse. Le dévers maximal retenu est de 7 %.
Vitesse kmIh ft RHa (m)
40 0,25 40
60 0, 15 120
80 0, 11 3 240
100 0,1 1 425
120 0, 10 665
140 0,09 1000
Tableau lV.5 : Rayon minimum abso lu en plan
cl Le raccordement progressif en plan: Un rai sonnement théorique simpliste amènerait à conclure que le véhicule quittant un alignement pour entrer sur un;;, courbe circulaire adjacente subirait une variation instantanée \. d'accélération transversale de (- - gdj . R Dans la pratique, l'automobiliste utilise toute la largeur de sa voie de circulation (voire de la route) pour "négocier" son virage. En fait, il se définit ainsi une trajectoire à courbure progressive qui répartit, sur une certaine longueur, la variation d'accélération transversale. Si cette démarche est intuitive c hez le conducteur averti, e lle peut être soit absente, so it mal conduite chez le néophyte. Par ailleurs, le passage du dévers normal en alignement (da # 2,5%) au dévers nécessaire dans l'arc de cercle (7 %) ne doit pas se faire brutalement pour éviter une instabilité supplémentaire : figure IV. IO.
en plor,
Figure IVI 0 : Effet de la variation brutale de la courbure.
C'est pourquoi les nonnes prévoient des raccordements à courbure progressive entre une courbe circulaire et un alignement droit.
49
Chapitre I V : Les tracés et les normes géometriques
D'autre part, un arc de c1othoïde trop long peut empêcher le conducteur de percevoir visuellement le début de l'arc de cercle et évaluer son rayon de courbure. On admet ainsi que A,,;R. En définitif, nous avons:
- Condition de confort dynamique : La variation de y, supportée par l'organi sme est présentée au début du paragraphe IY. 2.3. Les normes limitent la variation d'accélération transversale à Ya ~ g/50 m/s2/s. Nous avons donc :
oy; <. r -
ot
Or :
v2
J1 = - - gd , RL = A2
R
0
(V'I
2
et L = vi
)
aY, a v L a v' ad al= al( A2 -gd)= al A l -gd = Al - gal
aY, v1 ad -:<:;yo=>, - g - :<:; y o=> A ;::: al Aal ad Of
adJ v,( y o+ gal
est obtenue de la condition de gauchissement.
- Condition de gauchissement de la chaussée : Elle correspond à la limitation de la variation du dévers à 2% par seconde de parcours à la vitesse de référence de calcul de l'itinéraire: = 2% / s
ad 5t
Des trois conditions citées, c'est généralement la condition de gauchissement de la chaussée qui est prépondérante.
cA/Autres cas de raccordement progressif: Si l'usage le plus courant de la clothoïde est d'assurer la ·ransition entre une droite et un cercle, elle permet aussi d'autres combinaisons telles que :
52
Chapitre IV : Les tracés et les nonnes géométriques
y
x
r:'~ "
, ~ ~
o
.,-
La cuuroe a ::;ummet,
La courbe en " S", la plus usuelle, en utilisant un arc de clothoïde centré sur le point d' inflexion. y
"-
/
/
"
0'
Pl
o
L:UnSLlLuet!
de deux arcs de clothoïde tangents en un point de même courbure.
J / ~/
ç:o)
Pl
'7
o
x
La courbe en "e", constituée de deux arcs de clothoïde tangent en un point de même courbure et raccordant deux arcs de cercles sécants ou extérieurs l'un à l'autre.
L' Ove, arc de clothoïde raccordant deux arcs de cercle, dont l'un est intérieur à l'autre
IV.3.2 Le profil en long : Le profil en long est le développement de l'intersection de la route avec un cylindre à génératrice verticale passant par l'axe de cette dernière. Les normes fi xent les règles relatives à la construction de ses différents éléments (pente, rampe, rayon de courbure, etc ... ) en prenant en compte la sécurité des personnes et des matériels transportés. La recherche d' un projet de profil en long, fonction du tracé en plan, intègre les données que constitue la situation réelle du site: variations topographiques, cours d'eau, présence de zones urbanisées (protection acoustiques), équipements industriels divers (lignes . électrique, gazoduc), etc ... Ce profil en long ne pourra être définitivement arrêté que lorsque la position et la forme des carrefours auront été étudiées. Le profil en long « projet » ne suit pas nécessairement le profil en long du terrain naturel , les exigences de la circulation amènent généralement à dissocier localement la route du terrain, en créant des déblais (route en contrebas) et des remblais (route surélevée). Sur les routes modernes, le profil en long se compose de d"oites (les pentes et les rampes) reliées par des raccordement circulaires ( qui sont en fait des raccordements paraboliques). 53
Chapitre IV : Les tracés et les nonnes géométriques
_ la bande cyclable ou la pi ste cyclable pour les deux roues. La bande cyclable est intégrée à la chaussée d'origine moyennant une sur-l argeur et la piste cyclable est à chaussée séparée. - le trottoir pour la circulation des piétons. La route peut être à chaussée unique ou à chaussées séparées construites sur une même plateforme ou sur des plates-formes distinctes. La séparation des chaussées est assurée grâce à des terre-pleins. Le terre-plein est dit central s' il est entre les deux chaussées d ' une route à double chaussées. 11 peut avoir un triple rôle : la séparation des courants, le drainage des eaux pluviales et la protection de l'environnement par des plantations. Le profil en travers type d' un tronçon de route est déterminé par le projeteur sui vant la catégorie de la route, l' importance prévue du trafic, la nature du sol de fondation et les matériaux à mettre en œuvre : fi gure IV . 14. 8.JO
l."
Voies e circuf lion ~
2
"
,,-~··~:,:.s};;·;"t;; ".'~: ";:;'~h~Î:'i.;' .~;:~:-'\' .~'.:.,.
_Twill..fialureL _ _ _
J.'p
a.JO
?n
"'Y;:t:, ·~.i:\..·,,~.;\·.f:-:-; :;:,~~ ,·;-i\~·~;~ f',l; ~"'."i" ~ 1
•
?
Fossé
"1 '"~ Figure IV. 14 : Profil en travers type pour une route nationale Les profil en travers particuliers comportent les relevés du terrain naturel et les profils du projet. La côte du projet dans l' axe et toutes autres côtes du projet nécessaires au calcul (caniveaux, bords de chaussée, limite de plates-formes, etc ... ) doi vent être indiquées sur le dessin. La pente des talus est fonction de la nature du terrain, on peut choisir une pente de 3/2 en déblai et en remblai à défaut d' autre indication précise. Les profils en travers particuliers sont nécessaires pour;la délimitation des emprise et pour le calcul des cubatures. On choisira en général, des profil s en travers équidistants espacés de 20, 25,30 ou 50 mètre, selon le site traversé et la plus ou moins grande régularité du terrain. Cette éq uidistance permet d' avoir une longueur d'application constante.
bl visibilité transversale et sur-largeur dans les courbes: La visibilité transversale dépend, à la fois du rayon de courbure en plan et de la largeur de la plate-forme. Il est donc toujours nécessaire de contrôler que le dégagement latéral est suffisant pour assurer, soit la visibilité à la distance d'arrêt en courbe, soit à la distance de manœuvre de dépassement (définies au IY.2.3 .b). Un talus mal décapé ou un ouvrage mal implanté peu affecté la visibilité du conducteur en cachant un'obstacle sur la chaussée ou un véhicule venant en sens inverse.
56
Chapitre IV : Les tracês et les normes géométriques
D' autre part lorsqu'un véhicule de longueur .P circule dans une courbe de rayon R, il occupe une large ur plus grande que sur l'alignement droit. En effet, compte tenu de l'empattement du véhicul e, les roues arrières n'épousent pas exactement le tracé de celles de devant. Il en résulte la nécess ité d'une sur-largeur de la chaussée dans un virage. Les normes limitent l'adoption des surlargeurs aux rayons inférieurs à 200 m.
'
...
./ ./ .,/
D' après la figure IV. 15, la sur-largeur e est:
.
r.L! e = -J(J?'+ L') -Ii = fI(~(1 +Rz") - J)
i
R
~------ --_. -- ~ -- .
On en déduit aisément que la valeur théorique de cette sur-largeur est de :
Figure IV. 15 courbes.
y!2/ 2R.
Sur-largeur dans les
cl Dimensionnement des profils en travers .Il est recommandé de distinguer le dimensionnement des profils en travers en rase campagne de celui des profils en travers urbains. Le dimensionnement en rase campagne peut se ramen~r à la détennination de la géométrie du profil (large ur des accotement, existence ou non de b!Ïnde d'arrêt, largeur du T.P.c. éventuel, etc ... ), au choix du nombre de voies et à la détennination de la largeur de chaque voie. Les nonnes laissent au projeteur une certaine latitude dans la détennination de la géométrie du profil en travers. Le choix du nombre de voies dépend des résultats du calcul de rentabilité basé sur le calcul du bénéfice actualisé du projet. Il s'agit de définir des seuils de trafic reliés au nombres de voies préconisés. Ces seuils de trafic sont appelés "capacité économique" du projet. Nous renvoyons le lecteur au chapitre III où la relation entre l'étude de la circulation routière et le nombre de voies dans un profil en travers est développée. Le dimensionnement des profils en travers urbains est plus compliqué et nous conseillons le lecteur de consulter les ouvrages spécialisés.
Le tableau lY.6 montre un extrait récapitulatif des nonnes leTARN.
57
Chapitre IV : Les tracés et les norme s géo mét ri ques
cl Les types d'exploitation " Un carrefour peut être à exploitation libre ou suivie, L'exploitation est dite libre s' il n'y a pas de signali sation, c'est le cas en rase campagne. Si l' exploitation n'est pas libre, elle est régie par des feux de signalisation. En zone urbaine, les carrefours plans, dénivelés ou les diffuseurs peuvent être équipés de feux de signalisation, ce qui permet d 'augmenter les débits des courants en conflit dans l' intersection.
dl Les types d'aménagement : On di stingue les aménagements plans et les aménagements dénivelés. Les aménagements plans n' utili sent que deux dimensions de l'espace, les mouvements sécants ne peuvent pas être évités. Les aménagements dénivelés utilisent la troisième dimension. Il est alors possible d 'éliminer les mouvements sécants, on ne conserve que les écoulements parallèles, divergents ou convergents. La nature d'aménagement en divergence pure ou convergence pure dépend de la vitesse et de l' écoulement. dl /Aménagement en divergence pure: Lorsque la vitesse est faible , l'intersection peut ne pas comporter des aménagements particuliers. Cependant, lorsque les mouvements tournant atteignent les 200 véhicules par jour, il convient de prévoir des voies spéciales pouvant comporter une ou plusieurs files de circulation. Si les courants sont très importants, dépassant les 200 véhicules par jour, il y a lieu de canaliser l'ensemble des courants. Pour les mouvements continus à vitesse élevée, on met en place une voie de sortie ne comportant en général qu'une file de circulation (cas de la bretelle de'sortie). d2/ Aménagement en convergence pure: Si la vitesse est faible, il n'y aucun aménagement à prévoir, il faut respecter la priorité. Lorsque la vitesse est élevé, on met en place une voie dite d'insertion (voie d' écoulement parallèle) sa longueur varie de 100 à 400 m. Une voie d' insertion peut comporter deux files .
el Les principes d 'aménagement des carrefours: Le diagramme de la figure ry.17 résume la démarche d'étude d'aménagement d'un carrefour. Dans la conception d'un aménagement de carrefour, l' ingénieur doit veiller au respect des sept principes suivants: - Il faut assurer d 'excellentes conditions de visibilité entre véhicules et sur les îlots et tenir compte des distances d'arrêt en courbe et en pente. - La géométrie des carrefours doit ralentir les courants non prioritaires en particulier s'ils ont un signal d'arrêt (stop, balise, etc .... ). 60
Chapitre IV : Les tracés et les normes géométriques
- Il faut imposer aux véhicules des cisaillements à 90° car on aura des conditions de vi sibilité et d'appréciations des vitesses nettement meilleures.
- Il faut prévoir une zone d ' abri pour les véhicules non prioritaires à l' approche immédiate d ' un point de conflit (couloi r de décélération ou d ' insertion) - Il faut séparer les points de conflits pour accroître le débit d'un carrefour - Il faut rendre aisés les mouvements permis et rendre difficiles ou impossibles les manœuvres indésirables ou interdits. - Il convient de bien signaler le carrefour (panneaux et peinture au sol) et de vérifier que la signalisation adoptée est cohérente avec le principe retenu pour l' aménagement du carrefour Analyse du trafi c 1
1
1
Diagramm e du trafic 1
:-o ui
Exi stencé de trafic d'échange
1
('~'é!liVeler
Route principale
1
-
"
1
~
Carrefour dénivelé
.
)
,
tersectJ ona ruveau..----_/
---
-L---------.Jl
~,
Supprimer
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Dénivelé ou non
Dénivelé
n~li ~
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-----
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--'I
L - -_ _ _
non 1
/----~. / ('arref our au ' \, ( ~ ' -. ::: 01 sans feux .// ~--.-----------_._------
Figure [YI7: Démarche d etude d ' un carrefour
f / Cas particulier des échangeurs .' Un échangeur peut être la combinaison de bretell es élémentaires: figure IYI8 . Il Y a quatre types bretell es élémentaires: bretelle directe à droite, boucle (bretelle semi -directe), anse (bretelle semi-directe) et bretelle directe à gauche. 61
Chapitre V : Le drainage routier
Introduction: Dans ce chapitre, nous traitons le phénomène d' interaction entre l'eau et la route. Nous essayons d'analyser les sources de provenance de l'eau vers la route, les effets. négatifs de cette eau sur le comportement de la route et les moyens que l' ingénieur doit prévoir pour préserver à la route un niveau minimal de fonctionnement. Les eaux de ruissellement proviennent, soit des bassins versants extérieurs à la route, soit de l' enceinte routière proprement dite (voie de circulation, accotements, talus, ... ). La présence d'eau en quantités exagérées sur la surface de la chaussée provoque: - la rupture de l'équilibre de l'entité « route véhicule conducteur» déjà introduite dans le précédent chapitre. - des projections d'eau et de boue gênant les usagers et les riverains de la route. Ces projections sont souvent observées sur des chaussées mal drainées et présentant des zones de stagnation d'eau (mauvaise coordination entre le profil en long et le profil en travers .... ). Les eaux stagnantes sur la chaussée sont d'autant plus dangereuses qu'elles deviennent polluées. Les polluants ont pour origine l'usure de la chaussée, l'usure des pneumatiques et les émissions liées aux gaz d'échappement. - le désomobage du revêtement. En effet, pour les produits noirs, de manière générale, le pouvoir mouillant de l'eau sur les granulats solides est supérieur à celui du liant qui est un liquide a viscosité élevée L'eau arrive ainsi à se substituer au liant à la surface des granulats: c'est le désemobage du granulat. L'eau, par ce mécanisme, provoque une perte de résistance mécanique de la couche liée parce que les granulats ne sont précisément plus liés. L'eau pénètre dans le corps de chaussée suivant plusieur~ chemins :
,
- par percolation à travers la couche de roulement suite à la fi ssuration et au faïençage de cette dernière - par infiltration sur les côtés: l'eau vient des accotements en se déplaçant horizontalement. Ce phénomène est très fréquent mais à débit moins important. Le mauvais fonctionnement du réseau de drainage en est la cause principale. - par remontées capillaires en provenance de la nappe phréatique. La fonction de la chaussée est la transmission des efforts verticaux et tangentiels engendrés par le trafic sans déformation notable, la chaussée a donc un rôle mécanique qui. impose à ses constituants certaines propriétés en relation avec leur position dans la structure. L'augmentation de la teneur en eau des matériaux des couches de la chaussée et du sol support entraîne la baisse de la portance (du sol et de la structure) ce qui augmente les contraintes dans l'assise et accélère sa fatigue . Une déformation excessive du sol et des couches inférieures entraîne les phénomènes d'orniérage, de fissuration et d'affaissement. En effet la variation de la teneur en eau à un effet très important sur les caractéristiques géotechniques des matériaux non traités, sur les sols et les matériaux riches en fines. L'indice
63
Chapitre V : Le drainage rout ier
portant CBR peut chuter de plus de 90 % en passant de la teneur en eau proche de celle de l'OPM à la saturation. En considérant la fameuse relation empirique reliant l'indice CBR au modul e d'élasticité (E = 50 CBR), on peut facilement remarquer que pour un matériau sensible à l'eau, la chute du module d'élasticité est encore amplifiée pour une augmentation de la teneur en eau. En ce qui concerne la rés istance à l'usure, la présence de l'eau a aussi un très grand effet. Le Oeval sec a une va leur quatre fois plus importante que celle du micro Oeval humide. La dégradation prématurée de la route se manifeste par l'érosion et l'accumulation des matériaux, l'affouil lement au voisi nage de certains ouvrages, l'affaibli ssement du comportement mécanique des matériaux non traités, l'augmentation de leur teneur en fines argileuses (baisse de propreté), la déstabilisation des talus, ou le désenrobage des granulats par perte de liant. Dans tous les cas, il faut éviter l'arri vée de l'eau vers la plate-forme et d'y séj ourner en lui donnant un lie u préférenti e l d'éco ul ement vers un exutoire. Notre objectif est de sensibili ser l'ingénieur sur la nécessité, pour une route , de la mi se hors eau, en tout instant, de la surface et de la structure de chaussée. Ceci passe par un drainage efticace, cohérent et rationnel. Nous présentons les troi s princ ipaux éléments d ' une telle dé marche de drainage : r étude hydrologique, l' étude hydraulique et le drainage souterrain. Le quatrième paral,>Taphe de ce chapitre est consacré à la pathologie du drainage routier. Nous commençons par énumérer les causes d'un mauvai s fonctionnement d'un réseau de drainage. Nous présentons ensuite les problèmes les plus fréquents affectant les ouvrages de drainage.
V.l Etude hydrologique: L'eau est une des principales composantes indispensables pour l'équilibre éco logique de notre planète. On la rencontre souvent dans son état liquide ou solide. Son déplacement se fait sous trois fonnes différentes: ruissellement superficiel, écoulement hypodennique, ou écoulement souterrai n. Pour chacune de ces formes correspond, en état de fonctionnement normal, un domaine spécifique très bien défini et façonné à la manière de l' eau durant des dizai nes de siècles. Mais de temps en temps et en particulier lors des événements exceptionnels l'eau peut se manifester et quitte son domaine pour attaquer les obstacles naturels ou artificiels qu'elle trouve dans son chemin ou tout simplement pour explorer d'autres sites qui peuvent lui être plus favorables. Lors de ces manifestations l'eau qui est de nature « très intelligente » devient très agressive et attaque très énergiquement tous les aménagements artificiels réalisés dans son domaine et qui se présentent comme obstacles à l'écoulement. Bien que le domaine d' un écoulement soit une structure vivante qui évolue, en fonction des besoins de l'eau, selon des lois très complexes, il convient donc de le respecter et d'éviter toute tentative d'empiétement. Mais les exigences du développement et de communication ont poussé l' Homme à développer d'avantages l'infrastructure routière et à empiéter sur le domaine de l'eau. Chaque empiétement peut provoquer une réaction de l'eau dont le degré 64
Chapitre V : Le drainage routier
d'agressivité est en étroite relation avec l'importance de la perturbati on induite par cet empiétement.
Les réactions de l'eau sont donc fonction de l'adéquation des ouvrages projetés avec les exigences des écoulements. Parmi les objets principaux de l'hydrologie, la prédétermination des débits et des volumes ruisselés des écoulements de surface vient en premier lieu. Pour ce faire et au fi l des années, plusieurs méthodes de calcul et d'estimation ont été développées dans de nombreux pays et proposées à l'usage des concepteurs et ingénieurs. Des formules empi riques déduites à partir de séries d'observations plus ou moins longues, l'on a abouti aux modèles mathématiques que le développement de l'informatique a permis d'élaborer en grand nombre.
Avant d'examiner certaines de ces méthodes, il est utile de rappeler quelques concepts de base et paramètres nécessaires à la prédétermination des débits des ruissellements de surface. v. l .1 Climatologie et période de retour: Le débit d'un écoulement est la base du dimensionnement des ouvrages hydrauliques. L'erreur ou l'imprécision dans le calcul des déb its peut avo ir des conséquences néfastes sur le comportement de la route. Ce calcul doit se faire donc en tenant compte de toutes les spécificités physiques et géomorphologiques des bassins versants, des conditions climatiques et de l'expérience vécue dans chaque région.
al Le climat et de l'hydrologie régionale: Ce sont les averses qui génèrent le ruissellement de surface. Il est donc logique d'avoir une certai ne idée de la «cause » afin de mieux approcher « l'effet ».
Avant de tenter l'estimation des quantités ruisselées, par n'importe qu'elle méthode d'estimation, il faut en effet cerner les phénomè nes climatiques qui règnent dans la région du projet et connaître leurs spécificités. La pluviométrie est le meilleur indicate ur de « l'hydraulicité » d' une région et, par suite, de l'ampleur du phénomène de ruissellement qui peut y exister. D'ai lleurs, la plupart des classifications climatiques des régions se font , en premier lieu, sur la base de la pluviométrie annuelle moyenne. Citons pour la Tuni sie la classification d'Emberger qui répartit les bioclimats du pays en six catégories.
.,
Cependant, le ruissellement est en fait le résultat de la conjugaison du phénomène climatique avec l'état physique du bassin versant. C'est en effet ce dern ier qui transforme « l'impulsion » qu'est la pl uie reçue en ruissellement.
t
Or, les caractéristiques physiques du bassin versant, expnmées au moyen de certains ~ paramètres, peuvent être elles aussi régionalisées et l'on pourra classifier les bassins versants t ayant une aptitude semblable de « réponse à l'impulsion » en régions hydrologiques ~.. homogènes.
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~~. --------------------------------------------------------65
~
Chapitre V : Le drainage routier
Les paramètres morpho métriques les plus importa nts qui permettent d'approche( cet aspect sont: la nature des so ls, le couvert végétal , l'indice de pentes, l'état de l'aquifère et la fonne du bassin versant lui même. Cette double caractérisation de la pluviométrie et du bassin versant permet de situer le phénomène de ruissellement dans les conditions naturelles de sa création dans une zone donnée. La connaissance de ces conditions permet de choisir les outi ls de calcul et d'estimation adéquats et d' apprécier le degré de similitude des caractéristiques climatiques et hydrologiques pour recourir, éventuellement, à des analogies entre bassins versants pour l'estimation de leurs débits et apports. D'une façon générale, les stations météorologiques appartenant à la même région climatique que le projet peuvent fournir les données pluviométriques nécessaires aux calcul s et estimations hydrologiques. Ces données sont de différentes sortes (pluies de 24 heures, hiérogrammes des averses, courbes Intensité Durée Fréquence (IDF), ... ) et peuvent être utiles soit pour l'étude hydrologique de la zone concernée soit pour déduire les paramètres caractéristiques des averses d ' une zone voisine. La qualité de ces données dépend en premier lieu de la longueur des séries enregistrées. Seules des séries couvrant plusieurs dizaines d'années sont susceptibles de couvrir plus d'un cycle climatique et peuvent fournir des paramètres statistiques valables (moyenne, écart-type, médiane). L' attention du lecteur est attirée sur le risque qu' une même région climatique puisse contenir plusieurs microclimats. L'étude hydrologique d'un projet situé à Femana, par exemple, serait faussée en cas de recours direct aux données de la station météorologique de Aïn Drahem. En revanche, on peut déduire les courbes IDF de fernana à partir de celles de Ain Drahem en utilisant les pluies de 24 heures.
bl Période de retour: Les dégâts économiques causés par une interruption de trafic routier ont toujours présenté des valeurs considérables. Ils constituent probablement le poste le plus coûteux dans les dommages dus aux inondations après les pertes de vies humaines. Aussi, un drainage efficace, cohérent et rationnel de la route implique un dimensionnement judicieux des ouvrages de drainage. Ce qui appelle à une plus grande vigilance quant au choix de la période de retour de l'événement pluvieux. Ce choix dépend de l'importance de l'écoulement intercepté par l'ouvrage, du type d'ouvrage projeté et du niveau d'aménagement adopté pour la route étudiée. Mais de qu'elle période de retour s'agit-il? Est-ce celle du débit des écou lements ou bien celle de l'événement pluvieux qui leur donne naissance "1 Contrairement à ce que l'on peut penser, en effet, une a'terse de période de retour donnée donne très rarement un débit de la même période de retour.
66
Chapitre V : Le drain age routier
Comme cité plus haut, le débit est généré par la conjugaison de l'averse avec l'état du milieu (bassin versant) qui la reçoit. Or cet état du bassin versant peut se présenter de diverses manières pour un même événement pluvieux, de période de retour invariable: un bassin dont les versants sont majoritairement des terres agricoles ne réagit pas de la même manière selon que les précipitations ont lieu juste avant ou bien après les moissons (différents états du couvert végétal), ni de la même façon selon que les précipitations font suite à une longue période humide ou bien une longue période sèche (différents états de saturation du sol), etc. Théoriquement, on devrait dimensionner des ouvrages hydrauliques pour un débit de période de retour donnée. Mais la difficulté d'associer des « périodes de retour » aux différentes variables d'état du bassin versant fait que l'on adopte la période de retour de l'averse pour dimensionner les ouvrages hydrauliques. La plupart des méthodes de prédétermination des débits sont d'ailleurs basées sur le concept d'une période de retour du débit égale à celle de " . l'averse, seul le bon sens de l'hydrologue ou de l'ingénieur et son analyse fine des divers aspects contribuant à la fonnation du ruissellement pennettent de mesurer jusqu'à quel degré on peut admettre cette hypothèse dans les calculs. On a souvent eu tendance de penser, à tort, qu'un événement centennal ans » ne peut avoir lieu qu'une fois tous les cent ans. .
«
dé période de retour 100 "
Or, la période de retour, T en années, d'un événement n ' est autre qllel'inverse de la probabilité de son occurrence au cours d ' une année. Cette probabilité est donc.ëgale à lrr. Ainsi un événement centennal (T = 100 ans) a une probabilité de 1 % d'a~oirlieu au cours d'une année, alors qu'un évènement bisannuel (T = 2 ans) a une chilhcesurdeux d'avoir lieu au cours d'une année. Plus généralement, un événement de période de retour T a une probabilité d'occurrence en n '. années qui suit une loi de Poisson de la fonne : P(X > "j (T))= 1 _e-nrr P est de 63% pour T = 100 ans et n = 100 années, c'est à dire que la crue centennale a environ deux chances sur trois d'être égalée ou dépassée en 100 ans. communément admis pour le dimensionnement des barrages une période de retour de ans et même 10.000 ans alors que pour les routes, les valeurs du tableau V.l sont >,U'UV'Olll admises:
Selon l'importance du' cours d'eau traversé . Tableau V.l : Périodes de retour en fonction du type d' ouvrage et de la catégorie de route . .2 Méthodes de calculs des débits: ' l'absence des données de mesure hydrométrique, le calcul des débits se fait par des ou de transfonnation pluie-débit. Ces méthodes sont très diversifiées et lPri:sel1telnt chacune un domaine d'application bien défini et des conditions d'utilisation !lll~:thc)df:sempiriques
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Chapitre V : Le drainage routier
propres. Ce qui fait que l'application de chaque formule nécessite logiquement son cal age préalable en fonction des spécificités de chaque bassin versant ou à la limite de chaque région. Signalons que les résultats trouvés par les différentes formules peuvent être très différents et peuvent présenter des écarts allants jusqu'à dix fois la valeur la plus petite.
al Formules empiriques .Quand la région du projet est dépourvue de mesures hydrologiques ou pluviométriques, ces formules sont parfois les seules qui s'offrent à l'hydrologue. Les débits trouvés doivent ainsi être analysés, interprétés et «vérifiés» en se basant essentiellement sur les caractéristiques de fonctionnement des écoulements et des ouvrages et sur l'expérience dans le domaine. Les formules empiriques dérivent du modèle de Myer : (Q bassin versant, a et C des coefficients empiriques.
= C Sa),
où S est la surface du
Elaborées sur la base d'observations limitées à des régions ou des pays bien déterminés (USA, Italie, etc.), leur validité en dehors de ces régions n'est pas assurée. En Tunisie, les hydrologues de la Direction Générale des Ressources en Eau ont tenté d'ajuster des modèles similaires aux nombreuses observations enregistrées sur les oueds jaugés. Citons les formules régionales de Kallel et de Ghorbel. Les formules de Kallel soni de la forme: (Q(T) = Q. Sa Tb), où les paramètres Qo, a et b prennent des valeurs différentes selon que le cours d'eau étudié se situe au nord, centre ou sud du pays. Les formules de Ghorbel, élaborées plus récemment, prennent en compte, outre la surface, d'autres caractéristiques du bassin versant. Elles s~mt de la forme: (Q(T) = RT,Q Qm., (moy), où RT,Q est un paramètre régional dépendant de la période de retour T et Qmox (moy) le débit moyen des débits maximums d'un échantillon. Remarquons que ces formules empiriques présentent des faiblesses résultant de l'omission du facteur primordial qu'est la pluviométrie (signalée plus haut), du découpage grossier des régions, et surtout de la taille des bassins versants observés (> lOOkm2), trop grande par rapport à la taille des bassins normalement interceptés par les ouvrages de drainage routier.
bl Méthode rationnelle .Cette méthode a apporté une amélioration certaine par rapport aux formules empiriques (d' où son nom). Elle intègre l'information pluviométrique, mais suppose des hypothèses simplificatrices qui réduisent sa représentativité du phénomène du ruissellement de surface. Elle est, néanmoins la plus couramment utilisée pour le dimensionnement des ouvrages de drainage routier. Elle propose une formule de prédétermination des débits basées sur l'intensité de l'averse causant la crue: (Q = C 1 A), où C est le coefficient de ruissellement, 1 l'intensité moyenne de l'averse et A la surface du bassin versant. Le coefficient de ruissellement étant le rapport entre la pluie ruisselée et la pluie tombée. Il est donc supposé constant pendant une averse.
68
Chapit re V : Le drainage routier
L'intensité 1 est déduite des modèles: (1 = a.t b ), où t est le temps de concentration du bassin versant et a et b déduites des courbes IDF. Le temps de concentration étant le temps que met la goutte de pluie reçue au poi nt le plus éloigné du bassin versant pour atteindre l'exutoire de celui-ci. Les courbes IDF de Tunisie sont pour la plupart ajustées selon ces modèles pour différentes périodes de reto ur des averses. Les fa iblesses de cette méthode résultent de : _ l'inégalité des fréquences d'un débit et de la plui e qui le génère ( déjà évoquée plus haut) - la vari ation du coefficient de ruissellement pendant une averse (C augmente au fur et à mesure de la saturation du sol) - la variation de l'intensité de l'averse durant le temps de concentration qui lui est associé : la méthode rationnelle utilise l'intensité moyenne dans le calcul du débit alors que c'est l'intensité max imale qui est plutôt corrélée au débit, le rapport llmax est d'autant plus grand moy
que le temps de concentration devient plus grand. Ces faiblesses limitent l'utili sation de la méthode à des bassins versants ne dépassant pas quelques dizaines de km' de surface et ne présentant pas une trop grande hétérogénéité dans l'occupation du sol. La recommandation SETRA d'assainissement routier précise que les résultats de la méthode rationnell e sont sous-estimés dès que la surface des bassins versants dépasse 20 km'.
cl Relations Pluie-Débit :
c. I/ L 'hydrogrwnme unitaire : D'une façon générale, cette méthode s'applique à des bassins de constitution physique homogène vis-à-vis du ruissellement et dont la surface est comprise entre environ 2 km' et 200 km' . En effet, au dessous de 2 km' le temps de concentration est trop court pour que l'averse soit «unitaire» et au dessus de 200 km', le bassin est rarement couvert par une averse hom ogène. L'hydrogramme unitaire d'un bassin versant est défini comme l'hydrogramme de ruissellement direct résultant d'une pluie nette de 1 mm (ou de \0 mm) uniformément répartie sur le bassin et unifonne au cours d'un certain intervalle de temps. Les hypothèses de base de la théorie de l'hydrogramme unitaire proposée en 1932 par Sherman sont les suivantes : - la pluie nette est uniformément répartie dans le temps. -la pluie nette est uniformément répartie dans l'espace sur toute la surface du bassin versant. - la durée (ou temps de base) de l'hydrogramme de ruissellement direct résultant d'une pluie nette de durée unitaire est constante. 69
Chapitre V : Le drainage routier
_ les ordonnées des hydrogrammes de ruissellement direct ayant même temps de base sont directement proportionnelles à la somme des ruissellements directs dus à chaque hydrogramme. - pour un bassin versant donné, l'hydrogramlJle de ruissellement résultant reflète l'ensemble des caractéristiques physiques du bassin. Schématiquement, la mi se en œuvre de la méthode se résume de la manière suivante : - recherche et sélection d'averses de type unitaire dans l'échantillon d'observation - sélection des hydrogrammes unitaires correspondants - calcul de l' hydrogramme unitaire type du bassin, qui peut être l' hydrogramme moyen ou l' hydrogramme médian d'une série d'hydrogrammes sélectionnés - vérification de l'applicabilité de l' hydrogramme unitaire type par son application à la reconstitution de crues complexes - prédétermination de crues de temps de retour quelconques.
c. 2/ L 'hvdrogramme triangulaire: Le passage de l' hydrogramme unitaire à des méthodes plus simples du même genre s'effectue en remplaçant l'hydrogramme unitaire par un triangle, pour lequel les éléments du temps de base se calculent à partir des caractéristiques du bassin. Cette méthode simplifi ée est suffisamment précise !pour les petits bassins, elle est aussi souvent utilisée pour le traitement par ordinateur.
c.3/ Les Modèles mathémat igues: Le développement de l'informatique des dernières décennies a rendu possible la modélisation des processus hydrologiques par des équations mathématiques complexes. D'une manière générale, un modèle mathématique est constitué de de ux modules principaux: - La fonction de production qui correspond à l'équation mathématique permettant de déterminer la ({ pluie nette» ou ({ lame ruisselée » du bassin versant, - la fonction de transfert représentant l'algorithme permettant la convolution de la pluie nette. Ces deux fonctions se basent sur une représentation conceptuelle du bassin versant et des phénomènes physiques responsables de la transformation de la pluie reçue en rui ssellement. Elles intégrant donc, sous forme de codes de calculs informatiques, plusieurs équations et formul es propres chacune à l'un de ces phénomènes physiques (exemple = l'infiltration représentée par la Loi de Horton, l'évapotranspiration par la formule de Penman, etc ... ).
70
Chapitre V ; Le drainage routier
Un exemple simple de fonction de transfert est donné par l'hydrogramme unitaire de Sherman décrit plus haut.
La mi se en œuvre de ces modèles nécessite au préalable le « calage » de certains de leurs paramètres, c'est à dire l'affectation de valeurs à ces paramètres de façon à ce qu'ils soient représentatifs de la réalité du bassin versant. Ceci nécessite des enregistrements simultanés d'averses et de crues observées sur ce bassin versant. La régionalisation de certains de ces paramètres pennet souvent d'étendre l'application d'un modèle calé sur un bassin versant aux bassins versants vois ins non-observés mais présentant des si militudes climatiques et géomorphologiques.
dl Approche pratique: En pratique, pour un projet routier, on calcule aisément les débits des petits bassins versants alors que pour les écoulements importants il est préférable de recourir à des bureaux spécialisés. de ruissellement proviennent, soit des bassins versants extérieurs à la route, soit de 'eqc.eï.nte routière proprement dite (voie de talus... . l.
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-"" " Figure V. I
Nous exposerons dans ce qui suit des approches de calculs concernant des bassins versants jusqu'à 250 km 2 de surface. Au delà, le lecteur est conseillé de consulter des ingén ieurs hydrologues expérimentés (expérience du contexte Tuni sien supérieure à 7 ans souhaitée).
d. JI Bassins formés par l'enceinte de la roule (voie de circulation. accotements, lalus . .. ) On appl ique la fonnule rationnelle pour une surface S en km 2 du bassin : Q (m'/s) ~ 0,278 C I S.
Le coefficient de ruissellement C est pris égal à 0,9 pour les zones revêtues, 0,7 pour les accotement et 0,6 pour les talus en déblais ou cn remblais.
71
Chapitre V : Le drainage routier
L' intensité maximale de pluie, en mm/h, est déterminée à partir des courbe s IDF en choisissant une durée d' averse égale à 30 minutes. d. 21 Bassins versants de surface in@rieure à 25 km'
On applique toujours la formule rationnelle pour une surface S en km' du bassin:
K, étant le coefficient de ruissellement du bassin. On commence par déterminer les caractéristiques principales des bassins versants à l'aide des cartes de la Tunisie au 1/50 OOOomo ou à défaut au 1/100 000 omo. La délimitation d ' un bassin versant fourni sa surface et l'on calcule sa pente moyenne i en cm/m par la formule:
~= -VI
l
Ite-
où Lk sont les longueurs élémentaires et L la longueur totale du thalweg du bassin.
-.,Jlk
Le temps de concentration du bassin sera déterminé en minutes par la formule de VENTURA: Tc=76,Jf .
L' intensité maximale de pluie, en mmlh, est déterminée à partir des courbes IDF en choisissant une durée d'averse égale au temps de concentration T, trouvé. La principale difficulté consiste en la détermination du coefficient de ruissellement K,. il dépend de la pente du bassin, de la nature du terrain, de la couverture végétale, de la période de récurrence choisie et d' autres paramètres comme c'est déjà expliqué plus haut. Le lecteur peut adopter les valeurs du tableau Y.2 pour des périodes de retour de 5 à 20 ans avec les précautions nécessaires: . Pente
Indice de vé2étation Coefficient Kr Plus de 50% du bassin couverte de végétation 0,3 Faible (bassin en plaine) De 30 à 50 % du bassin couverte de végétation 0,4 Moins de 30 % du bassin couverte de 0,5 vé2étation Plus de 50% du bassin couverte de végétation 0,4 Forte (Bassin accidenté) De 30 à 50 % du bassin couverte de végétation 0,5 Moins de 30 % du bassin couverte de 0,6 végétation ,. Tableau V.2 .. CoeffiCIent de rUIssellement fonctIon de la pente et de 1 mdlce de vegetatIOn. Certains auteurs proposent de majorer les valeurs de K, de 10 % si l'on veut augmenter la période de retour (50 ou 100 ans). d.31 Bassins versants de surface comprise entre 25 km' et 250 km'
On propose d'utiliser la même formule rationnelle pour une surface S en km' du bassin·
72
C hapit re V : Le drainage ro utier
K, étant le coefficient de ruissellement du bassin et K, le coefficient d'abattement. Le temps de concentration du bassin sera déterminé en heures par la fonn ule de PASSINI : T, I, I
T
où L est la longueur de l'oued en km et i la pente de thal weg principal.
Le coefiicient d'abattement K, est fonction de la surface du bassin versant selon le tableau Y.3 : 25 à 50 50 à 100 100à ISO ISO à 250 0.95 0.90 0.85 0.80 : Coefficient d'abattement fonction de la surface du bassin versant.
V.2 Etude hydraulique : Les valeurs des débits retenus lors de l'étude hydrologique doivent être les plus proches de la réalité pour servir à la conception et le dimensionne ment des ouvrages de drainage. Le choix du type d'ouvrage de drainage doit être basé sur les caractéristiques hydrauliques de l'écoulement, sur les caractéristiques mécaniques et topographiques du site et sur les spécifications routières du projet en question au sein du réseau routier. Les ouvrages hydrauliques sont soit longitudinaux acheminant les eaux de rui ssell ement le long de la route, soit transversaux permettant le franchissement des eaux sous chaussée.
Figure V.2.: Ouvrages de drainage longitudinaux et transversaux.
73
Chapitre V : Le drainage routier
V.2 .1 Les ouvrages de drainage longitudinaux:
al Présentation générale : Les ouvrages longitudinaux sont les fossés revêtus ou non de différentes sections (triangulaire, trapézoïdale, rectangulaire voir même circulaire). Il permettent de collecter les eaux de ruissellement et les acheminer le long de la route jusqu' à la zone d'écoulement la plus proche. La figure Y.3 montre les types de fossés les plus utilisés: h étant la hauteur d'eau, S la section mouillée, L la distance entre les lèvres supérieures du fossé, i la pente longitudinale du fossé et x et y les pentes des talus gauche et droit du fossé.
Fossé circulaire (Cunette) Fossé lraoézoïdal
Fossé ca rré
Figure Y.3.: Différents types de fossés longitudinaux.
hl Dimensionnement des ouvrages longitudinawc .Le dimensionnement d' un fossé revient à déterminer sa forme et ses caractéristiques (h, S, L) pour une pente i donnée. Il s'agit de vérifier que polir le débit évacué Q ( déterminé lors de l'étude hydrologique) et la pente i, la vitesse d 'écoul~ment à pleine section ne dépasse pas la vitesse d' entraînement des matérialL'{ du sol dans lequel le fossé est réalisé. Si le fossé est revêtu, l' eau ne doit pas être à une vitesse qui provoque l'abrasion du revêtement. Dans la pratique, et pour aider les jeunes concepteurs, nous définissons deux coefficients pour chaque type de fossé, un coefficient de débit noté KQ et un coefficient de vitesse noté Kv. Le concepteur est appelé à vérifier pour le fossé adopté les deux relations suivantes (Q en mJ/s, i en % et v en mfs) : et Le tabl eau VA indique les vitesses limites d' entraînement des matériaux des sols couramment rencontrés. Ce tableau est donné pour une hauteur d' eau de 1 m. Pour les hauteurs intërieures, il ya lieu de minorer ces valeurs de 5 % par 25 cm. Le tableau V.5 donne les valeurs de KQ et Kv pour les fossés les plus rencontrés. La pente i étant limitée à 4 %. Pour les pentes supérieures, des dispositifs dits « brises pentes» doivent être adoptés. Nous conseillons de ne pas adopter des pentes inférieures à 0,2 %.
74
itre V : Le
. Catégorie de sol
Diamètre
éléments
Vitesse limite d'entraînement
Sables Gravillons
Cailloux
0,32 à 0,45 0,7 à 0,9 1,05 à 1,3 1,35 à 1,8
V.5 : Valeurs de
Ko et Kv pour les fossés les plus rencontrés.
75
routier
"! Chapitre V : Le drainage routier
V.2.2 Les ouvrages de franchi ssement :
al Présentation générale: Les ouvrages de franchissement permettent la traversée des eaux sous chaussée. Ces ouvrages sont répartis en trois classes: ouvrages non submersibles, ouvrages submersibles mixtes et ouvrages absolument submersibles. Les ouvrages non submersibles sont des aménagements de traversée des grands oueds. Ils doivent être conçus et calculés pour permettre le transit du débit de crue du projet sans ri sque de déversement sur la route. La vérification de la stabilité et la protection contre l'affouillement est généralement obligatoire. Les ouvrages submersibles mixtes sont composés de deux parties une partie destinée au passage des débits "faibles" et une partie aménagée pour permettre le transit du débit excédentaire. Ces ouvrages sont utilisés soit par exigence hydraulique dans le cas où il y a écoulement en permanence dans le lit de l'oued à traverser, soit par exigence routière dans le cas où le lit de l'oued est très encaissé. Les ouvrages absolument submersibles sont généralement utilisés pour traverser les petits écoulements et les oueds qui ont des lits trop larges et qui ne coulent que pendant les crues. Ces ouvrages sont de trois types : - Passage sans protection spéciale utili sé pour la traversée des petits écoulements à pentes faibles et à sol dur: le risque d'érosion à l'aval de l'ouvrage est minime. - Passage sans précaution particulière pour la structure de chaussée mais avec murs para fouilles à l'amont et à l'aval, utilisé pour la traversée des petits écoulements à pentes faibles mais à sol tendre et facilement affouillable : le risque d'~ros , ion est sérieux. - Passage avec cassis en béton, en maçonnerie ou en gabions protégé par des murs para fouilles à l'amont et à l'aval, utilisé pour la traversée des oueds à forts débits de crue: la vitesse d'écoulement pouvant engendrer des efforts de frottement dépassant la résistance admissible à l'érosion d'une structure de chaussée moins rigide que le béton.
bl Dimensionnement des ouvrages transversaux: b. J/ Les ouvrages non submersibles: Les ouvrages non submersibles les plus rencontrés sont les traversées busées et les dalots. Les traversées busées : La théorie de l'écoulement critique corroborée par l'expérience montre que le débit d'une traversée busée peut être valablement estimé par la formule : 3
Q (m /s)
~ 2
=
0,587$ H
(9')
avec $ le diamètre intérieur de la buse en m et H la hauteur de l'eau à l'amont de la buse en m.
76
Chapitre V : Le drainage routier
La revanche r à l'intérieur de la buse est sensiblement égale à : 0,415$pourH=0,8$ 0,18 $ pour H = 1,2 $.
- La pente i sur la buse doit être supérieure
à une pente critique
ic=i6~~';i (3 ,31 +2)
Les conditions d'application de la formule (8') sont: - La charge d'eau H à l'amont de l'ouvrage doit être comprise entre 0,8 $ et 1,2 $ - L'écoulement aval de la buse doit être assuré grâce à une pente de fuite suffisante: i > 1,5 % sur une longueur de 20 à 30 m
l-- -=
t
~- _ .
,---------- --------------~.,
Figure V.4 : Débit d'une buse de diamètre $. Les buses sont recommandées lorsque les débits calculés sont compris entre 0,5 et 6 m 3/s et lorsque le profil en long permet leur calage. Le diamètre minimum $min d' un passage busé est de 800 mm pour éviter le bouchage par les transports solides en crue. Les dalots: Les débits des dalots varient très largement suivant que le débouché de l'ol.!vrage encadre ou n'encadre pas l'écoulement, c'est à dire suivant que l'écoulement déborde ou ne déborde pas du lit de l'oued à l'amont du dalot. Si l'écoulement n'est pas encadré par le débouché du dalot (débordement) il s'en suit un resserrement de l'écoulement: c'est le cas le plus courant. Le débit maximum de l'ouvrage est donné
Section L x li
J
par la formule: Q=I,6LH'
--
où Q est le débit transité en m 3/s et H la hauteur d'eau à l'amont. La revanche r à l'intérieur du dalot est
....L
~-,
-
=
donnée par la formule: r=h- 2!,l . ~
La vitesse de l'eau dans le dalot est alors
l=
/
/
/ C_______ r-l
~,
/ -"--...._-
--"
~"
.b.
:I: <';.,
~--J-----------------------------
v=2,4JH.
Figure V.5 : Débit d' un dalot avec débordement. Cette vitesse ne doit pas dépasser 4 mis pour ne pas détériorer les parois du dalot. Les conditions d'application de ces formules sont:
77
Chapitre V : Le drainage routier
_ La charge H à l'amont du dalot doit être doit être comprise entre 0,8 H et 1,2 H _ L'écoulement aval du dalot doit être assuré grâce à une pente de fuite suffisante: i > 1,5 % sur une longueur de 20 à 30 m _ Le dalot doit être muni à l'amont de murs en ailes obliques . - La pente i sur la buse doit être supérieure à une pente critique ic=i· ~x ~ avec R
3i~ZH.
Si l'écoulement est encadré par le débouché du dalot, il ne déborde pas du lit de l'oued à l'amont du dalot. Le débit est donné par la formule de
Section L x h
2
KSRl.Ji
Manning- Strickler: Q = 3 où Q est le débit transité en m /s, S la section de l'écoulement en m', Rh le Rayon hydraulique en m, i la pente du radier du dalot et K une constante égale à 70.
/r--c_--~ -
=
La pente i doit être supérieure à une pente critique ic= :, (
/
y
/
i~
~ ).
'
y'
!
"
1
i
-
.
i
,
~
-
R3L Figure Y.6 : Débit d' un dalot sans débordement.
b.2/ Les ouvrages submersibles mixtes (Cassis busés) : Pour le dimensionnement des cassis de ce type on utilise généralement la formule du
., 3
-J2i
déversoir à seuil épais: Q= J.JLH où Q est le débit à transiter, L la longueur du cassis (largeur du déversoir), H le tirant d'eau sur le cassis et Il coefficient pris égal à 0,38. Notons que si le niveau aval au droit du seuil s'élève au dessus du niveau critique, la section critique disparaît et l'aval réagit sur l'amont. Le débit transité dépendra ainsi à la fois des côtes des niveaux amont et aval. Pour éviter que l'écoulement ne soit perturbé, le niveau aval H, au dessus du seuil sera inférieur à 0,82 H. Le niveau d'eau dans l'oued, avant et après le cassis est déterminé aussi e.n appliquant la 2
formule de Manning- Strickler: Q = fond de l'oued.
KSR,!.Ji
avec K égale à 30 et i la pente moyenne du
Le calage du seuil dépend donc des conditions d'inondation en amont et, de la section du lit au niveau du cassis qui conditionne aussi le profil en long de la rout'e.
78
Chapitre V : Le drainage routier
b.3/ Les ouvrages absolument submersibles (Cassis) : Pour assurer la sécurité de circulation, le calcul hydraulique des cassis se base sur l'hypothèse de limitation de la hauteur d'eau maximale sur le cassis à 30 cm. Les caractéristiques géométriques du cassis doivent vérifier la formule de Manning2
Strickler : Q = KSR} Ji où Q est le débit transité en ml/s, S la section de l'écoulement en m', Rh le rayon hydraulique en m, i la pente du radier du cassis et K une constante égale à 70.
V.3 Le drainage souterrain: VJ .1 Principe et généralités: Quand les conditions font que l'eau pénètre dans le corps de la chaussée, il faut lui donner une sortie facile et rapide. Pour atteindre cet objectif plusieurs dispositions peuvent être adoptées en plus des réseaux classiques d'assainissement routier déjà cités plus haut, à savoir des drains longitudinaux, des drains transversaux ou des couches drainantes. Les drains longitudinaux permettent de canaliser les eaux et les emmener parallèlement à la chaussée vers un exutoire. Ils doivent être reliés systématiquement à un exutoire qui peut être un ouvrage de traversée ou un talweg naturel. Il doivent avoir une pente de profil en long supé rieure à 5% au ni veau du fond. La position préférentielle de ces drains est sous le fossé. Dans le cas des fossés bétonnés, ils peuvent être mis sous l'accotement. Les drains transversaux sont nécessaires lorsque l'eau persiste sous la chaussée malgré l'existence de drains longitudinaux. Selon les conditions topographiques du site et la nature du sol support, ils peuvent être mis uniquement sous les accotements ou sous la chaussée et ses accotements.
,
Les matériaux du drain dépendent de la granulométrie du sol avec lequel il est en contact. A priori , un drain peut être constitué d'un lit de sable permettant d'éviter l'affouillement du sol voisin et le colmatage du drain. Le lit de sable peut être entouré d'écrans granulaires à cailloux. Si le drain transversal abouti dans fossé bétonné, des barbacanes doivent être prévus en face du drain pour permettre l'évacuation des eaux.
1
Si l'exutoire du drain transversal est un drain longitudinal sous fossé, la jonction des deux drains doit être bien assurée et bien soignée. Les couches drainantes sont généralement formées d'une couche de sable étalée sur la totalité de la plate-forme. Elles sont surtout préconisées dans le cas où le drainage transversal ne peut ' être assurée que par un nombre élevé de drains transversaux. Ces couches peuvent parfois assurer le rôle d'anti-contamination. Y.3.2 Géotextiles et drainage souterrain: Principalement orienté vers les applications géotechniques, le secteur des géosynthétiques impressionne par la polyvalence de ses nombreux produits. Que ce soit pour séparer des
79
Chapitre V : Le drainage routier
matériaux de granulométries différentes, pour les filtrer, pour agir à titre d'élément drainant, ou encore pour assurer l'étanchéité d'un ouvrage. Nous allons dans ce qui suit détailler les principaux rôles des géotextiles et leurs effets sur l' efficacité du drainage souterrain.
al Le rôle de filtration: i
L'interposition d' un film de géotextile entre le sol support et une couche drainante (du sable par exemple) en bas de la structure de chaussée a pour but de laisser passer l'eau et crée un auto-filtre naturel, en retenant le squelette du sol (particules du sol fin) et en permettant l'évacuation de l'eau au sein du drain de sable.
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Figure V.7 : Géotextile en filtratio n. Cette fonction est largement employée dans les travaux de terrassement routier pour éviter la pollution des couches nobles de remblai ou de chaussée par migration des particules fines sous l'effet du trafic de chantier et des écoulements d'eau.
Il est à noter que la contamination des matériaux granulaires nobles par introduction de particules fines (argileuses) se traduira par des déformations anarchiques qui apparaîtront à la surface de chaussée à pl us ou moins court terme. L'objectif de la filtration est donc d'empê,; her la déstabilisation des couches de chaussées et de sol par les écoulements internes. Il ne faut oublier aussi les autres avantages qui peuvent se résumer en : - la continuité du tiltre en cas de déformation d'ensemble (possibilité de coutures). - la facilité et faible coût de mise en œuvre, - la diminution de l'épaisseur du filtre, - l'économie de matériaux granulaires, Figure V.8 : Drain longitudinal en géotextile.
80
Chapitre V : Le drainage routier
hl Le rôle de Drainage: La couche granulaire drainante mise place en bas de la structure de chaussée remplacée par le géocomposite. L'eau sol est évacuée à l'intérieur même produit.
en est du du
L'utilisation de produits manufacturés permet le remplacement de systèmes drainants granulaires, parfoi s difficiles à mettre en œuvre et plus coûteux. Figure V.9 : Drain en géotextile sous chaussée. On peut ainsi économiser des matériaux granulaires pour d'autres utilisations en Génie Civil.
De forte porosité, les géosynthétiques de caractéristiques constantes et connues peuvent véhiculer des débits importants dans leur épaisseur et donc bien drainer les sols. On peut ai nsi éviter l'apparition de surpressions interstitielles qui réduisent la résistance au cisaillement du sol. Cette fonction peut être capitale dans le cas des sols argileux de forte plasticité.
t
!
Figure Y.lO : Echantillon en géotextile. Il faut ajouter à cela le gain de temps, la facilité de mise en œuvre par rapport à la mise en place d'une succession de couches granulaires et la continuité du drainage, même en cas de déformation du massif.
f Figure V.ll : Mise en place d' un drain en géotextile sous chaussée.
81
Chapi tre V : Le drainage routier
V.4 Pathologie du drainage routier: Dans ce paragraphe, nous commençons par énumérer les causes d'un mauvais fo nctionnement d'un réseau de drainage. Nous présentons ensuite les problèmes les plus fréquents affectant les ouvrages de drainage. VA. I Causes du mauvais fonctionnement d'un réseau de drainage:
aiLe sous-dimensionnemenl ou la mauvaise conception ? Les causes de dégradations, résultant d'un mauvais dimensionnement, sont nombreuses et variées. Elles sont d'ordre quantitatif (débit, pente ... ), qualitatif (qualité des matériaux utilisés) ou aléatoire (estimation de la pluviométrie .. . ). Ces facteurs (débit, pente, qualité, ) sont simultanément cause et effet, c'est-à-di re que la où les dégradations apparaissant deviennent la causes de nouvelles dégradations, cec i se développe en cascade. Bien que pour beaucoup d'ingénieurs, dimensionner un ouvrage de drainage revient à un calcul de débits, de pentes et de sections, il n'en demeure pas moins qu'il faut toujours faire appel à "l'art de l'ingénieur" en respectant certaines dispositions de "bon sens" . L'ingénieur doit éviter, par exemple, d'implanter une chaussée au niveau du sol si les écoulements sont difficiles et le terrain très humide ou trop près d'une nappe. Il doit définir des pentes de terrassements importantes dans le cas de sols sensibles à l'eau. Augmenter les sections des buses ne sert à rien si des dispositions ne sont pas prises pour assurer le curage. D'autre part, un fossé (par exemple) bien dimensionné mais utilisant des matériaux perméables, va nécessairement fonctionner à l'envers: il facilite l'écoulement des eaux vers le corps de la chaussée au lieu de l'empêcher. Le problème est donc avant tout un problè me de con~eption que celui de dimensionnement. La protection de la chaussée doit être recherchée dans les di spositions générales du projet, dans la conception de la chaussée et enfin dans le choix des ouvrages de drainage des eaux superficielles et des eaux internes. L'ingénieur doit être au courant de toutes les composantes du proj et routier et doit avoir suffi samment de "recul" pour pouvoir gérer et coordonner ces différentes composantes.
bi Les conditions d'exécution: Pour avoir un ouvrage sein et assurant les conditions requises, il faut que les conditions d'exécution et de mise en oeuvre soient les plus conformes que possibles aux normes en vigueur. Cela paraît évident, mais malheureusement dans la pratique et sous l'effet d'une pression financière, d'une routine non réfléchie ou d'une confiance excessive en une expérience "erronée", on relève souvent une baisse de la qualité d'exécution . Les excédents de terre non débarrassées après la pose de conduites, l'imperméabilisation défectueuse des fossés latéraux, l'utilisation de fournitures non conformes ou le non respect des côtes prescrites sont des cas malheureusement fréquents.
cl Action des usagers et des riverains:
82
Chap itre V : Le drainage routier
Les fossés et les exutoires peuvent être obstrués de diverses façons de la part des usagers ou des riverains. Les usagers et les ri verains peuvent" transformer les fossés en décharges d'ordures et d'objets divers. Les propriétaires riverains réali sent parfoi s des accès à leurs terra ins e n comblant partiellement ou même totalement le fossé . S'i ls sont autori sés à placer des buses au dessous de l'accès, il faut veiller que ce lles-ci soient de dimensions très largement suffisa ntes. Les usagers peuvent modifier les conditions de passage sur un ouvrage de drainage. V.4.2 Cas fréquents de problèmes affectant les ouvrages:
al Cas des fossés: Le fossé peut être sous dimensionné: si les conditions du site ne pennettent pas d 'agrandir les caractéristiques d' un ouvrage, il vaut mieux choisir un autre type d'ouvrage (caniveau profond en béton par exemple). Le but est bi en sur d'empêcher l'eau d'arri ver au corps de chaussée et de stagner sur la surface. Le fo ssé peut être bien dimensionné mais obturé par le dépôt de matériaux divers (gra vats, restes de chantiers ou terre provenant de l'érosion). Le fossé peut être bien dimensionné mais envahi par la végétation (roseaux - lauriers - he rbes) . ce qui empêche le libre écoulement des eaux de rui ssell ement. Le fossé peut être bien dimensionné mai s ne recevant plus les eaux de ruissel lement provenant de la chaussée du fait de la présence d'un cordon de terre. Ce cordon peut être le reste d'un chantier de pose de conduite ou le résultat d'~ , n reprofilage d'accotements.
bl Cas des buses: La buse peut ne pas être située au point bas ou elle est décalée par rapport au fil d'ea u du thalweg. Des résidus d'eau restent en permanence dans le fossé ce qui favorise les in fi ltrations sur les cotés vers le corps de la chaussée. La buse peut être obstruée par les dépôts successifs de matériaux : le curage n'a pas été assuré. Le fossé reste rempli d'eau et fonctionne à l'envers: les infiltrations d'eau sur les cotés vers le corps de la chaussée sont favorisées.
83
Chapitre V I . Geotechnique routière
Introduction L'objet de la géotechnique routière est de prévoir le comportement des sols ou les matériaux granulaires, soit à l'occasion des travaux de terrassement, soit lorsque la chaussée est en service et que le sol supporte des charges répétées et subit les intempéries. Il faut par exemple pouvoir apprécier les tassements d'un remblai, les mouvements propres d'une plate-forme sous l'effet des variations saisonnières du niveau de la nappe phréatique, l'épaisseur convenable qu'il faut donner à une chaussée pour que le sol de plate-forme ne soit pas soumis à des pressions trop élevées, etc. Ces problèmes ne sont encore que très imparfaitement résolus parce que les sols rencontrés à la surface des zones habitées du globe sont d'une extrême diversité et ne se laissent pas caractériser par quelques essais simples. D'autre part, les conséquences d'une défaillance de la chaussée ne sont jamais très graves pour l'usager, par comparaison à la défaillance d' un ouvrage d 'art (pont, barrage, etc.), ce qui conduit à admettre quelques risques lors de la conception de la route, et n'incite pas toujours à des études géotechniques préalables approfondies. Pour ces raisons, la géotechnique routière, si elle se fonde sur des études et des recherches de laboratoire importantes, doit se contenter sur les chantiers d'essais de routine simples. On citera sommairement les différents essais de laboratoire en usage pour l'étude des sols et des matériaux granulaires, certains d'entre eux, tel que l'essai tri axial, sont réservés aux grands laboratoires et .ne sont jamais exécutés qu'à l'occasion d'études de base.
VI.I Classification des sols: VU.! Généralités et définitions:
l
r On entend généralement par le mot « sol » un agglomérat naturel de particules minérales qui peut être facilement désagrégé. Il ne s'agira d'ailleurs pas toujours des sols qui intéressent l'agriculteur, c'est-à-dire des sols arables situés à la surface de l'écorce terrestre, mais parfois des sols situés à quelques mètres ou plus de profondeur, lorsque les terrassements exécutés pour la construction de la plate-forme mettront à jour des couches profondes qui serviront à l'assise de la chaussée (déblais) ou au franchissement de dépressions naturelles (remblais). Les sols sont en général divisés en deux groupes: les sols résiduels, issus de la roche ou de sols sous-jacents, du fait d'agents atmosphériques ou profonds et les sols alluviaux qUi résultent de l'érosion et du transport par le vent, l'eau ou la glace de sols résiduels. Les roches ne sont pas toutes altérables et certaines ne subissent que l'action érosive des intempéries. Cette érosion et le transfert hydraulique ou éolien qui lui fait suite ont permis la formation de gisements de matériaux alluvionnaiIes qui constituent une des principales ressources en granulats pour l'exécution des travaux routiers. Il s'agit alors de graves et de sables dont l'origine peut être plus ou moins récente et la granularité assez variable. Dans presque toutes les régions du globe on trouve de tels dépôts. En particulier le lit majeur des fleuves et rivières circulant dans des régions anciennes est' très souvent constitué de matériaux sablo-graveleux, lorsque les bassins versants des affluents sont de roches dures et stables. Le lit mineur peut également receler des graves; il s'agit alors de graves récentes.
85
Chapitre VI : Geotechnique routière
L'origine géologique des sols influe sur leurs caractéristiques, et la connaissance de la géologie d'une région peut fournir de précieuses indications tant sur les resso urces en matériaux locaux que sur les difficultés qu'on peut attendre lors des terrassements et de la construction des chaussées. Enfin la pédologie régionale permettra de saisir les raisons de la présence de certains sols superficiels. En première approximation les sols constituent un système triphasé interstitielle, air et vapeur d'eau.
grains sol ides, eau
Les proportions relatives de ces trois constituants influent sur l'état d'un même sol (solide, plastique, pâteux ou même liquide) et deux sols différents peuvent se présenter sous deux états différents quoique ayant la même composition relative. Pour caractériser et différencier leS sols rencontrés, on utilise souvent une classification. La classification courante distingue les sols selon les dimensions des grains minéraux qui les constituent. Mais la classification par dimension des grains ne suffit pas à caractériser un sol, notamment un sol fin. La nature chimique du minéral, la présence de minéraux différents, de matières organiques influent sur le comportement des sols, de même que la présence des sels minéraux dissous dans l'eau que les sols contiennent toujours. Cette distinction diffère d'ailleurs selon les usages, et il existe différents systèmes de classification. On cite la classification universelle ou (LPC) utilisée généralement en mécanique des sol et la classification du GTR « Guide des terrassements routiers» utilisée en géotechnique routière. Vl.1.2 Classification LPC : Cette classification maintenant abandonnée avait l'lllvantage indéniable de donner aux sols des dénominations concrètes (grave propre, argile peu plastique ...etc.), proches du langage commun. Elle permettait à des techniciens entraînés d'identifier un sol avec peu d'essais. Mais elle présentait plusieurs faiblesses: _ Elle ne permettait pas de classer correctement certains sols dont la granularité varie dans le temps en fonction des manipulations que subit le matériau (ou même des simples manutentions). Ces sols "évoiutifs", dont les prototypes sont la craie ou la marne, posent des problèmes spécifiques parfois difficiles. De plus, ce sont des sols que l'on rencontre assez fréquemment. _ Elle ne prenait en compte que la nature du sol, sans tenir compte de son état (teneur en eau et en air). Or cet état a une influence considérable sur les propriétés des sols et les matériaux granulaires ainsi que cela a été montré dans le chapitre V « Drainage routier ». _Elle ne donnait pas d'indications sur les conditions d'extraction et de réutilisation des sols. VI. I.2 La classification du "Guide des Terrassements Routiers" IGTR) : Cette nouvelle classification a vu le jour en 1976 avec la publication d'une "Recommandation pour les Terrassements Routiers" (RTR). Avec les enseignements recueillis après quinze
86
Chapitre VI . Géotechnique routière
années d'application de ce document, le SETRA et le LCPC ont publié en 1992 un Guide technique sur la réalisation des remblais et des couches de forme souvent appelé "GTR". Ce document rassemble l'ensemble des connaissances accumulées au cours de ces quarante dernières années par l'ensemble de la profession. Le contenu de ce guide permet une classification des sols et la connaissance des conditions d'extraction et de réutilisation de ces sols. Le GTR distingue trois grandes familles de matériaux les sols, les roches et matériaux particuliers. La figure VI. 1 montre le principe de la classification du GTR. Tableau synoptique de classification des matériaux selon leur nature Passant il 80 !lm
lp
'1'
12
100%
25
A,
A,
40
,
~
A, A,
, 35%
Sols
B,
Dmax :5 50 mm
B. Passant il 2 m m
12 %
D,
B,
B,
B,
B,
100%
70 %
D, 0%
0%
o
0,1
0,2
1,5
2.5
~BS
,
8
Passant â 80 flm
Sols Dmax > 50 mm
tnatérÎaux roulês et matériaux anguleux peu charpentés (0/50 > 60 à 80 %) matériaux anguleux très charpentés (0/50 $: 60 à 80 %)
12%
o
Matériaux rocheux
Roches sédimentaires
Roches magmatiques et métamorphiques
Matériaux particuliers
0,1
Roches carbona tées
Craies Calcaires
Roches argileuses
Marnes, argilites, pélites ..
Roches siliceuses
Grès, poudingues, brèches ..
Roches salines
Sel gemme, gypse
Granites, basaltes, andésites, gneiss, schistes métamorphiques et ardoisiers ..
Sols organiques et sous-produits industriels
Figure VI. 1 : Principe de la classification GTR. 87
VBS
R, R, R, R R, R.
F
Chapitre VI : Géotechnique routière
Les grandeurs introduites dans ce paragraphe tels que WI, !P, Dmax, LA, etc.. sont expliquées dans la suite de ce chapitre ou à défaut dans la chapitre IX : Matériaux routiers. Cl/
Les sols:
Ce sont des matériaux naturels constitués de grains pouvant se séparer aisément par simple trituration ou éventuellement sous l'action d'un courant d'eau. Le guide GTR les distinguent en 4 classes (A, B, C et D). Les principaux paramètres de classement sont: - La grosseur des plus gros éléments (Dmax) peut être plus grande ou plus petite que 50 mm. - Le pourcentage de fines (avec des seuils à 12 et 35 %). - L'argilosité du sol caractérisée par son indice de plasticité (!P) ou sa valeur au bleu de méthylène (Vbs) et accessoirement pour certains sols le passant autamis de 2 mm. A ces paramètres de nature (Dmax, % fines, argilosité, etc) s'ajoutent: - un paramètre lié au comportement mécanique du sol (essentiellement la résistance des grains mesurée avec les essais Los Angeles et Micro Deval) -un paramètre dit "d'état" en fonction de l'état hydrique du sol. Cinq états hydriques sont distingués dans la classification: tableau VI.I.
Tableau VI.l Le tableau VI.2 qui reproduit un extrait du GTR pour la classification d'un sol fin type A3 illustre les informations données par ce document.
Classement selon la nature Paramètre de nature Premier niveau de classification
Dma;.; <50mm el tramisal à 80).lm >35%
Parametre de nature Classe
Deuxième
niveau de classification
A sols lins
2S
6
Sousclasse fonction de la nature
A, Argiles ct argiles mameuses, limons très plastiques ..
Caractère principaux
Ces sols sont très cohérents a teneur en eau moyenne ci raible. et collants ou glissants ii l'élal humide, d'où dilTiculté de mile en oeuvre sur chantier (et de manipulation en laboratoire). Leur pennéabilité très réduite rend !eurs variations de teneur en cau très le nies. en place. Un augmenlalion de teneur en eau assez importante est nèccssaire pour changer notablcmenl leur consistancc.
Classement selon l'état hydrique Paramètre et valeurs de seuils retenus IPI < 1 ou Je < 0.8 ou Wn > 1.4 WOPN 1 < IPI < 3 ou 0.8 < le < 1 ou 1.2 WOPN < Wn <1.4 WOPN 3 < IP! < 10 ou 1 < Ic< 1.IS ou
0.9 WOPN< Wn < 1.2 WOPN 1.l 5< lc< I.Jou 0.7 WOPN < Wn < 0.9 Wn lc> 1.3 ou Wn <0.7 WOPN
Tableau VL2 : Extrait du GTR pour un sol fin type A3
88
Sous classe
A31h
A'h A3m A"
A31s
·'T' "
,
Chapitre VI : Géotechnique routiere
b l Les matériaux rocheux (classe R) : On retiendra qu'il existe six sous-classes basées sur la nature pétrographique de la roche (craies, calcaires, marnes, granité, basalte ... etc.) et ses caractéristiques mécaniques, notamment de résistance aux chocs avec l'essai Los Angeles (LA) et de résistance à l'attriti on avec l'essai Micro Deval en présence d'eau (MDE) . cl Les matériaux particuliers (classe F) :
Cette dernière catégorie englobe des sols organiques (F I ) et des sous produits industriels comme les cendres volantes produites par les centrales thermiques, les schistes houillers, les mâchefers .d'incinération d ' ordures ménagères, les matériaux de démolition ou encore les laitiers de hauts fourneaux . On ne peut évidemment pas établir la classification des sol à terrasser sans connaître les propriétés mécaniques, rhéologiques, hydrologiques de ces sols et par suite étudier les essais de laboratoires dits "d'identification des sols" qui permettent cette connaissance.
VI.2 Essais d'identification des sols: VI.2.1 Analyse granulométrigue : al Par tamisage au moyen de tamis à mailles carrées :
Cette opération permet de déterminer le pourcentage d 'éléments fin s (passant à 80J.1m) qui caractérise la sensibilité à l' eau du matériau d'une part et d'examiner, d' autre part, la forme de la courbe granulométrique : représentation graphique de la distribution des grains sui vant leurs dimensions : fi gure VI.2. 100
4O H-+ttItHt-+H+tHIt-+ttt1ttIH-+H+ 30 20
10
o
Tamis en nun.
25
20
I
6.3
4
0'"
0.1
Figure VI.2 : Courbes granulométriques d 'une grave ei de gravillons.
89
0.05
Chapitre V1 : Géotechnique routière
Nous attirons l'attention du lecteur sur les plages de définition des fractions fines, mortier, sable et gravillons. Cette courbe granulométrique nous renseigne sur: - le diamètre du plus gros élément (D), D - le coefficient d'uniformité (C" = ~) DIO . (D,o)' - le coefficIent de courbure (C, = D . D ) 10·
10
Le coefficient d' unifonnité caractérise l'étalement de la courbe, une granulométrie étalée conditionne la stabilité. Le coefficient de courbure permet de définir si des graves et sables sont bien gradués.
bi Par sédimentométrie Cet essai vient compléter l'analyse granulométrique par tamisage. Il utilise la loi de stockes qui donne, dans le cas de grains sphériques de même masse volumique, la relation entre le diamètre des grains et leur vitesse de décantation. Appliquée aux éléments inférieurs à 80 )lm, cette loi permet de déterminer les diamètres équivalents des particules. Le diamètre équivalent D d' une particule à une profondeur connue, après un certain intervalle de temps à partir du commencement de la sédimentation est donné par: D = 0005531
,
~ VCG:--l)1
'1 : viscosité de l'eau H : hauteur effective en mm G, : gravité spécifique de la particule t : temps écoulé en minutes. VL2.2 Limites d'Atterberg : Ce sont des teneurs en eau déterminées sur la fraction mortier (0/420 )lm) d'un matériau. Ces limites sont des paramètres géotechniques destinés à identifier le matériau et à caractériser son état. On distingue: - Wl et Wp: Teneurs en eau pondérales correspondant à des états particuliers du matériau. = Wl - Wp : Indice de plasticité; nombre sans dimension caractérisant l'étendue du domaine plastique du matériau ausculté: figure VI.3 et tableau VU.
- Ip - le
Wi - w : Indice de consistance où Ol est la teneur en eau d'un matériau ne comportant Ip que des éléments inférieurs à 420 )lm : tableau VI.4.
90
Chapitre VI : Géotechnique routière
_....:S..:.O__id::...e_ _ _+I____p_a_s_ti__qu_e_ _-+I_~li2q.:.ui.:.d.:. e _---+
Etal'
WI
Wil
Limites d'Allerberg
l'
eneau (ml
'1
II'
Te ne ur
Figure VU : Représentation des limites d'Atterberg
English standard 1 - Clavs of low oIasttitv
Américan standard WI
WI <35
2 - Cla\lS of médium plasticitv
35'::;WI<50
< '::;WI <
3 - Clavs of Hioh olasticitv
50
7n
14 - Cla\lS of
70
90
very hiqh plasticitv
5 - r:lavs of Extremlv hi ah nlasticitv
< 30 : low plasOcity
30
WI> 'ln
Tableau VI. 3: Degré de plasticité en fonction de la limite de liquidité Wl
J
k
o~
0,25
O,l5
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Et.11
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3-
Tableau VI.4 : Etat de consistance en fonction des valeurs de le VI.2.3 L'Essai d'Equivalent de sable (ES) :
Cet essai est réalisé sur la fraction sable (0/5) ou (0/2) à 10% de filer. Il caractérise la pollution d'un sable par de l'argile ou du limon. Il exprime un rapport conventionnel volumétrique entre les éléments sableux qui sédimentent et les éléments [ms qui floculent, fi19ure VI4 . :
Es =IOOh, fi,
Déflo,uImt
.......
.~
--,-
..
Figure VI.4 : Schéma de principe de l'essai d'équivalent de sable
91
Chapitre VI : Géotech nique routière
VI.2.4 L'essai au bleu de méthylène: Cet essai a pour but de caractériser globalement la fraction argileuse contenue dans le matériau. Il consiste à mesurer la quantité de bleu de méthylène nécessaire pour recouvrir les particules d'argile exprimée en grammes de bleu par 100 g de la fraction 0/50 mm de matériau. Cette quantité absorbée dépend beaucoup de la surface spécifique des grains d' argile qui est elle même liée à la nature de l'argile comme le montre le tableau VI.5. Suthc~
Atgil~
Spe.:itique lm'
Montmorillonite
800
Vermiculite
200
Kaolinite
40 - 60
Fines calcaires
5 - 20
Fi nes siliceuses
1- 3
g~
Tableau VI.5 : Surface Spécifique des argiles (m' /g). VI.2 .5 Détermination des poids volumiques: Le poids volumique d'un matériau est son poids par unité de volume, exprimé généralement en kN/m] On distingue :
al Le poids volumique des grains solides (}'S) : Il est déterminé par le calcul du quotient: y, = P, iOÙ Ps est le poids des particules solides et Vs ; Vs est leur volume, vides exclus. Il est utilisé pour connaître l'indice des vides, le degré de saturation et la porosité du matériau étudié. bl Le poids volumique apparent (Jap) :
C'est le résultat du quotient: Y,p' P où P est le poids du matériau humide et V est son V volume, vides inclus (volume apparent).
cl Le poids volumique sec (rd) : C' est le résultat du quotient: Yd'
P, V
où P, est le poids du matériau sec et V est son volume,
vides inclus. Pour le cas d'un matériau compacté, on a : Yd = avec
--.!..L 100
l+m p. Yh = ; où Ph est le poids humide de l' échantillon et V est le volume du moule.
dl Le poids volumique de l'eau (y,,) : Le poids volumique de l'eau est pris égal à Yw = 10 kN/m] 92
Chapitre Vl : Géotechnique routière
el Autres paramètres:
Indice des vides:
e = Volume des vides / Vcilume des grains solides
Porosité:
n = Volume des vides 1 Volume apparent
Teneur en eau:
w = Poids de l'eau / poids des grains solides
Degré de saturation: Sr = Volume de l'eau / volume des vides. VI.2.6 Essais chimiques: al Détermination de la teneur en matière organique:
On défini la teneur en matière organiques par la valeur de MO :
0- Masse matières organiques contenues dans un échantillon M Masse des particules solides On se sert d'une solution oxydante de caractéristiques et de qualité connues qu'on mélange avec une prise d'essai d'un échantillon de sol préparé. La teneur massique en matières organiques d'une prise d'essai de masse m est le rapport entre la masse de carbone contenu dans la prise d'essai et la masse de la prise d'essai affectée du facteur conventionnel 1,7 (exprimé en %). MO = 1,7 C; C est la teneur massique en carbone organique. V2 VI MO(%)=104,5 m Où m : masse de prise d'essai V2 - VI : Volume de solution de sulfate double d'ammonium et de fer bl Détermination du calcaire actif:
C'est la fraction de calcium des carbonates précipités par une solution d'exalate d' ammonium. Le pourcentage de calcaire actif de l'échantillon pour l'essai est déterminée selon 2 méthodes: Méthode A :
50* ( VO _ Va Va) x _ 100 x 100 x _ c_ = 250 c (VO-Va) 10 10 10 10 4000 0,02 MéthodeB:
50* ( VO _ Vb) x 200 x 100 100 x _c_ = 250 c (VO-Vb) 10 10 10 2000 2000 0,02 Où: - 50 est la masse en mg de carbonate de calcium ( CaC03 ) correspond à 1/2 mole de Ca C03 - Vo est le volume en ml de solution de permanganate de potassium utilisé dans l'essai - Va est le volume en ml de solution de permanganate de potassium utilisé lors du dosage selon la méthode A.
93
, Chapitre VI : Géotechnique routière
_ Vb est le volume en ml de solution de permanganate de potassium utilisé lors du dosage selon la méthode B _ C est la concentration réelle exprimée en moles/litre de solution titrée de permanganate de potassium.
VI.3 Essais mécaniques traditionnels: Ces essais visent essentiellement la caractérisation du comportement mécanIque des matériaux auscultés. VI.3.1 Les essais Proctor (Modifié et Normal) : Ces essais permettent de déterminer les caractéristiques de compactage d ' un matériau et montrent l' importance de la teneur en eau vis à vis du poids volumique sec obtenu pour une énergie de compactage donnée. Deux essais Proctor peuvent être réalisés, tableau VI.6 : 3
- L'essai Proctor Modifié: Forte énergie de compactage (2700 k Nm/m ) 3 - L'essai Proctor Normal : faible énergie de compactage (600 k Nm/m ) . Nature de l'essai
PrnctIJr Normal
car;lcteristique de l'ess;li o moule
Moule Proctor 100mm
Moule CBR 152mm
Masse de la dame
2490 9
2490 9
o mouton
51 mm
51 mm
Hauteur de chute
305mm
!305mm
Nombre de couches
3
3
Nombre de coups par
25
55
E3 3 x55
3~5
.. . .
~
.
..
-
"
M . Proctor
couche 630g
1700g
o moule
152mm
152mm
Masse de la dam e
4535 9
4535g
o mouton
51 mm
51 mm
Hauteur de chute
57mm
457mm
Nombres de couche
5
5
Nombres de corps par
25
55
Masse approxi mative par
Schema Rec;lpitul'l1if
.. ... ... . .. . . ..........
M. C 8 R
couche
ProctIJr Modifié
5"55
couche Masse approximative par
5"55
400 9
couche
1050 9
~
-
§ M. C 8 R
Tableau VI.6 : Modabtés d'exécution des Essais Proctor Normal et Modifié.
94
Chapitre VI : Géotechnique routière
Pour les assises de chaussée, l'essai Proctor Modifié est le plus souvent utilisé. Cet essai permet de déterminer la teneur en eau optimale notée w opm et le poids volumique sec maximum noté Ydmax sous une forte énergie de compactage. Il peut être appliqué aux matériaux non traités ou traités à la chaux et aux liants hydrauliques à condition que la proportion d' éléments supérieurs 20 mm n'excède pas 30 % et qu' une correction soit apportée sur les caractéristiques mesurées sur la fraction 0/20 mm. Les paramètres de compactage sont très utili sés pour identifier les matériaux et pour définir les spécifications de compactage qui leur sont applicables lorsqu' ils sont utilisés en construction routière. L'essai est réalisé à plusieurs teneurs en eau et on obtient une courbe qui donne la variation du poids vol umique sec en fonction de la teneur en eau pour une même énergie de compactage, figure VI.5. Cette courbe a la forme d' une cloche et ceci s'explique par le fait qu'au début de l'essai, à faibles teneurs en eau, l'eau joue le rôle de lubrification inter granulaire et favorise le compactage jusqu' à une valeur optimale. Au delà, il va y avoir perte d'énergie pour excès d'eau et donc baisse de la compacité pour une même énergie de compactage.
yd
kN / m3
OPN
ru
OP N
i
ru %
J
Figure VI.5 : Courbe de l'essai Proctor VI.3.2 L'essai CBR !Califomian Bearing Ratio) : Cet essai s'applique aux sols fins ainsi qu' aux sols grenus dont la teneur en éléments de plus de 20 mm n' excède pas 25%. On peut donc aller jusqu'à la GNT (0/3 1,5mm) tout en vérifiant la proportion supérieure à 20mm. Il s'applique également à d'autres matériaux utilisés en technique routière tels que les laitiers dans la mesure où leur granulométrie respecte la condition précédente. La valeur de l' indice CBR peut être déterminée de deux manières différentes : al Teneur en eau constante et énergie de compactage variable :
Il s' agit de déterminer les courbes exprimant le poids volumique sec en fonction de la teneur en eau et le poids volumique sec en fonction de l' indice CBR pour différentes énergies de compactage: figure V1.6 . La valeur du CBR est alors obtenue par la formule : =CtJ op",
teneur en eau ffiopm teneur optimale Proctor Modifié ffi
95
Chapitre VI : Géotechnique routière Id
.')d
AIris unrnersion
r
(=m imrne"::"",
i
de
cOJ'llpada.ge
o:55 coups o lOcOlp' fi : 25 CO\lP'
I( BR
W(%)
Figure VL6 : Indice CBR à énergie de compactage variable
bl Teneur en eau variable et énergie de compactage constante : Il s' agit de déterminer la courbes exprimant le ICBR en fonction de la teneur en eau pour une énergie de compactage constante : figure VI.7. ICBR
20
15
10
5
oL---------------+ o
5
10
15
20
25
fi) (%~
Fi:p!re VI. 7 : Indice CBR à énergie de compactage constante L'essai CBR est souvent utilisé pour évaluer la portance du sol support de chaussée. Cette portance est exprimée par les différents indices suivants : - ICBR imme"ion : C'est l' indice CBR en (%) mesuré après 4 jours d' imbibition d' une éprouvette d' un échantillon de matériau avec application de surcharges. - ICBR imm'diot C'est l'indice CBR en (%) mesuré à la teneur en eau de confection d ' une éprouvette d ' un échantillon de matériau avec application de surcharges.
- IPI : C'est l'indice CBR en (%) mesuré à la teneur en eau de confection d' une éprouvette d'un échantillon de matériau sans application de surcharge. L'essai de poinçonnement est exécuté différemment suivant que l'op veut déterminer un !Pl, un I CBR Îrrunêdiat ou un IcsR immersion· L' essai CBR est néanmoins un moyen d 'apprécier la résistance au cisaillement d ' un sol ainsi que sa rigidité comparées à celles d' un sol de référence.
96
Hue rout ière
Chapitre Vl : Géotechnique routière Fo rce en kN
25
20 15 10 5
/
/
~
~ "O'=':;I~oo~~C""-;..-.co-=-.~.5.~,------'-,~O,-------,
-;- Courbe n'exiaeant aucune correction d'origine Il
o
Cou rbe exigeant un e correction d'orig in e
5
.
~ ... "'"
.. ~
En10ncement (mm)
Figure VI.8 : Courbes Force - enfoncement une
Suite à l'essai de poinçonnement, on enregi stre la courbe effort-enfoncement. Si cette courbe présente une concavité vers le haut au démarrage du poinçonnement, il y a lieu de corriger l'origine de l'échelle des enfoncements, en considérant comme nouvelle origine l'intersection de la tangente au point d ' inflexion de la courbe avec l'axe des abscisses: figure VI.8. L' indice CBR est alors déterminé moyennant la formule suivante : Pr ession(enfoncemenl à 2,5mm) I CSR
= max {
70,2
Pression(enfoncemenl à 5111111) 100,
105,3
} 100
Plusieurs approches ont été proposées pour déduire une valeur de module, directement utilisable dans un schéma rationnel de dimensionnement, à partir de la valeur retenue pour le CBR; on peut citer en particulier : - la formule E = 6.5 CBRo65 proposée par Jeuffroy et Bachelez. - la formule E = 10. CBR proposée par Shell - la formule E = 5. CBR proposée par le LCPC VI.3.3 Confection des éprouvettes pour essais de laboratoire : Pour les matériaux remaniés, il est nécessaire de confectionner des éprouvettes suivant un mode opératoire défini et avec des équipements standards ..
~ Matériels de comection CJ Maiéria:u.
Figure VI.9 : Confection d' une éprouvette
97
Chapitre VI : Géotechnique routière
On utilise, généralement, les paramètres d'état Ydm" et Û)OPM à cet effet (cfV12.5) : ~ P" Yd= V~P,=Yd X V orP,= l +llJ ~ P h =P,(1+ro) La figure VI.9 montre le mode de confection d'un échantillon remanié VIJ.4 Essai tri axial de révolution :
-H~-___
,- Il
~
-r
"" ho
1
~
1 1
: Figure VI. 10 : Principe de l'essai Tri axial de révolution Cet essai peut être réalisé sur tous les types de matériaux naturels, artificiels ou reconstitués. Il définit, selon la nature du matériau, les différents états de contraintes en fonction de la déformation des éprouvettes q = f (E), avec q le d~viateur de contrainte et E la déformation suivant l'axe longitudinal de l'éprouvette : figure VI. 10. On distingue: - L'essai tri axial VU (non consolidé, non drainé) effectué sur un sol saturé ou non. Il caractérise le comportement mécanique du matéri.a u ausculté à court terme.
,
- L'essai tri axial CU (consolidé, non drainé) qui consiste à définir le comportement mécanique du matériau ausculté à court et long terme. - L' essai tri axial CD (consolidé, drainé) qui caractérise le comportement à long terme du matériau testé. Il est lent et peut être remplacé dans certains cas par l'essai tri axial (CU + u) - L'essai tri axial (CU + u) (consolidé, non draine avec mesure de la pression interstitielle). Les paramètres obtenus sont l'angle de frottement interne
o
.-. •0
c
Figure VUl : Diagrammes donnés par les essais tri axiaux
98
Chapitre VI : Géotechnique ro utière
VI.3.5 Essai de compression simple (Re) : Il est réalisé sur une éprouvette de matériau confectionnée à partir des paramètres obtenus lors de l'essai Proctor, généralement modifié (Yd""'x, (Ùopm). Au cours d'un essai de compression simple, on mesure la charge appliquée à l'éprouvette en fonction du déplacement des plateaux de la presse. Connaissant la section de l'éprouvette nous en déduisons la contrainte axiale Ch Le déplacement entre les plateaux de la presse ramené à la hauteur de l'éprouvette traduit la déformation axiale El de celle ci. Nous avons aussi relevé la déformation radiale Er à mi hauteur de l'éprouvette. Les éprouvettes sont généralement surfacées au souffre pour minimiser l'effet frettage . La figure VI.12 montre une vue d' une éprouvette au cours d'un -essai de compression simple.
Figure VL12 : Vue d' une éprouvette en compression simple.
Rc l-----:
La figure VI.13 montre l'évolution de la contrainte axiale cr 1 en fonction de la déformation axiale El. On peu déterminer pour chaque essai la résistance maximale à la compression Rc, le module tangent E et le coefficient de Poisson v = - ~ . &1
Ces valeurs sont des paramètres nécessaires pour le dimensionnement des structures de Figure VI. 13 : Contrainte axiale cri fonction chaussées. de la déformation longitudinale El
VI.3 .6 L'essai de cisaillement rectiligne direct Cà la boîte) : 1
Ni
Al
~
1
1
1
Figure VI. 14 : Principe de l' essai de cisaillement rectiligne direct (à la boîte). C'est un cisaillement rectiligne réalisé à la boite, dans des conditions drainées, sur tous les types de matériaux naturels, artificiels ou reconstitués dont la dimension maximale des grains 99
Chapitre VI : Géotechnique routière
Dmax est inférieure ou égale à Smm dans le cas de la boîte de 60 mm de diamètre. Dans le cas de la boîte de 100 mm de diamètre, le Dmax doit être inférieur ou égal à 8mm . Les contraintes normales et de cisaillement sont déterminées à partir des efforts axiaux N et tangentiels T par les relations: N a' =S contrainte normale effective r' =
ST contrainte de cisaillement
Les paramètres de résistance au cisaillement c' et $' sont obtenus directement à partir de la courbe c' = f(cr') représentée dans la figure VI.lS .
,,'
c'l
L -______________-+
cr
Figure VI.15: Détermination des paramètres de résistance au cisaillement.
100
Chapitre VII : Les terrassements routiers
Introduction Selon le petit Robert, « terrassement » est un nom masculin synonyme de l'opération par laquelle on creuse, on remue, on déplace ou on transporte la terre. Les terrassements sont l'ensemble des travaux destinés à modifier la forme naturelle du terrain . Dans le langage des travaux publics, terrasser c'est extraire, transporter et éventuellement utiliser un sol naturel en vue de construire un ouvrage (tranchée, remblai, tunnel, etc.) ou de servir d'assiette à un ouvrage (fondation, piste d'aérodrome, etc.). En technique routière, les terrassements peuvent se limiter à la construction de tranchées et de remblais. On distingue dans l'exécution des terrassements routiers trois phases essentielles: l'extraction, le transport et la mise en remblai ou en dépôt. L'expertise de plusieurs projets réalisés de terrassement à montré que les coûts réels de ces projets s'écartent très souvent des prévisions et que l'exécution elle-même n'est pas toujours conforme au projet. Ce simple fait montre qu'il est nécessaire d'attacher une très grande importance aux terrassements, et que c'est dans ce domaine que la qualité des études préalables revêt une importance capitale. Il importe cependant de n'être pas trop optimiste: les travaux de terrassement, plus que tous autres, sont sensibles aux intempéries, et celles-ci ne seront évidemment jamais maîtrisées par les ingénieurs. Mais nous verrons qu'ils ont le devoir d'y penser d'avance.
VII.1 Sélectionner les déblais ou optimiser les mouvements des terres? Le terrassement était et est toujours caractérisé par le nécessité de diminuer au maximum le mouvement des terres, c'est-à-dire de transporter le moins possible de terre et le moins loin possible. Des méthodes d'études de projets s'ét\lient alors instaurées qui permettaient cette minimisation (Epure de Lalanne). Par ailleurs, comme le transport de terres du déblai à un lieu de dépôt ou d'un lieu d'emprunt vers un remblai consommait du transport, il paraissait intéressant d'obtenir un parfait équilibre des déblais et des remblais. C'est-à-dire, à un coefficient de foisonnement près et pour un tronçon de route aussi court que possible, le volume des déblais était égal au volume des remblais. Ces notions d'équilibre des déblais et des remblais d'une part et de minimisation des transports d'autre part restent valables et il serait maladroit de les abandonner mais elles passent au second plan devant la nécessité de sélectionner les matériaux déblayés pour en fixer le lieu et le moment d'utilisation en remblai. C'est l'objet du tableau de correspondance. Il est évident que pour ne pas provoquer une rupture du chantier, cette sélection doit se faire suffisamment à l' avance et non pas improvisée au moment de ce dernier. Il est indispensable de connaître d'avance, grâce aux études géologiques, aux sondages et aux études géotechniques la nature des terres et les problèmes hydrauliques au lieu de les constater au fur et à mesure de l'extraction. Cette connaissance transformait le problème du terrassement routier.
102
Chapitre V II : Les terrassements routiers
Ce qu 'il/aui éviter
Ligne Proiet
Fi gure VII.I : Exemples de déblais mi s en remblais La manière "naturelle" d'exécuter les travaux de terrassement de la figure VII. 1 consisterait à attaquer au déblai le premier matériau que l' on rencontre c'est-à-dire le matériau graveleux, mettre ce matériau en remblai dans la vallée, pui s à extraire le matériau argileux pour le mettre à son tour au dessus du matériau graveleux. La plate-forme support de la chaussée serait donc constituée d ' argile. Cette situation est évidemment à éviter en se référant au c hapitre VI "Géotechnique Routière" . En effet, comme le matériau argileux est moins bon que le matériau graveleux et en plus il est sensible à l'eau, il faudra mettre une épai sseur de chaussée importante et penser à la protection de la plate-forme pendant le chantier. l En revanche, ce qui est conseillé de faire , c'est de "sélectionner" les meilleurs matériaux pour les mettre à une place intéressante dans les remblais . C'est à dire il fa ut commencer par extraire le matériau graveleux, le mettre en dépôt provisoire pour le réserver à la dernière couche de remblai appelée couche de forme . On pourra se contenter ainsi d'une chaussée nettement moins épaisse. Les quantités excédentaires de matériau graveleux peuvent être disposées à proximité d'un site où elles peuvent être ré utilisées à l'emplacement qui lui revient. On dresse alors un "tableau de correspondance" indiquant pour chaque nature de matéri au à quel emplacement du remblai il conviendra de le mettre. Cela peut avoir pour effet de transporter certaines terres en un lieu de dépôt provisoire pour ne les mettre en remblai qu'après d'autres matériaux extraits ultérieurement. On voit que l'on s'est bien éloigné de l'épure de Lala nne purement géométrique. Le terrassement est ainsi devenu une phase technique (et même de technicité délicate) des travaux routiers. C'est très souvent au cours des terrassements que l'ingénieur routier rencontre les difficultés qui provoquent allongement de délais et augmentation massive des coûts. Le succès du chantier de terrassement se joue pou , ['essentiel au bureau d'études et dans les études préliminaires de laboratoire, (études géologiquès et géotechniques et sondages). Corriger une erreur d ' étude au cours d'un chantier de terrassement conduira à des changements de matériel, de cadence d'exécution, qui se traduiront fréquemment par une réclamation de l'entreprise et donc des dépenses supplémentaires. 103
Chapitre VlI : Les terrassements routiers
VII.2 Les engins de terrassement: Le choix du matériel est effectué principalement en fonction des difficultés d'extraction, et de la distance de transport. vn.2.l Prise en compte des difficultés d'extraction: La classification du G.T.R. (voir chapitre VI : Géotechnique routière) ne prend pas en compte les difficultés d'extraction car elles sont moins contraignantes que les difficultés de mise en remblai. En effet, il est toujours préférable de mettre en place en remblai un matériau rocheux classé R6l même si son extraction nécessite l'emploi d' un explosif, que mettre en oeuvre sous la pluie une argile classée A'h. Les difficultés d'extraction sont de loin plus importantes pour les matériaux provenant de bancs rocheux ne pouvant être extraits qu'après dislocation à l'explosif que pour les sols meubles. Il faut cependant signaler qu'à l'intérieur même de la catégorie des sols meubles, l'extraction n'a pas le même degré de difficulté pour tous les matériaux. Il est beaucoup plus facile d' extraire un sable propre et sans cohésion à la décapeuse (scraper) sans pousseur qu'une argile à silex compacte nécessitant deux pousseurs et pouvant détruire de nombreux pneus de décapeuse. Il est donc très important de prévoir au moment de l'étude du projet de terrassement si on pourra disloquer les bancs à la défonceuse (ripper) ou si on devra avoir recours à l'explosif. La prospection sismique permet d'obtenir ce renseignement. VII.2.2 Le bouteur (ou bulldozer) : Le bouteur est un tracteur à chenilles portant une lame à l'avant: figure VII.2. Cet engin décape et pousse les matérialD( devant lui avec un rayon d' action assez court. (Distances de transport < à 100 m ) Figure VII.2 : Bouteur Les utilisations les plus fréquentes du bouteur sont les suivantes: - décapage (terre végétale, découverte ... ), - poussage des décapeuses (la lame est alors remplacée par un équipement spécial), - réglage des matériaux, . - déssouchage, - défonçage. Pour ce dernier travail, le bouteur est muni à l'arrière d'une puissante dent en acier spécial, que des vérins permettent d'enfoncer dans le sol: figure VII.3. 104
Chapitre VII : Les terrassements routiers
Cette dent agit comme un soc. Le défonçage (ou ripage) permet de fragmenter des sols rocheux lorsque ceuxci se présentent sous forme de bancs d'épaisseur maximale 40 cm ou qu'ils sont relativement fragmentés. Le défonçage est utilisé non sevlement pour le traitement des sols rocheux, mais pour l'ameublissement de sols particulièrement .compacts. On utilise alors des défonceuses à deux ou trois dents.
Figure VII.3 : DéfoI\ceuse d' un bouteur.
La gamme des bouteurs est très étendue, la puissance des moteurs pouvant aller de 100 à 600 CV, la largeur de la lame pouvant dépasser cinq mètres. La lame du bouteur est perpendiculaire à l'axe de celui-ci. Elle peut être inclinée: l'engin se contente de mettre en cordon les matériaux qu'il extrait, sans les transporter. VII.2.3 Les pelles : Les pelles servent à extraire et à charger les matériaux. Elles comportent un bras articulé se terminant par un godet. L'ensemble peut tourner autour d'un axe vertical, et est disposé sur une plate-forme automotrice. La pelle possède une particularité qui la distingue de la plupart des autres engins de terrassement et qui peut, en certaines occasions la rendre très utile : son cycle de fonctionnement est réalisé sans déplacement de l' ~ngin au sol ce qui est avantageux sur sol de • 1 mauvaise portance. 1 Le moteur principal (déplacement, rotation, commandes) est en général un moteur de type thermique (Diesel). Les mouvements du godet et du bras sont généralement commandés hydrauliquement ou quelquefois par câbles pour les très grosses pelles type "dragline". Le châssis d'une pelle peut être monté sur pneus (petites pelles), sur chenilles (pelles moyennes et grosses) ou sur patins (très grosses pelles). La pelle peut être utilisée : - En butte: le godet est poussé et prend en avant. La pelle peut alors attaquer les matériaux situés en hauteur. - En Rétro: le godet est tiré et prend en arrière. La pelle peut alors excaver. - En dragueline : le godet, monté sur câble, est déposé au sol par la flèche, et tiré au treuil vers l'engin. Il se remplit par raclage.
Figure VIl.4 : Pelle hydraulique « retro »
105
Chapitre VII : Les terrassements routiers ....
," .
Une pelle peut être caractérisée par sa puissance, les dimensions de son godet, son poids, sa vitesse de déplacement et sa vitesse de rotation. Ce dernier point est important car il conditionne le rendement de l'engin. Les petites et moyennes pelles peuvent être munies de très nombreux accessoires qui sont particulièrement adaptés aux pelles hydrauliques: - godets spéciaux pour tranchées étroites et fossés, -bennes preneuses, -dispositifs de forage par rotation ou percussion, -brise-blocs, -moutons d'enfoncement. Dans la gamme des engins disponibles sur le marché, on peut trouver des pelles sur chenilles pesant moins de 8 tonnes et présentant une puissance de l'ordre de 50 CV jusqu' aux plus grosses pesant 80 tonnes et développant 580 Cv. Les plus impressionnantes et les plus rares sont les pelles version butte pouvant atteindre 300 tonnes et plus de 2 000 CV ! . VIL2.4 Les chargeurs: Les pelles sont des engins puissants mais ' dont le déplacement est lent. Dans de nombreux cas, on leur substitue les chargeurs, engins très mobiles, souples et rapides. Un godet travaillant toujours en butte est monté sur deux bras articulés. Cet ensemble ne peut se mouvoir que dans un plan vertical. Il est monté sur un tracteur. Le godet se charge à l'avancement.
Figure VIL5 : Chargeur sur pneus.
On distingue deux types de chargeurs : déversement à l' avant et déversement à l'arrière. Ce dernier type est particulièrement utile en travail en galerie, où les rotations des chargeurs sont difficiles ou impossibles. Le tracteur peut être monté sur chenilles ou sur pneus. Dans ce dernier cas, les pneus peuvent être lestés (on utilise l'eau, ou des solutions denses de sulfate de baryte) pour augmenter l'adhérence au sol de l'engin. On peut les protéger contre les dégradations des sols rocheux en les enveloppant de chaînes métalliques en aciers spéciaux. De telles chaînes sont d'ailleurs adaptables à tous les engins de chantier à pneus. Le godet des chargeurs peut avoir une capacité allant jusqu'à 10 m 3, pour Qes p\lissances de l'ordre de 600 CV, et des vitesses de déplacement pouvant atteindre 50 km/h pour les chargeurs sur pneus.
106
Chapitre VII : Les terrassements routiers
VII.2.5 - Les camions et tombereaux (Dumpersl : Le transport des matériaux peut se faire au moyen de camions ou de tombereaux (Dumpers), adaptés aux déplacements sur sols variés. La différence essentielle entre ces deux catégories d'engins réside dans leur . technologie de construction : les camions sont à peu de choses près ceux qui roulent sur nos routes. Les tombereaux ou Dumpers sont conçus comme de véritables engins de terrassement et en possèdent d'ailleurs les principaux organes (moteur, transmission, essieux, etc.). Figure VII.6 : Tombereau (Dumper). al
Les camions:
De nombreux constructeurs proposent dans leur gamme de véhicules, un ou plusieurs modèles adaptés aux grands chantiers. Bien que la charge utile soit limitée à 25 tonnes, ces camions permettent généralement d'effectuer le transport des matériaux de façon satisfaisante et souple, car ils peuvent utiliser le réseau des voies publiques.
bl Les tombereaux (ou Dumpers) : Ces engins peuvent avoir des puissances et des dimensions considérables. En général, le moteur diesel a une forte puissance et comporte de nombreux perfectionnements. La transmission est le plus souvent automatique (convertisseur de couple, servotransmission). Le différentiel sur les roues arrières comporte un système antidérapant ou de blocage. Chez certains constructeurs, toutes les roues sont motrices mais ce n'est pas le cas général.
Figure VIl.7 : Tombereau articulé.
La suspension, facteur de vitesse de déplacement, donc de productivité, est le plus souvent hydraulique ou hydropneumatique. Le freinage est particulièrement efficace et surdimensionné. Les bennes sont à doubles parois et réchauffées par les gaz d'échappement. On distingue les tombereaux articulés (au gabarit routier) d'une capacité de 20 à 35 tonnes de charge utile, des tombereaux de chantier compacts de 35 à plus de 200 tonnes dont la vitesse maximale peut atteindre 75 km/h. VII.2.6 La décapeuse (ou scraper) : La décapeuse est une benne racleuse se chargeant et se déchargeant en marche. Le chargement se fait par inclinaison de la caisse vers l'avant, et attaque du sol au moyen d'un couteau. A l'avant de la caisse de l'engin, une porte (ou vanne) de forme spéciale et réglable en hauteur, a pour fonction de contenir les matériaux à l'intérieur de la caisse au fur et à mesure du chargement (porte entrouverte) et pendant le transport (porte fermée) .
,
107
Chapitre VlI : Les terrassements routiers
La décapeuse découpe et "avale" une lame de sol; le déchargement se fait aussi par l'avant: un bouclier mu par vérins hydrauliques pousse et éjecte le matériau après que la porte ait été relevée. Une décapeuse peut être automotrice ou tractée, à pneus ou à chenilles. Le type le plus répandu est la décapeuse automotrice à pneus.
Figure VIL8 : Décapeuse. Une décapeuse se charge rarement toute seule. Elle a besoin d'être poussée au moyen d'un bouteur (bulldozer) appelé dans ce cas "pousseur" . Certains sols compacts nécessitent le renfort de deux ou même trois pousseurs. Les décapeuses peuvent avoir des bennes de capacité comprise entre 8 et 41 ml pour les plus grosses (la puissance du moteur allant de 220 à 960 CV). La décapeuse est Un engin mécanique de conception particulièrement sophistiquée en raison de sa double fonction : - extraction et chargement: vitesse très lente avec couple d'entraînement le plus élevé possible aux roues motrices, - transport : vitesse la plus élevée possible (50 à 60 kmIh) dans les pires conditions de circulation (accélération grâce à une servotransmission, stabilité, robustesse, freinage, etc.).
n est nécessaire de vérifier, avant d'utiliser une
décJpeuse très lourde, que les ouvrages sur lesquels elle peut être amenée à passer peuvent la supporter. Ce problème se pose pour tous les engins de transport très lourds.
VII.2.7 La niveleuse ( ou Motorgrader ou grader) : C'est l'engin par excellence pour étaler des matériaux (on dit "régaler") et pour les niveler, c'est-à-dire les positionner à l'altitude désirée en respectant le dévers du projet. La niveleuse est constituée d'un long châssis, type "col de cygne" portant le moteur et les organes de transmission à l'arrière; ce châssis est monté sur un essieu arrière moteur, comportant généralement 4 roues en tandem et sur un essieu avant directeur dont le plan des roues peut être incliné à droite ou à gauche par rapport à la verticale.
Figure VlI.9 : Niveleuse.
108
coutiers
Chapitre VU : Les terrassements routiers
.vant : ait été
Une lame est placée au centre du châssis par l'intennédiaire d'un système articulé qui lui pennet de prendre diverses positions : - Rotation complète autour d'un axe vertical (ou pseudovertical), par l'intennédiaire d'une couronne. - Rotation autour d'un axe longitudinal de l'ensemble lame et couronne, la lame pouvant aller jusqu'à la verticale. - Translation de la lame sur elle-même, pennettant de la déporter sur la droite ou sur la gauche (coulissement de la lame). -Inclinaison de la lame sur l'avant (régalage) ou sur l'arrière (décapage).
C---
plus
La niveleuse peut être munie de certains perfectionnements:
trun le
- extrémités de lame pour calibrer les fossés, - roues avant motrices, - châssis articulé (travail en "crabe"), - dispositif maintenant constant le dévers de l'inclinaison de la lame par rapport à la verticale, - dispositif d'asservissement à un fil de guidage ou un rayon laser pour un côté de la lame. La niveleuse pennet :
plus - le régalage et le nivelage des remblais, - le dressage de talus, - le surfaçage des pistes, - le malaxage, la mise en cordon, le répandage et le réglage des matériaux. Les niveleuses sont des engins dont la puissance peut varier de 100 CV à plus de 350 CV avec un poids en ordre de marche de 10 à 25 tonnes. La largeur de la lame, en gén~ral de l'ordre de 3,70 m peut être portée à 4,90 m pour les plus puissantes. VIL2.8 Les engins de compactage: La qualité du compactage est primordiale pour éviter les tassements ultérieurs, et pour améliorer la portance du sol (voir chapitre VI: Géotechnique routière, Essais Proctor et CBR). Le choix de l'engin de compactage adéquat et adapté au matériau à compacter est déterminant pour une bonne qualité de compactage. Les engins de compactage les plus couramment utilisés sur les chantiers de terrassement sont les suivants, leur classement est tiré du GTR (voir chapitre VI : Géotechnique routière) : - les compacteurs à pneus (Pi), - les compacteurs vibrants à cylindres lisses (Vi), - les compacteurs vibrants à pieds dameurs (VPi), - les compacteurs statiques à pieds darneurs (SPi), - les plaques vibrantes (PQi). al Les compacleurs à pneus (Pi) :
Le classement est basé sur la charge par roue CR (que l'on obtient facilement en divisant la charge totale de l'engin correctement lesté par le nombre de roues)
109
Chapitre VII : Les terrassements routiers
Pl ~ CR entre 25 et 40 KN, P2 ~ CR entre 40 et 60 KN, P3 ~ CR supérieure à 60 KN. La charge par roue conditionne l'efficacité en profondeur tandis que la pression de gonflage des pneus conditionne l'efficacité superficielle.
bl Les compacteurs vibrants a cylindres lisses: De part leur polyvalence et leur efficacité, ce sont aujourd'hui les compacteurs les plus répandus sur les chantiers. Le phénomène· de vibration de l'engin est généré par la rotation d'un balourd à l'intérieur du (ou des) cylindrees). En agissant sur la vitesse de rotation, on agit sur la fréquence de vibration, et en jouant sur la masse du balourd et/ou son excentricité on peut modifier l'amplitude de la vibration. Le classement est effectué à partir d' un paramètre (M ,IL) et d'une valeur minimale pour An. M,/L (exprimé en Kg/cm) est la masse par unité de largeur de génératrice d'un cylindre. An (exprimé en mm) est l'amplitude théorique à vide fonction du rapport entre le moment des excentriques de l' arbre à balourd et la masse de la partie vibrante sollicitée par l'arbre à balourd. On distingue les compacteurs vibrants monocylindres, tandems et mixtes. bI / Les monocylindres: On pourra parfois leur reprocher que la partie du poids de l'engin qui repose sur les pneus n'est pas utilisée pour le compactage. Ils présentent toutefois une meilleure capacité de translation que les tandems (pneus sculptés contre j~te lisse).
b2/ Les tandems:
La totalité de la masse de l'engin est utilisée pour le compactage. On distingue les tandems longitudinaux, possédant un cylindre avant et un cylindre arrière, et les tandems transversaux ayant les 2 cylindres fixés sur un seul essieu.
Figure VII.! 0 : Compacteur vibrant à cylindre lisse de type tandem longitudinal
110
Chapi tre VII : Les terrassements routiers
b3/ Les compacte urs mixtes: Il s'agit d'un compacteur hybride dont l'un des essieux est équipé comme un compacteur à pneus, l'autre essieu entraîne un cylindre vibrant lisse.
cl Les cornpacteurs à pieds darneurs : Ce type d'engin a pour ancêtre le rouleau à pieds de mouton qui avait été conçu au début de la mécanisation des terrassements et qui s'efforçait de reproduire le compactage réalisé par les troupeaux d'ovins sur les terrains d'aviation recouverts de gazon. Le cylindre à pieds dameurs comporte à la surface un grand nombre de segments en acier de forme tronconique dont le profil est étudié pour cisailler le sol par pénétration et pour que ces segments puissent se dégager en remontant sans arracher le sol. Il est très important que le sol à compacter ne colmate pas les segments, faute de quoi, le rouleau serait transformé en cylindre lisse. Ces engins sont bien adaptés aux sols fins plastiques (surtout pas sur les sables propres) et donnent de bons résultats avec une vitesse de travail de l'ordre de 10 à 12 km/h. Précisons que ces engins qui possèdent une puissance très élevée sont souvent équipés d'une lame de bouteur. On distingue deux types de compacteurs à pieds dameurs, les compacteurs vibrant à pieds dameurs et les compacteurs statiques à pieds dameurs.
dl Les plaques vibrantes: Elles sont classées à partir de la pression statique sous la semelle Mg/S exprimée en KPa.
,
On distingue quatre classes dont deux seulement intéreSsent les terrassements routiers: - PQ3 : iO < Mg/s < 15 KPa - PQ. : Mg/s > 15 KPa
el Engins divers : Cette brève description des engins de terrassement ne serait pas complète si l'on omettait d'énumérer rapidement les engins dits "de servitude" mais dont le rÔle est souvent primordial: - L'arroseuse dont la capacité en eau doit être en rapport avec les cadences du chantier. - Les camions tous terrains pour le ravitaillement en carburant, en huiles et pour les dépannages. Il n'est pas toujours facile ni rentable de déplacer les engins d'un bout du chantier à l'autre pour les opérations d'entretien. - Les pompes permettant l'épuisement des venues d'eau, le drainage, les rabattements de nappes, etc ... - Les matériels divers tels que compresseurs, groupes électrogènes, perforatrices, etc ...
111
Chapitre VII : Les terrassements routiers
VII.3 Les travaux de terrassement: VII.3 .1 Exécution des déblais :
Figure VILI! : Profil en travers d' une route en déblai. En schématisant à l'extrême, on peut dire que les problèmes qui se posent lors de l'exécution des déblais sont les suivants: - Extraction (bancs rocheux; terrains meubles très compacts). - Ecoulements d'eau et nappes existant dans le terrain avant exécution du déblai.
i
- Confection des talus qui pose deux types de problèmes: tenue des talus en terrain meuble et exécution des talus en terrain rocheux. - Préparation du chantier de remblai :
- cas des bancs rocheux: fragmentation - cas des terrains meubles à indice de consistance faible : stratégie de la teneur en eau - cas des sols évolutifs.
a ' Extraction :
Les problèmes correspondants ont été déjà évoqués dans le paragraphe VII.2. bl Les écoulements d'eau:
Si le terrain, avant exécution du déblai , est parcouru par un écoulement souterrain ou contient une nappe, les travaux vont être, si l'on ne prend pas de précaution, profondément perturbés par cet écoulements ou cette nappe: engins se "plantant" dans un sol détrempé, glissements de terrain. Il convient ici de rappeler que ce n'est pas au moment où le chantier de déblai découvre l'écoulement ou la nappe que l'on doit se préoccuper du problème, c'est au moment de l'élaboration du projet que l'on doit repérer l'écoulement et prévoir les travaux à effectuer pour résoudre le problème. L'ingénieur d'étude peut ainsi - soit modifier le tracé si ceci est encore possible « Ce moyen doit être toujours examiné» - soit rabattre la nappe par tranchée drainante ou par pompage. L'ingénieur qui adopte la proposition d' un déblai dans un terrain contenant un écoulement ou une nappe doit être sûr qu'il n'y a pas d'autre solution.
112
ra.!n
Nlvea.u ra.bo.ttu
Figure VILI2 : Schéma de principe de rabattement de nappe.
cl Confection des talus: cl ! Cas de talus rocheux :
C'est la réalisation du talus qui en général pose des problèmes, car il est difficile la roche suivant le profil prévu. Aujourd'hui, cette difficulté est résolue g découpage. On vient forer des trous de mine (avant le terrassement) distants de 50 disposés suivant le plan du talus à obtenir. On fait exploser dans ces trous des ch destinées à créer dans la roche une fissure qui coïncidera avec le futur talus. ensuite normalement en utilisant des explosifs dans la masse du rocher à extraire; choc sont stoppées par la fissure créée suivant le plan du talus. c2! Cas de talus en terrain meuble: Le problème se ramène à la stabilité future du talus.
Dans le d'absence d'écoulement, il s'agit d'une problèm~ classique de Mécaniqu solution du problème est dans l'examen d'un équilibre mécanique des forces en je En présence d'écoulement, l'évacuation des eaux est alors assurée par:
: des drains subhorizontaux. Il s' agit de creuser des perforations et à mettre drains qui vont chercher l'eau à plusieurs mètres en amère du talus. Ce procé pour stabiliser les talus avant qu'ils ne glissent et également lorsque le glissement ~ un masque ·drainant. C'est aussi un procédé de stabilisation de talus. Il consist place contre celui-ci un matériau très "frottant" à granularité et porosité élevées. · Un double effet: par sa porosité il draine l'eau et limite les entraînements de mat son poids, il constitue un soutènement du soL
· =, un éperon drainant. Cette solution est souvent employée comme une phase ·
la mise en place du masque drainant: on réalise d'abord le terrasseme provisoire prévu avec une pente du talus plus douce que le talus définitif sur un à deux mètres de large on creuse une entaille (à la pelle m ~~ydralUliqu<:) jusqu'au talus définitif On remplit alors d'un matériau pierreux de frottement interne élevé; puis on enlève le sol entre les épis et on complè
113
Les solutions à mettre en œuvre dans le cas d'un écoulement d'eau exigen l'étude du projet des spécialistes de mécanique des sols, de géologie, d terrassement, etc. Il faut accepter de dépenser beaucoup d'argent en étu surpri s ensuite de constater que l'exécution s'effectue sans histoires facilement.
dl Préparation du chantier de remblai:
Une partie des difficultés du chantier de remblai provient d ' une préparat chantier de déblai . Il est bien entendu que cette préparation doit se fair d' étude du projet.
dll Fragmentation des bancs rocheux : La présence au chantier de remblai de gros blocs (V>50 litres) peut r impossibles le régalage et le compactage.
Si ces blocs sont très rares, on peut les éliminer au moment du rem réincorporer dans le corps du remblai en tassant du sol meuble autour d'e opération est d'ailleurs onéreuse.
Si ces blocs sont nombreux et si l'on n'a pas su mettre au point un disposi augmentant l'épaisseur des couches et "enrobant" les blocs, il faut fragm peut également les mettre de coté pour réaliser des enrochements (Il y en sur un chantier!).
Le plus souvent on prépare la fragmentation au déblki (emploi convenable éventuellement brise-roche ou explosif) et on achève la fragmentation compacteur.
Mais en définitive, le moyen le plus efficace (et le plus rentable) est le ro axe tracté très lourd (15 à 16 tonnes) qui peut compacter une couche ép rocheux (1,00 m) et dont la puissance est telle que l'engin concasse "litté situés à la surface de la couche (sauf pour les roches très dures). d2/ Stratégie de la teneur en eau:
Le compactage des sols meubles impose qu' on maîtrise leur teneur en eau que réellement la teneur en eau naturelle (in situ) du matériau nous est im déterminer à l'avance grâce aux sondages, et que la situation météorologi maîtrisable. On peut juste tenter de ne pas travailler en mauvaise saison.
Ainsi, la stratégie de la teneur en eau doit s'adapter à la situation météo schématisons par ses deux extrêmes: - Temps sec stable:
114
particulière à effectuer.
Par contre, il faut profiter du beau temps pour réduire la teneur en eau d'un une teneur en eau naturelle trop élevée. On y parvient en ameublissant le scarifiant de manière à faire pénétrer l'air et à faciliter l'évaporation, et couches minces. -Temps pluvieux:
On ne peut plus espérer abaisser la teneur en eau au dessous de la teneur en il faut éviter une élévation de cette teneur en eau et ce de la manière suivante
- ne pas extraire du sol à l'avance et ne pas l'ameublir dans l'espoir de l'aérer pénétration de l'eau dans le sol
- procéder à une extraction frontale des matériaux en évitant d'y créer des or où l'eau peut stagner. Les surfaces attaquées doivent être remises en état en
I~
- générer des pentes importantes (de 10 % à 20%) pour favoriser le ruissell pluie
- prévoir un dispositif complet et fonctionne l d'évacuation des eaux et c l'étude du projet. d3/ Cas des sols évolutifs:
Les sols évol utifs sont des sols fragiles souvent gorgés d'eau. Le passage provoque et favorise cette évolution et peut transformer un matériau qui forme de blocs en une pâte plastique et glissante.
Il pourra arriver que l'on ait intérêt à l'extraire à la pelle qui malaxera moin fera moins évoluer et cela dans l'espoir de le mettre en remblai sans le faire devra se demander si cet espoir est réaliste et si au remblai ne se p inéluctablement l'évolution que l'on a su éviter au déblai. VII.3.2 Les transports:
Terrasser, c'est aussi déplacer le sol, c'est-à-dire le transporter. La phase du au centre même des opérations de terrassement. Comme pour les autr recherche du moindre effort, c'est-à-dire du moindre coût va décider quelle plus avantageuse.
Pour transporter, il faut un véhicule dans lequel se fait le transport et une v déplacera ce véhicule. Le paramètre essentiel à considérer pour le transport la distance, car la nature même des matériaux à transporter n'intervient qu' au déchargement. Or, nous allons voir que, pour les terrassements, l'augmentation de la distance de transport, les moyens ou véhicules devienne
115
al Distance inférieure à 50 m environ :
On utilise le bouteur et les matériaux sont poussés lentement et en vrac est constituée simplement par une plate-forme dressée grossièrement pa
b ' Distance comprise en 50 ln el 2 000 m environ:
On utilise très souvent la décapeuse automotrice avec éventuellement de pousseurs. Les matériaux sont transportés dans la benne de la décape de 30 à 50 km/h. Des pistes de circulation assez solides pour rési ster aux par des engins pesant plus de 50 tonnes, et suffisamment larges (10 ml obtenir le meilleur rendement. des décapeuses,
Sur de grands chantiers, l'on prévoit même une niveleuse pour corrig déformations de la piste, et même une arroseuse pour éviter la for poussière qui gênent la visibilité des conducteurs et qui représentent un
ci Distance comprise entre 2 000 met 10 000 m environ:
On utilise les tombereaux et le chargement est fait au moyen d'une p mieux avec un gros chargeur sur pneus. La piste est encore plus soig tombereaux est plus élevée que celle des décapeuses (de l'ordre de 60 km
di Grandes distances de transport:
L'emploi de camions routiers (châssis 6x4, semi-remorque, train rout peut alors être envisagé, La piste devient alors une véritable chaussée, c assurer un service durable et sans défaut, à la, vitesse requise,
Il faut encore rappeler qu'un atelier de transport donne le meilleur re rond" c'est-à-dire qu'il faut que tous les véhicules circulent à la même v de temps mort, d'attente, de dépassement par des véhicules plus r transport doit pouvoir fonctionner "comme le métro", Les parcs de voire hétéroclites doivent être proscrits.
Enfin, l'on doit retrouver la même homogénéité entre la nature du parc d et les qualités de la piste de circulation, On voit trop souvent en eff entretenues, sur lesquelles s'enlisent des engins qui ne demanderaient qu VIL3.3 Exécution des remblais :
/ /
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116
Mettre ce sol en remblai, c'est inévitablement le compacter. Le compactag ramener la teneur en vides du sol à un niveau voisin de la teneur en vid extraction, sachant que cet objectif sera impossible à atteindre dans cert matériaux rocheux extraits à l'explosif ou à la défonceuse. al Préparation sous remblai .-
Avant de commencer un remblai , il faut dans un certain nombre de « préparation sous remblai ». Il s'agit notamment :
- d'aplanir le terrain naturel lorsqu'il est en pente, pour éviter que le rem glisser. Lorsque la pente du terrain naturel est forte, on taille progressivem la pente, au fur et à mesure de la montée du remblai. - d'enlever les matériaux putrescibles comme les souches d'arbres. - de drainer et canaliser hors de l'emprise toutes les venues d'eau. certainement la plus importante mais souvent la plus mal exécutée. bl Décomposition de l'opération de mise en remblai .-
L'opération de mise en remblai peut se décomposer en 3 sous opérations : véhicule transporteur, le régalage et le compactage auxquelles s'ajoute le t b 1/ Le déchargement :
Lorsque les terres sont déplacées au bouteur, cette opération est évitée p sont pas chargées dans un véhicule.
Lorsque les terres sont transportées à la décapeuse, le déchargement et le une seule opération.
Lorsque les terres sont transportées en camion ou en tombereau, le décha basculement de la benne, si bien que l'on vient constituer un tas qu'il fau avec un autre engin: bouteur ou niveleuse.
li arrive toutefois que l'on décharge le camion ou le tombereau en le fai étale quelque peu le tas et constitue un début de régalage.
b2/ Le régalage :
Le problème essentiel est celui de l'épaisseur de la couche de matériaux: e par le compactage et doit être adaptée à la puissance de l'engin de compac sol à compacter et à la teneur en eau de ce sol. On trouvera sur cette épaisseur des indications précieuses dans le G.T.R. .
117
obtenir un compactage efficace et économique, il faudrait se placer à voisine de celle de l'optimum Proctor Normal ce qui est assez difficile à r
Pour les sols peu sensibles à l'eau et perméables, les excès d'eau ne s celle-ci s'évacue sous l'effet de la densification du squelette minéral.
En revanche, pour les sols sensibles à l'eau, les excès d'eau se traduisent, montré dans les chapitres V et VI, par des chutes de portance considéra incompactable.
Quant aux sols moyenneme.nt plastiques et "dotés de dilatance", ils so phénomène très gênant : le matelassage. Le sol s'enfonce profondément compacteur, mais il reflu~ tout autour de cette empreinte en se gonflant. S avance devant le compacteur.
Ce phénomène est analogue à celui qui se manifeste lorsque l'on pose s pneumatique : il ne s'enfonce sous le poids de la tête que pour se gon volume d'air dans le coussin demeurant inchangé.
On connaît aujourd'hui très bien l'explication de ce phénomène, ex résumerons ainsi: le rôle de l'air de l'oreiller pneumatique est joué par saturation. Le poids du compacteur entraîne l'apparition de contraintes tot saturation se traduisent par une pression interstitielle élevée; c'est cette p qui pour se libérer refoule le sol autour du compacteur. Au reste, plus on sol se densifie, plus (à teneur en eau fixe) il s'approche de la saturation compactage, le phénomène s'amplifie. .
Quant au rôle de la membrane étanche de l'oreiller pneumatique, il est j subi la clilatance. Sous l'effet de cette dernière, de l'air a pénétré dans ce s'éloigne au contraire de la saturation. Ce sol acquiert donc une certaine ré il se crée donc en surface une croûte résistante reposant sur un sol plus D'où le phénomène.
Qu'il s'agisse de sol humide ou du phénomène de matelassage, le c sensibles à l'eau devient impossible lorsque la teneur en eau devient trop adopter une stratégie de l'eau qui est le complément au remblai de celle au déblai. b4/ Stratégie de la teneur en eau:
On ne peut conduire cette stratégie que si l'on s'y est préparé dès l'étude d les teneurs en eau naturelles.
Un bon indicateur de résultat de cette étude consiste à porter sur le complet (cf chapitre "Géotechnique routière") l'étendue des teneurs en ea dire la marge de fluctuation de celles-ci. On peut ainsi apprécier si la ten (celle du déblai) sera trop forte ou trop faible: figure VIL14.
118
~yd
économiquement un bon compactage. Il faut arroser le matériau si cela est possible ou dans certains cas utili ser le compactage par vibration. w) : teneur en eau optiniale pour assurer à la fois un bon compactage et obtenir une bonne portance. w, : teneur en eau rendant le compactage un risque de plus délicat avec "matelassage". On essaiera de faire baisser w en "aérant" le so l ou par traitement à la chaux. w, : teneur en eau trop importante. Le compactage est impossible, les engins "se plantent ".
...
~OP+
95%~0Pl'f · · · . 1
~---'---hl ) / .,- .
-
--+-._env 51.·
Pour la valeur de 95% de Ydopn de la figure V11. 14, il faut préciser qu' il s'agit d' une appréciation de l' efficacité du compactage par la mesure de la masse
1
COI
Figure Vll.14 : co
vo lumique sèche moyenne Ydm sur J'ensemble de la couche compactée et en fond de couche, où les valeurs sont toujours plus faibles .
Les objectifs de densification sont désignés symboliquement par: q, : obj ecti f requis pour les couches de forme (Ydm > 98 % de YdOpm).
q, : objectif requis pour les couches de remblais (Ydm > 95 % de Ydopm)
Les objectifs q\ et q2concernent les couches de base et de fondation des
VII.4 Contrôles de compactage:
C'est un point essentiel car tout défaut de compactage pourra occas ultérieurs, notamment dans le cas de remblais importants, et se tra portance des sols en place. Le contrôle de compacité peut être local ou global. VIlA. 1 Le contrôle local:
Le contrôle local de compacité consiste à mesurer ·la masse volumiqu place et à la comparer à une valeur de référence, généralement celle Proctor : ydopn. Cette mesure est réalisée moyennant les instrument suivants: 119
- Le densimètre à mercure - Le densimètre à sable
_ Le gamma densimètre. Cet instrument est basé sur le pnnclpe de
rayonnement y à travers la matière, cette diffusion étant en relation direct vides du sol. VI1.4.2 Le contrôle global:
Les nombreux contrôles de chantier réalisés au cours des dernières années sol et un engin de compactage donnés de savoir le nombre de passages qu engin pour obtenir le compactage souhaité, et quelle est l'épaisseur max qu'il peut compacter. Les passages sont réalisés sous la fonne d'aller et reto
Il s'agit de la méthode Q proposée par le GTR pour le contrôle global de l
S
Cette méthode consiste à comparer, pour un atelier de compactage donné,
de Q proposée par le GTR à la valeur réelle de Q effectivement obten
S
S
compactage. Q étant la quantité en ml de sol à compacter pendant le durée de l' atelier la surface en m' "balayée" par l'engin de compactage pendant cette durée.
Sur chantier, Q est détenninée par des métrés simplifiés après compactag sommation des cycles de chaque engin de transport de matériaux de rembla
S est détenninée en multipliant la largeur de l'engin de compactage par la . par cet engin. Cette distance est lue sur le compteur kilométrique du com système d'enregistrement du type "tachygraphe" pennettant de vérifier le de travail. D'un point de vue pratique, la valeur du paramètre
~
représente l'épais
donné que peut compacter un compacteur donné en une application de cha compacité recherchée. Ainsi
Q pourrait être dénommée "épaisseur unitaire S
VIl.4.3 Les contrôles de partance :
Etant donné qu'il existe une relation directe entre le compactage et la po peut mesurer cette dernière pour apprécier le niveau de compactage. Pan plus couramment utilisées, on cite:
120
,
des Plates-fonnes PFl à PF4.
- La Dynaplaque : qui permet de mesurer la hauteur de "rebond" d'une m sol à partir d'une hauteur donnée. La hauteur de "rebond" dépend de la rig -Le Déflectographe qui mesure en continu l'affaissement du sol (o passage d'une charge de 13 tonnes .
VII.5 Les Quarante maximes des terrassements routiers: Adapté de l'article de G. REVERDY, RGRA nO429, février 1968.
al Les quatre éléments de base (6 maximes) :
Les 4 éléments de base d' un projet de terrassement sont l'eau, le mat temps. L ' eau de pluie s'écoule, s'infiltre ou s'évapore. Le soleil est un allié puissant mais toujours superficiel et souvent inconst Le matériau est un problème lorsqu' il est mélangé avec de l'eau. Le mètre cube n'est pas l'unité de terrassement, c'est le (mètre cube x kil Penser plutôt à la date de commencement qu'au délai d'achèvement
r!
bl Etude du projet (5 maximes) :
Un projet de terrassement s'étudie avec des bottes. , Point-clé d'une étude de terrassement: recherche de matériaux pratiqu l'eau. Le danger des eaux pluviales réside dans leur concentration. Le profil en long doit permettre une meilleure circulation mais aussi une Le profil en travers doit faire la synthèse de la géotechuique, du paysage e
d Déblais et remblais (5 maximes) :
La décapeuse est l'engin par excellence pour les terrassement routiers en La roche franche est le terrain le plus sûr à déblayer. Pour qu'un terrain meuble soit utilisable en remblai, il doit être compacta Entre déblais et remblais il y a foisonnement Il n' y a pas d'arbre sans souche, mais il y a des souches sans arbres.
dl Emprunts et dépôts (5 maximes) :
Profiter de la pesanteur: emprunts aux points hauts et dépôts aux points b Les voies publiques ne sont pas adaptées au transport des matériaux d 'em La mise en dépôt provisoire peut être proposée. Il est difficile de trouver de beaux emprunts; il est inadmissible de faire d Aménager un dépôt, c'est le fondre dans le paysage.
121
La nature est hostile par principe à la tenue d'un talus argileux. La stabilité des talus ne pose de problèmes que si l'écoulement des eaux en pose Un talus de remblai doit être compacté au maximum, y compris la terre végétale Les revêtements de talus sont des questions de mètres carrés et non de mètres cu
FI Couches de forme (5 maximes) .-
Le retrait des matériaux argileux les rend impropres à assurer toute protection. Les géosynthétiques constituent la protection la plus conseillée d ' une plate-form Une bonne pente longitudinale vaut une couche de forme . La machine adéquate pour le réglage d'une plate-forme est la niveleuse. Les camions d 'approvisionnement sont plus agressifs que les engins de terrassem
GI Organisation du chantier (5 maxime,,) .-
Eviter de commencer un chantier de terrassement juste après les pluies. Il faut profiter au maximum d' une météo favorable . Il vaut mieux arrêter le travail que faire du mauvais travail. La seule parade à opposer aux aléas du temps est la sagesse et la puissance des m On peut toujours exécuter un déblai, on peut souvent exécuter un bon rem problème essentiel des terrassements autoroutiers est un problème de transport.
HI Coûts et règlements des travaux de terrassement (-1 maximes) .-
Le montant d ' un marché se mesure en mètres cubes, ses difficultés en mètres ca Le coût d' un chantier de terrassement est proportionnel à 'sa durée. La découverte d'un nouvel emprunt doit profiter à l' entrepreneur. Le prix de revient d ' un travail de terrassement n'est pas défini par l'ouvrage par la façon dont on le réalisera.
122
des" structures" de chaussées routières à base de dalles et de pavés pour traction animale.
Plus tard, avec le début de mécanisations des travaux et l'apparition de véhi et plus nombreux, on vit l'apparition des structures à base de hérisson (bloc de macadam (40170mm).
Au début du vingtième siècle, on a commencé à s'occuper de l'optimisation d et on parlait de "L'économie" des mouvements de terres. Avec l'évolution d trafic et pour lutter contre les dégradations de surface et la poussière, on com le goudron puis le bitume. Ce n'est qu'après la 2ème guerre mondiale que l'o se préoccuper des considérations géologiques et géotechniques, et avec de mise en oeuvre plus avancées, les matériaux à granulométrie serrée utili sés chaussé furent remplacés par des matériaux à granulon'Iétries continues.
A partir des années 60 , le trafic devient plus élevé, plus lourd et plus rapide, sont avérées encore insuffisantes et, actue llement, on assi ste d'une part à un des matériaux liés (en fondation , en assise et en surface), et d'autre part matériaux nouveaux (géotexti les, fibres, joints ... .. ).
VIII.1 StructUl'e de chaussée type: VlIl .I.1 Généralités et définitions :
On peut schématiser une chaussée par la superposition d'un certain nombre natures et d'épaisseurs différents constituants la surfacej et le corps de chaussée Les chaussées se présentent donc comme des structures multicouches mises ensemble appelé plate-forme support de chaussée constituée du sol terrassé surmonté généralement d' une couche de forme Figure VIJI . 1.
Figure VII!. 1 : Terminolol,>ie d' une structure de chaussée
124
Une couche de base située immédiatement sous la couche de surface fondation, le corps de chaussée.
Le corps de chaussée, (couche de base et couche de fondation), re doit transmettre à ce dernier, en les réparti ssant, les agressions ver irréversibles trop importantes et également sans dégradations (fatigu
Une couche de forme et parfois une sous-couche peuvent être int et le sol support. La couche de forme sert de pro ierrassements (sol support) contre les intempéries, de piste de circu . ~hantier et de facteur d'amélioration de l'uni et de la portance du sol
Le rôle de la sous-couche peut être l'anticontamination, l'anticapil W- ~leUl remarquer qu'à l'exception de la couche de base, une ou plu peuvent être supprimées dans certaines chaussées. VIILl.2 Les différentes couches d'une chaussée:
Dans la conception des structures de chaussées, le sol support est s Il'·::cIJuc:he à part entière d'une structure. al Le sol support :
~; EvelltUle ll(:m(~nt surmonté d'une couche de forme en matériaux séle if,'c. Sllpp,ortconstitue la plate-forme sur laquelle reposeila , chaussée.
Pour bien remplir son rôle, il est souhaitable que cette plate-forme p de qualités:
- Elle doit offrir une assise convenable pour le compactage des co . donc être suffisamment rigide;
- Cette rigidité ne doit pas se détériorer pendant la période qu terrassements et la réalisation de la chaussée; elle doit donc être peu
- Elle participe, par sa rigidité, au fonctionnement de la chaussée, u autorise une chaussée moins épaisse, donc moins coûteuse.
- Pour répondre à ces exigences, on est conduit à apporter une atten . du sol support et souvent même à prévoir, en partie supérieure des t particulière, appelée couche de forme , dont les qualités sont intermé et celles de la chaussée.
Ce choix se fait sur la base des résultats de l'étude géotechnique don et de caractériser les sols rencontrés sur le tracé. Compte tenu de l'hétérogénéité des sols naturels, on s'efforce de les regrouper en fam
125
b! La couche de forme:
Le souci de faire reposer la chaussée sur ~ne plate-forme de qualit temps à réserver, pour la partie supérieure des terrassement rencontrés sur le tracé puis à faire émerger la notion de couche de
La couche de forme peut être une structure parfois assez complex des terrassements, el~ permet d'avoir une plate-forme support performante. Elle peut être constituée d'une seule couche de ma couches successives répondant à des fonctions distinctes, pouva peuvent se terminer par un enduit gravillonné ou un film de protec Elle a essentiellement une double fonction :
- A court terme et pendant la phase des travaux, elle protège le qualité de nivellement et permet la circulation des engins pou matériaux et la construction des couches de chaussée. Elle d suffisantes d'uni, de résistance au intempéries, de portan approvisionnent les matériaux de la couche de fondation.
- A long terme, vis à vis du fonctionnement mécanique de la chau plus homogènes et éventuellement d'améliorer les caractéristique de remblai ou du terrain en place. Elle doit être peu sensible aux f du sol et contribuer au drainage de la chaussée.
La couche de forme assure, de fait, une transition entre le sol chaussée. Elle tend à devenir un des éléments de la chaussée, to terrassements. Un effet significatif ne peut, à l'évidence, être obt couche de forme est suffisante.
Dans tous les cas, un matériau ne pourra être employer en couche d été rendu insensible à l'eau et d'une résistance mécanique en rap chantier La dimension des plus gros éléments doit être compatible
Le sommet de la couche de forme, qui constitue la plate-forme su réglé avec une tolérance de 3 cm.
On peut ne pas toujours trouver sur le chantier, ou à proximité du conviennent naturellement à un emploi en couches de form d'améliorer les sols disponibles par une des techniques suivantes: b 11 Action sur la granularité :
Elle peut viser soit à éliminer la fraction fine sensible à l'eau, délicate et coûteuse, soit à éliminer la fraction grossière qui gêne u
126
- 60 à 80 mm pour les matériaux granulaires concassés non traités -100 mm pour les matériaux granulaires roulés non traités. b2/ Action sur l'état hydrique :
L'objectif est d 'amener le sol à une teneur en eau aussi voisine que possib eau de l'optimum Proctor normal. Il s'agit d ' un arrosage pour maintenir durant le malaxage ou le compactage, ou d'humidification de masse. b3/ Traitement :
Pour les couches de forme, le traitement consiste à ajouter au matériau natur du ciment pour améliorer ses performances mécaniques ou le rendre insensib b3/ Protection superficielle:
La plupart des matériaux utilisés en couche de forme requièrent une prot dont le rôle principal est de les protéger contre les intempéries et de leur don suffisante aux efforts tangentiels créés par les pneumatiques des engins.
Dans le cas des matériaux traités à la chaux ou aux liants hydrauliques, la comme but très important de maintenir leur teneur en eau constante pend prise et de durcissement. Cette protection est généralement réalisée sous form cure à l'émulsion de bitume éventuellement gravillonn~ ou clouté.
d Les couches d'assises:
L' assise de la chaussée est généralement constituée de deux couches, la cou surmontée de la couche de base. Ces couches en matériaux élaborés (le plus les chaussées à trafic élevé) apportent à la chaussée la résistance mécan verticales induites par le trafic. Elles répartissent les pressions sur la plate-fo de maintenir les déformations à ce niveau à des limites admissibles. Pour les chaussées à faible trafic, le rôle de la couche de fondation peut être, assuré par un traitement du sol en place.
dl Les couches de surface :
Elle sont directement exposées aux diverses sollicitations du trafic et du clim rôle d'assurer la sécurité et le confort en offrant une bonne adhérence et un u parfois aussi l'imperméabilisation du support lorsque celui-ci est en matériaux
Elle sont constituées de la couche de roulement et éventuellement d'une c avec l'assise.
127
Avant de choisir la nature du matériau constituant la couche de préciser selon quels paramètres de base doivent se faire les essentiellement : d l! L'uni:
C'est la première vocation d'une couche de roulement. Le confo d2/ L'adhérence:
La couche de roulement, doit posséder de bonnes propriétés an bonne rugosité. A faible vitesse, l'adhérence en présence d'eau, micro rugosité. A plus grande vitesse, elle dépend également permettre l'évacuation de l'eau emprisonnée sous la surface de co
Si cette évacuation est facile, l'adhérence décroît très peu avec dépend de la micro rugosité, qui joue donc un rôle essentie l'évolution est caractérisée par le coefficient de polissage accélér
Les enrobés drainants ont apporté une solution nouvelle au prob puisqu'elle pénètre à l'intérieur du revêtement avant de chem l'accotement. L'adhérence à grande vitesse est nettement amélio pratiquement supprimées et, de plus, le bruit de roulement est fo
Il est à signaler l'impossibilité d 'appliquer la 'technique des en cause du climat très poussiéreux. Les pores du revêtement cons poussiére;lx qui mélangés avec les pre mières gouttes de pluie c très daT'.g~reuse pour la circulation. d3/ Le bruit de roulement: Pl usieurs causes sont à l'origine du bruit de roulement: - Déformation du pneumatique, - Impact des pavés de caoutchouc sur la chaussée, - Micro glissements dans l'aire de contact,
- Compression puis détente de l'air piégé dans les alvéoles non co
On le mesure, suivant une procédure normalisée, en plaçant un m passage d'un véhicule roulant, moteur coupé, à la vitesse choisi bruit émis et son intensité dépendent des caractéristiques du revê
128
La couche de roulement subit directement les agressions liées aux conditio doit faire obstacle à la pénétration d'eau dans les assi ses de chaussées q destruction de la liaison entre couches à l'interface base/roulement et m couche de base. d5/ La résistance à l'usure:
La couche de roulement est en contact direct avec les roues des caractéristiques sont déterminantes pour le confort et la sécurité de condu la couche la plus sollicitée, qui doit résister à l'usure produite à la foi s p pneumatiques et les actions des intempéries.
VIII.2 Différentes familles de structures de chaussée:
On dénombre cinq types de structure de chaussées traditionnelles: souple, mixte et inverse auxquelles il faut ajouter la structure bitumineuse: figure
En Tunisie, ce sont les structures de chaussées souples qui sont le plus s leur simplicité et leur coùt relativement faibl e par rapport aux autres stru l'évolution du trafic et les exigences nouvelles de confort et de sécurité vo vers un emploi plus intensif des autres structures, plus résistantes . .
~ \''' L
bitumIn e ..
<. 15 cm
-Malêriaux granulaires.:"
tr~ft:iê~:~2~F! !,ê:~bij \
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Structure Souple _
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Revêt. bitumineux _
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Structure Mixte
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Structu·r e Inverse
Figure VllT.2 : Différentes tàmilles de structures de chaussée
Figure VIIL2 : Différentes familles de structures de chauss
129
empruntées par les poids lourds est constituée d'une couverture bitum mince (inférieure à 15 cm) reposant sur une ou plusieurs couches de m non traités d'épaisseur comprise entre 30 et 50 cm. L' épaisseur globa généralement comprise entre 35 et 60cm.
Les différentes couches d 'une structure traditionnelle souple sont croissant de rigidité, du sol vers la surface de la chaussée. Les ordres de g sont de 50 MPa environ pour le sol et de 5000 MPa environ pour l'enrobé
Les matériaux granulaires formant l'assise de la chaussée ont une revêtement est mince ce qui conduit à une transmission avec faible verticaux dus au charges roulantes. La répétition de ces efforts engendr plastiques au sein de l'assise et du sol support qui se manifestent p permanentes à la surface de la chaussée. Nous citons l' orniérage affaissements localisés et les flaches (Voir chapitre XXI). Des fis revêtement bitumineux sont aussi fréquentes.
Le dimensionnement de ce type de structure tient compte de la déforma de l'assise. VIII.2.2 Les chaussées semi-rigides :
Une chaussée semi-rigide possède une assise traitée par un liant hydrau d'épaisseur et une couverture bitumineuse d'épaisseur inférieur à 14 cm .
L'assise en matériaux traités aux liants hydrauliques est disposée en u (base et fondation). '
Les matériaux traités aux liants hydrauliques formant l'assise de la ch rigidité ce qui conduit à une transmission d' une faible partie des effo charges roulantes vers a plate-forme support. En revanche, on assiste à de traction par flexion au sein de l'assise qui sont déterminantes dans le ce type de structure.
Ces structures sont caractérisées par le phénomène de fissuration transv sein de l'assise dés son jeune age et peut remonter à la surface de la ch intervention. Cette fissuration est due aux retraits primaires et secondaire VIII.2.3 Les chaussées rigides :
Ces structures comportent une couche de béton de ciment de 15 éventuellemem recouverte par une couche de roulement mince en maté couche de béton repose, soit sur une couche de fondation, soit directem avec interposition d' une couche de liaison.
Les chaussées en béton forment une technique particulière assez coûteus Tunisie. Le cas le plus connue est celui de la chaussée de l'avenue Moham
130
Nous avons démontré la possibilité technique d ' application du béton proposé en structure de chaussée. La résistance maximale à la compr rigidité et le coefficient de Poisson de ce matériau sont satisfaisants.
Une étude économique réalisée en marge de 'ce travail a montré l'intér certains des bétons de sable compactés proposés en assise de chaussée p sol S3 selon le catalogue tunisien des structures de chaussées.
En outre, la technique proposée présente l'avantage d'un m l'environnement. En effet, l'exploitation des stocks gênants de sables pollution et aux nuisances causées par la présence de ces stocks.
Cependant, une réflexion particulière doit être envisagée concernant le fissuration de retrait des matériaux traités aux liants hydrauliques, quoiq ne semblent pas être les plus concernés par ce phénomène. VIII.2.4 Les chaussées mixtes: La structure mixte est caractérisée par une couche de base traitée au une couche de fondation traitée au liant hydraulique. Ces structùres son peu de chance d'être appliquées en Tunisie. VIII.2.5 Les chaussées à structure inverse:
Si la couche de base est non traitée et la couche de;fondation est traitée alors la chaussée est dite à structure inverse. Ce type de structure est s ralentir la propagation des fissures de retrait qui apparaissent dans le co aux liants hydrauliques. VIII.2.6 Les chaussées à structure bitumineuse:
Les structures comportent des couches traitées aux liants hydrocarbonés grave-bitume.
Les matériaux traités aux liants hydrocarbonés formant l'assise de la cha permettant une transmission avec atténuation des efforts verticaux dus vers a plate-forme support. Cette atténuation est d'autant plus grand l'assise bitumineuse est forte. En revanche, on assiste à de fortes contr flexion au sein de l'assise.
Une attention particulière doit être observée au niveau des interfaces couches. Le dimensionnement de ce type de structure tient compte transversale en bas des couches bitumineuses aux niveaux des interfaces.
131
impressionne par la polyvalence de ses nombreux produits. Que ce matériaux de granulométries différentes, pour les filtrer, pour agir à t de membrane de renforcement ou encore pour assurer l'étanchéité d'un
Or, si l'efficacité des rôles filtrant, drainant ou anti-contaminant désormais bien établie, leur rôle de renforcement mécanique est moins est susceptible de jouer à plein dans le cas de la protection des corps fatigue prématurée. De nombreuses équipes de recherche ont annoncé qu'elles avaie technologies permettant d'éviter que les chaussées ne subissent de dom introduisant des géosynthétiques. Nous allons dans ce qui suit détailler les principaux rôles des géotextil l'apparition des dégradations dans les chaussées. VIIU.l Le rôle de Séparation : Placé entre deux matériaux granulaires différents, le géotextile empêche leur mélange sous l'effet des sollicitations mécaniques, telles que le trafic. Les caractéristiques de la couche d'apport en matériau noble sont ainsi préservées.
•
--
Figure VIIU matériau
,
L'utilisation de géotextiles permet d'économiser ; des matériaux de réduisant l'épaisseur de la couche d'apport et favorise l'utilisation des sur place, le tout avec une mise en 'l!uvre facile et rapide. La fonction séparation est surtout utilisée dans les applications suivantes :
.. .
~ ~ .-~~
- pistes de chantier - couches de forme - voies à faibles trafics - chaussées sur sol compressible
Figure VIII.4 : Géotextil
Certains géosynthétiques (à structure non tissée de filaments continus t conception, ils limitent l'omiérage et conviennent parfaitement pour le autoroutes. Ces produits doivent avoir les caractéristiques suivantes:
132
- une combinaison optimale entre forte perméabilité et capacité de rétent
- une largeur de bande élevée afin de diminuer la surface perdue en recou VII.3.2 Le rôle de Renforcement:
Dans les remblais ou chaussées sur sols mous, les géosynthétiques p avantageusement le temps de mise en oeuvre, tout en homogénéisan tassements éventuels. Cette propriété est surtout utilisée pour reprendre les efforts liés au trafic dans les couches de forme et les pistes de chantier. L'association d'un sol rapporté et de géosynthétiques crée un matériau composite, à la fois résistant et souple dans lequel les géosynthétiques fonctionnent essentiellement en traction. Ce matériau renforcé permet d'assurer la traficabilité immédiate de chantier.
Figure VIIIS : Re chaussée au Il ne faut oublier aussi les autres avantages qui peuve,nt se résumer en : f
-l'économie de matériaux de chaussées en favorisant l'utilisation des mat
- la réalisation d'ouvrages souples, particulièrement adaptés aux sols comp
- la facilité et faible coût de mise en œuvre par simple déroulement des na - la fonction « armatures » sans se soucier de la corrosion - l'accroissement de la pérennité de l'ouvrage.
En permettant de contrôler les tassements différentiels, les géogrilles s adaptées aux chantiers d'autoroutes dont le tracé traverse des zones c meubles et composites. De par leur rigidité, les géogrilles bloquent les potentiels et en font une couche particulièrement compacte.
133
autour des ouvertures par emboîtement entre les granulats et la grille. Ceci permet à la grille de résister aux forces de cisaillement horizontales et de mobiliser la c~pacité portante maximum du sous-sol.
Figure VIII.6 : Renf
Des économies de matériau de remplissage de l'ordre de 40 % sont gén
Figure VIII. 8 : Cha
Figure VIII.7 : Matériau granulaire compacté sur une géogrille
VIII.3 .3 Le rôle d' armature du revêtement : Les industriels produisent actuellement une gamme spécifique de géotextiles non-tissés aiguilletés de filaments continus 100% polypropylène (associés ou non à un réseau de câbles en fibres de verre) spécialement étudiés pour lutter contre la remontée des fissures dans les couches de roulement bitumineuses des chaussées.
Figure VIII.9 : Gé rev
Ces produits sont caractérisés par une forte raideur (fibres de ver rétention de bitume associée à une résistance aux fortes températures d Ils permettent un allongement de la durée de vie de la chaussée et une du revêtement après la pose du géotextile à l'aide du dérouleur.
l34
De nombreux types de matériaux ont été testés et utilisés dans avec plus ou moins de réussite. En effet, le choix des matériaux constitué un problème majeur dans ce domaine, à cause de réaliser (les chaussées peuvent atteindre plusieurs centaines d conséquent à la quantité des matériaux à mettre en oeuvre, ma critères de résistance, de confort, de traficabilité et de sécurité r de chaussées, et par conséquent les matériaux qui les constituen
De manière générale, on peut dire que, lors du choix des mat structures de chaussées, on doit tenir compte de deux fondamentaux:
- les critères mécaniques, physiques et géométriques : il faut résistance mécanique acceptable aux sollicitations engendrées qu'ils possèdent certaines propriétés physiques et géométriques la résistance aux frottements et à l'attrition, etc.;
- les critères économiques : il faut que les matériaux choisis so quantité à mettre en oeuvre, mais il faut également que ces m proximité du chantier pour ne pas ajouter le coût de leur tran excessif - à leur prix intrinsèque et au coût de leur mise en oeuv
IX.1 Matériaux utilisés dans les corps de chaussées: t
Les granulats sont le constituant de très loin majoritaire des c u soient des assIses hy
------------
Grave bitume Grave émulsion
1% 4à5% env. 4%
95 à 96% 96%
-----------
disparaît aprés traitement Grave cendres
75 à 85%
15 à 25%
---------Béton Enduit superficiel
1 à2% 15 à 20% 5à7%
80 à 85% 93 à 95%
, . .. Tableau IX. l :Constltuants des matenaux utilIses d
135
- les matériaux non traités; _ les matériaux traités aux liants hydrauliques (y compris les bétons); _ les matériaux traités aux liants hydrocarbonés, ou matériaux bitumineux enduits superficiels).
Sans donner une description détaillée de chaque classe, on se contentera d'en d caractéristiques générales. IX. 1. 1 Graves non traitées:
Comme leur nom l'indique, ce sont des matériaux qui sont mis en oeuvre san préalable un traitement particulier, sinon celui effectué dans les carrières afin certains critères géométriques ou de propreté. On évoque surtout le type de ma plus communément utilisé, en particulier dans les couches de base et de structures de chaussées souples: la Grave Non Traitée (GNT).
La grave non traitée est le plus ancien des matériaux modernes. Depuis qu'elle au macadam, dans les années 50, le progrès des méthodes de fabrication a p un matériau de qualité sans cesse améliorée, l'expression la plus achevée de étant la "Grave Recomposée humidifiée" ou G.R.H.
Une grave non traitée est un mélange à granularité continue, de cailloux, de sable, avec généralement une certaine proportion de particules plus fines .
Pour pouvoir être mise en oeuvre dans de bonnes conqitions et jouer correc dans la chaussée, la grave non traitée doit avoir certaines' propriétés.
al Propriétés physiques et géométriques des graves non traitées:
Les propriétés que nous citons ici sont la granularité, l'angularité, la propreté e al / Granularité : La granularité est caractérisée par deux paramètres:
- la dimension "0" des plus gros éléments. Une réduction de "0" diminue la s mise en oeuvre et améliore l'uni . On admet généralement que "0" doit être lim mm pour les couches de base et à 20 ou 31,5 mm pour la couche de fondation .
- la courbe granulométrique. Celle-ci joue un rôle fondamental car elle possibilité d'obtenir un bon arrangement des grains sous l'effet de compac compacité satisfaisante.
En effet, une compacité élevée assure une bonne stabilité et une bonne résistan sous charges répétées. Elle limite l'attrition des grains, elle augmente le mod "E" et assure un meilleur étalement des charges sur le sol support.
136
Une courbe granulométrique bien "pleine" limite également la ségrégation
La teneur en fines est un facteur important. Un manque de fines entraîne cohésion. Inversement, un excès de fines peut conduire à l'instabilité en p
Pour une formule granulométrique on défini des classes granulaires do IX.2. Les fronti ères entre ces classes ne sont pas toujours ' nettes et rigou dépendre des techniques d ' utilisation et des origines de production.
CLASSES DE PRODUITS DIMENSIONS EN MILLIMETR DtD où D < 0,080 Fines Sables DtD où D < 6,30 Gravillons dlD où d > 2,00 et D < 31 ,5 Cailloux dtD où d > 20,00 et D < 80,0 Graves DtD où 6,30 < D < 80,00 Tableau IX.2 : Classes granulaIres. a2/ Angularité et forme
La forme, l'angularité et la texture superficielle des granulats concourent à A ce titre, les graves entièrement roulées ne peuvent convenir que pour faibles trafic.
HOLTZ a montré qu'un milieu granulaire à éléments ronds à un angle d variant de 28° à 35° selon la compacité, alors que si les éléments étaien peut atteindre 34° à 46° . a3/ Propreté :
C'est un élément essentiel de la stabilité par temps humide. La propre l'essai d'équivalent de sables.
Le tableau IX.3 montre les seuils retenus en fonction du nombre de poi par vOIe. E.S.
Couche de bas. Couche de fondat PUjtvoie <25 25 à 150 >150
>40 >50 >60
>40 >50 >50
Tableau IX.3 : Seuil des Equivalents de Sables.
137
-
Par suite de l'absente de liant, les efforts de fragmentation et d'attritio granulats sont nettement plus intenses que pour une assise traitée. La' élément essentiel pour la permanence des qualités de l'assise sous l'effet d
On se base sur l'essai Los Angeles pour évaluer la résistance à la fragme Microdeval en présence de l'eau pour la résistance à l'attrition. Le tab valeurs repères pour les deux caractéristiques. VALEURS REPERES COEFFICIENT LOS ANGELES
APPRECIATION
VALEURS REPERES MICRO-DEV AL EN PRESENCE D'EAU
APPR
<15 <10 Très bon à bon Très 15 à 25 Bon à moyen Bon 10 à 20 25 à 40 Moyen à faible Moy 20 à 35 > 40 > 35 Médiocre M .. Tableau IXA : Valeurs reperes pour les caractenshques mecamques
On défini des catégories granulaires pour les granulats en fonction des val Los Angeles et Microdeval en présence d 'eau: tableau IX.5 .
L'apjlartenance à une catégorie nécessite de satisfaire simultanément aux CATEGORIES LA+ MDE L <25 < COUCHES A <35 < DE LIAISON, B <45 ET < C <55 < BASE , D <80 < E 1 f >80 > FONDATION . F
,
Tableau IX.5 : Categones granulaIres pour les couches d a On défini des seuils de dureté en fonction de l'emploi préconisé de la l' intensité du trafic projeté exprimé en nombre de poids lourds par jour IX.6. LA
M.DE
Couche de base fondation Couche de base fond
PL /j/voie
<25 <30 <40 <25 < <25 <30 <20 < 25 à 150 <25 <25 <20 >150 < Tableau IX.6 : SeUIls de durete en fonchon de l'mtenslte du
..
b/ Conditions d'élaboration:
Il existe dans la nature des gisements alluvionnaires dont la courbe granu près satisfai sante, après éventuellement élimination des plus gros élémen utiliser tels quels, mais seulement pour les chaussées à faible trafic car i
138
1.
Dès que le trafic devient plus élevé, on a intérêt à faire subir au m d'élaboration par criblage, concassage et recomposition. Le produit le p suivant cette méthode est la G.R.H. (grave recomposée humidifiée) d seulement la granularité, grâce à la recomposition, mais également la dispositif approprié d'humidification. La G.R.H. est normalement desti immédiate. L'humidification a alors pour avantage de réduire la ségrégat compactage dans des conditions optimales de teneur en eaù.
d Comportement mécanique des matériaux non traités:
Une des données qui peuvent fournir des indications sur la résistance m donné de matériau est son module d'élasticité (dit module de Young ) d'avoir une seule valeur de ce module, auquel cas on aurait affaire à u comportement élastique linéaire dont la loi, très simple, s'écrit (cr = E.g) dans le matériau, g sa déformation et E son module d'Young.
En réalité, ceci n'est malheureusement pas le cas, car très peu de maté comportement élastique linéaire, et les GNT n'en font pas partie. Ains dans le cas des GNT pas moins de 4 modules distincts qui sont mis en é tri axial sur une éprouvette: (figure VI.! ) • • • •
le module tangent à l'origine 130; le module tangent intermédiaire Et; le module sécant E, = ( crI - cr3) / g; le module réversible M, = (cr I - cr3) / g,.
Figure IX.! : Courbe contraintes-déformations et schéma de l'es
Ici, s, est la déformation réversible, alors que Bp est la déformation perman 139
De plus, ce module est fonction de l'état de contrainte, de la nature et de la grave; son évolution suit celle de la contrainte moyenne isotrope cri déf cri = ( cri + cr2 + cr] ) / 3 selon une relation du type: M, = Mo. cr;'"
Sous certaines hypothèses portant sur la granulométrie de la grave, s rapport (cri/cr]), on peut supposer que le comportement de la GNT est plu linéaire.
Plusieurs approches ont été proposées pour déduire une valeur de utilisable dans un schéma rationnel de dimensionnement, à partir de la v CBR; on peut citer en particulier : -la formuleE = 6.5 CBRo 6' proposée par Jeuffroy et Bachelez. - la formule E = 10. CBR proposée par Shell - la formule E = 5. CBR proposée par le LCPC
Notons que c'est surtout sa cohérence avec la valeur limite retenue pour l plus et qu'étant donné le caractère non lié des grains et en absence de trai liants, les GNT et les sols Ile supportellt aucUlle tractioll. IX. 1.2 Graves et sables traités aux liants hydrauliques:
Il s'agit de mélanger la grave initialement non traitée avec un liant hyd matériaux, employés à grande échelle dans les autres créneaux du Gé ouvrages d' art, barrages ... ), ne sont pas utilisés au~i massivement dan chaussées, surtout à cause du coût des liants hydrauliques. Néanmoins, i examiner car leur résistance à la compression, à la flexion et â la tr homogénéité des couches traitées aux liants hydrauliques par rapport (GNT, enrobés bitumineux .. . ) leur donnent des atouts non négligea rencontre de plus en plus souvent des structures de chaussées qui compo matériaux traités aux liants hydrauliques, ou même carrément des chauss en béton de ciment (Cas de l' avenue Mohamed V à Tunis).
al Les liants hydrauliques:
Les premières tentatives d'utilisation de la G.T.L.H. ont porté sur l'u comme liant. Ensuite on a expérimenté l'utilisation du laitier granulé d'un catalyseur de prise. Les techniques de traitement aux liants hydraul étendues à l'utilisation de mélanges de cendres volantes et de chaux, puis chaux.
Les dosages en liant sont déterminés au cours d'études de labor généralement dans les fourchettes définies par le tableau IX.7.
140
Grave-ciment
Ciment:3 à 4% Cendres:3,5 à 4% Grave cendres hydrauliques (suifa-calciques) Laitier granulé:8 à 20% (+) 1% chaux Laitier pré broyer:8 à 15% Grave laitier (+) 1% chaux Cendres:8 à 12% (sil ica-alumineuses) Grave cendres chaux Chaux: environ 2 à 3% Pouzzolane: 15 à 25% Grave pouzzolane chaux Chaux: environ 3%
5,5% à6,5% 5,5% à6,5%
7,5 à 9%
5à7% 7à9%
Tableau IX.? : Dosages moyens admissibles en hants pour le hl Propriétés G. T.L.H. .-
b 11 Propriétés du granulat:
Du fait du développement progressif de la prise, le comportement du mat après sa mise en oeuvre est celui d'une grave non traitée et il doit don propre suffisante pour ne pas s'omiérer sous l'effet du trafic et pour protég des aiguilles de silico-aluminate qui vont se créer pendant la prise.
La grave qui entre dans le traitement doit donc avoir des caractéristiqu caractérisent, comme pour les graves non traitées, par la granularité, l'a et la dureté des granulats.
Les caractéristiques des granulats doivent satisfaire aux conditions présen IX.8, en fonction des classes de trafic (Les catégories granulaires sont déf
FONDATION
BASE
Trafic Technique G.R.H. G.B. G.T.L.H. G.R.H . G.B. G.T.L.H.
T3
T2
E E E D E E
D E E C D 0
C E E D D
Tableau IX.8 : Categones granulaues en fonctIOn de la nature de la g b2/ Propriétés du matériau traité:
L'étude de laboratoire permet d'optimiser les principales caractéristiqu permet de déterminer la courbe granulométrique de la grave traitée, les adjuvants, la teneur en eau et la masse volumique de référence. On se bas essais principaux, l'essai Proc Tor modifié et l'essai de traction directe ty
141
Ces caractéristiques sont déterminées sur des éprouvettes conservées pen étui étanche à une température de 20°C. On en déduit l'indice de qualité é l'épaisseur du matériau qui, posé sur un massif semi-infini de module d'éla rompt après 106 chargements sous un essieu de 13 tonnes.
d Sables traités au liants hydrauliques :
Les sables qui entrent dans la composition des sables traités ne résultent d'élaboration spécial. Ce sont soit des sables naturels, soit des excédent ballastière. On ne peut donc pas à priori, leur fixer de spécifications mai les conditions et les limites d'utilisation.
Pour être utilisés en techniques routière, les sables traités doivent répond portant sur la stabilité immédiate et sur les performances mécaniques à long
La stabilité immédiate est nécessaire pour permettre de réaliser, dans de les opérations de mise en oeuvre et pour limiter les déformations au jeune â chantier et sous la circulation. Les performances mécaniques à long terme l'essai de traction directe.
dl Fissuration des matériaux traités au liants hydrauliques:
Un des inconvénients des matériaux traités au liants hydrauliques est transversalement à plus ou moins long terme. L'espacement de ces fissures retrait thermique, varie de 6 à 15 m. Sans traitement particulier, ce inévitable.
Les solutions recherchées pour réduire les inconvénients de la fissuratio empêcher qu'elles remontent vers le haut en interposant sous le revêtemen fissure, soit en les multipliant pour réduire l'épaisseur des fissures, et cela p pré-fissurations spécifiques.
el Comportement mécanique es matériaux traités aux liants hydraul
Dans ce paragraphe, on s'intéresse à deux types de comportement: le com d'essai monotone (appelé comportement instantané) et le comportement à l e 1/ Le comportement instantané:
L'un des aspects les plus intéressants des matériaux traités aux liants hy comportement élastique linéaire, du moins jusqu'à une certaine fraction d compressiûn. Ainsi, des essais en compression jusqu'à la rupture faits sur apparaître assez clairement un comportement élastique linéaire jusqu'à 40% la compression pour les graves-laitiers et jusqu'à 70% de la résistance à la les graves-ciments et les graves-cendres volantes. On retrouve ce type également en traction avec une limite de 60% pour les graves-laitiers e graves-ciments et les graves-cendres volantes. 142
valeurs de référence pour tous les types d'essais et donc pour tous les types de
Par convention, on choisit pour module le module sécant sur la courbe effort correspondant au tiers de la charge de rupture instantanée. Ce choix est justifié dans une chaussée, les matériaux travaillent à une contrainte qui est largemen charge de rupture instantanée. On retient les valeurs suivantes du module d'éla • • • • •
graves-laitiers: 15000 à 20000 MPa graves-laitiers pré broyés: 18000 à 25 000 MPa graves-ciments: 20 000 à 30 000 MPa graves-cendres volantes: 30 000 à 40 000 MPa sables traités: 5 000 à 15 000 MPa.
e21 Le comportement à la fatigue :
La résistance au phénomène de fatigue est un autre des atouts des matériaux t hydrauliques. Ainsi, les essais de fatigue ont montré que la courbe qui l appliquée au nombre de cycles à la rupture peut être assez bien représentée p échelle semi-Iogarithmique, c'est-à-dire qu'on peut mettre la courbe de fatigue (cr Icro = 1 - a. log N) où cro est la contrainte de rupture par flexion au premier c 0Iq,
0.75 0,5
_ _ _ __ __ _ _ _ _ i
0.25
o l 2 3 4 S 6 logN Figure IX.2 : Courbe de fatigue des matériaux traités aux liants hydra
Pour un même nombre de cycles de chargement à la rupture, la contrainte à ap matériaux hydrauliques est bien plus élevée que pour les autres types de m confirme la résistance élevée de ces matériaux à la fatigue.
Le tableauIX.9 donne les valeurs de la contrainte à la rupture pour 106 cycles la valeur de la pente de la droite de fatigue (lia) pour quelques matériaux traité matériaux 1 grave-laitier 1 grave-laitier pré broyé 1 grave-ciment 1 grave-cendres volantes
cr6 (MPa) 0,5 à 0,9 0,6 à 1,2 0,8 à 1,2 1,2àl,8
Tableau IX.9 : Caractéristiques de fatigue des matériaux traités aux liants h 143
Le liant est, dans ce cas, du bitume introduit au moment de l bitume pur ou sous forme d'émulsion.
Les bitumes sont des sous produits constitués d'hydrocarbures lo obtenus par distillation en raffinerie. Leur rôle principal est d'assu
Pour classer les bitumes purs selon leur consistance, on utilise es laboratoire : la pénétrabilité à l'aiguille à 25°C (Pen25) et la (TBA). La tableau DUO montre les différentes classes des bi valeurs de (Pen25) et (TBA). ConsistancE
"Dur"
Appellation
20/30
60170
35/50
Pen2S (111 Omm
20 à 30
35à 50
50 il 70
TBA (OCl
55 à 63'C
50 à 56°C
45 à 51'C
8
70
42
Tableau IX. 10 : Classes des bitumes purs en fonction des vale Les teneurs en liants des graves-bitume et des graves-émulsion des emobés de surface et le squelette minéral doit donc avoir une
Nous consacrons le paragraphe IX.3 au cas particulier de l'emobé
al Graves-bitume "G.B. " : ail Granulat :
Suivant la nature de l'assise, la dimension maximale D du granula fourchettes suivantes: l4mm < D <20mm l4mm
- En couche de base: - En couche de fondation:
L'angularité des granulats, définie par l'indice de concassage, et l Angeles doivent respecter les directives: tableaux IX.1I et IX. 12.
Chaussée neuve
enforcemen
• base de chaussée souple • fondation de chaussée en béton rafic P.Uj <150 150 à 60C >600
<30 <25 <25
<30 <30 <25
Tableaux IX.Il : SeUlls de durete
144
(Poids lourds journaliers) Minimum Conseillé c.u.> 5 tonnes
<150
>25%
150 à 600 600 à 1000 1000 à 1500 >1500
souple fondatio * fondation de chaussée en béton
>40%
>25%
>40% >60% 100%
>40% >60%
il la r entièr
100% Entièrement concassé
Tableaux IX.12 : SeUIls d'mdlce de concassage.
Leur propreté, définie par l'équivalent de sable, doit être conforme aux se tableau IX.3. La teneur en fines doit être comprise entre 3 et 9 %. a2/ Liant:
On utilise normalement un bitume 35/50. Les ordres de grandeur de utilisées sont de 3,5 à 4,5%, avec une tendance à se rapprocher plus fréq les graves-bitume correspondantes ayant simultanément une teneur élevée
bl Sables-Bitume "SB." : On utilise des sables 0/2, 0/4 ou 0/6rnm.
Lorsqu'il s'agit de sable naturel, il est souvent nécessaue de procéde granulométriques par apport de fines (fines calcaires ou autres), ou par certaine proportion de sable broyé (10 à 15%).
Le liant peut être un bitume 35/50 ou plutôt un bitume 20/30 qui contr stabilité. Son dosage est de 3 à 4%. La teneur en fines ne doit en aucun c 3% et si possible à 5%.
cl Graves- émulsion:
Ce sont des matériaux dans lesquels le bitume est apporté sous forme rupture lente. Le bitume se fixe sélectivement sur les éléments fins en co qui en chasse les gros grains et les scelle entre eux. Le mélange sortant d maniable et le reste jusqu'à la fin du compactage.
Après mise en oeuvre, les gros éléments ont entre eux des contacts dire interne est donG celui de la grave initial. La nature de la grave-émul matériau de choix pour les re profilages car elle peut être mise en oeuvre et même se raccorder à zéro sur une chaussée déformée.
On l'utilise également en renforcement et en couche de base. L'emobage c'est une technique peu coûteuse en énergie. 145
Les exigences de dimension maximale sur D sont les mêmes que pour les teneur en fines doit en principe se tenir dans les mêmes fourchettes.
Les seuils d'angularité sont les mêmes que pour les G.B, de même que les s Los Angeles et les valeurs de la propreté. c2/ Liant:
Compte tenu du frottement interne élevé de la grave-émulsion, il n'est pas un bitume de base très dur. On utilise le plus souvent les catégories suivan - 8011 00 pour les routes à trafic élevé, - 180/220 pour les routes à trafic moyen ou faible et pour les travau La teneur en bitume de l'émulsion est égale à 65 ou 60%.
IX.2 Matériaux utilisés dans les couches de roulement:
Pour les chaussées revêtus, la couche de roulement est constitué général bitumineux à chaud, d' un enduit superficiel ou d'un béton hydraulique q double rôle: assise et revêtement.
Les granulats qui constituent la couche de roulement sont généralement si la chaussée et doivent présenter des arêtes vives et des faces « râpeuses» glissance. Ces granulats doivent donc présenter une bonne résistance au po
L'essai qui permet de caractériser le résistance au polissage des gravillons , Il s' agit de faire frotter une roue, supportant des plaques sur lesquel granulats à tester, contre une autre roue à bandage de caoutchouc, en d'abrasifs. Après un certain nombre de rotations, on mesure, à l'aide d'un rugosité de la surface des plaques, et l'on tire le Coefficient de Polissage A
Le tableau IX. 13 donne les valeurs repères pour le Coefficient de Polissage VALEURS REPERES APPRECIATION CPA < 0,55 Excel lent Bon à très bon 0,50 à 0,55 Médiocre à oassable 0 ,45 à 049 > 0,45 Interdit
Tableau IX.l3 : Valeurs repères pour le CPA
On défini des catégories granulaires pour les granulats utilisés en cou fonction des valeurs des coefficients Los Angeles, Microdeval en présen tableau IX. 14.
146
S U
A
>30
B
>15
C
>5
>50
<30
R
F A C E
ET
>45 >45
ET
<40
E
<50
Tableau IX. 14 : Categones granulaIres pour les couches de surf IX.2.1 Enrobés bitumineux à chaud :
Nous consacrons le paragraphe IX.3 au cas particulier de l'enrobé bitumineu IX2.2 Enduits superficiels :
Ils sont constitués de bitume et de gravillons répondus en couches successiv des enduits superficiels est ancienne mais est encore très évolutive.
Il existe différents types d'enduits superficiels: mono couche, bicouche, sim ou double gravillonnage. Chaque fonnule comporte ses avantages et ses coût étant bien entendu croissant avec le nombre de couches. , Granulats:
Les granularités les plus employées sont: 4/6; 5/8; 6/10; 8/12; 10/16; et 12/2
Les granulats doivent être durs et résistants au polis~age, car ils sont direct des pneumatiques. Ils doivent avoir une bonne fonne pour ne pas se couc suffisamment anguleux, car les arêtes vives contribuent à l'adhérence.
La propreté est une qualité tout à fait essentielle des granulats pour enduits. effet, des conditions de mise en oeuvre, la présence de fines peut gêner l'a sur les gravillons qui sont alors chassés par le trafic. Si les conditions de pro suffisantes, il faut procéder soit à un dépoussiérage à sec, soit à un lava enrobage des gravillons (Laquage). Le laquage consiste à recouvrir les gra pellicule de bitume dur 35/50 ou 60/70 au dosage de 0,5 à 0,8%, cette opéra réalisée à chaud ou à froid (émulsion à faible teneur en bitume).
Le tableau IX.15 récapitule les seuils relatifs aux différentes caractéristiq pour enduits superficiels.
147
A T Caractéristiques intrinsèques E G 0 R
C
B
B
A
III
II
1
1
le = 100
Re> 2
Re> 4
1 Caractéristiques de fabrication
E S Angularité
Re >
Tableau IX.15: Caractéristiques des granulats pour Enduits Superfici Liants:
On peut utiliser une large gamme de liants, dont le choix se fait en fonction trafic, de l'état du support, des périodes de mise en oeuvre, des disponibili également de l'expérience propre de l'entreprise. Les liants les plus généraleme les suivants:
- Les bitumes fluidifiés: mélanges de bitume pur 35/50 ou 80/100 et de so d'origine pétrolière. En Tunisie, on utilise le Cut Back 0/1 et le Cut Back 40 fabriqués dans les usines ESSO et BITUMED à Tunis. - Les bitumes fluxés : mélanges de bitume pur 35/5.0 ou 80/100 et d'huile houille. Ces produits ne sont pas utilisés en Tunisie. 1
- Les émulsions de bitume : mélange de bitume pur 80/100, d'eau et d'un ému En Tunisie, les émulsions sont utilisées pour la "fabrication des enrobés à fro employées aussi comme couche d'accrochage ou d'imprégnation. La teneur en b 65%. Le tableau IX.16 récapitule les caractéristiques et spécifications des bitumes enduits superficiels. Pseudo·viscosité(s) mesurée Classes de bitumes flu idifiées
au viscosimètre 25'C
§4 mm
25'C § 10 mm comprise entre
011 moins de 30 10/15 10 à 15 1501250 150 à 250 400iliOO 400 à 600 800/1400
Tempé rature Température Temp ératur
40'C de pompage de répandage limite à ne §10 mm (en 'C) (en 'C) pas dépasse (en ' C)
80 à 200
15 45 70 90 100
25 75 120 140 160
60 100 160 170 185
tableau IX. 16 : Caractéristiques et spécifications des bitumes fluidif
148
de roulement. A ce dernier titre, elle doit faire l'objet d'un traitement de surface l'adhérence nécessaire tout en maintenant le facteur bruit à un niveau accepta méthodes ont été successivement mises au point pour cela. Striage:
Il est réalisé par un râteau à dents monté sur une machine spéciale qui suit répandage et réalise un striage transversal. Les espacements entre stries sont a minimiser le bruit de roulement, sans cela, le pneumatique émettrait un siffleme l'inter distance et de la vitesse. Cloutage:
Il consiste à enchâsser dans le béton frais des gravillons de roche dure. Il p cloutage simple, les gravillons étant répandus puis encastrés de la hauteur a macrostructure recherchée. On utilise également la technique de cloutage - dén ce cas, les gravillons sont enfoncés totalement dans le béton frais. La pulv produit inhibiteur, "retardateur", de prise permet ensuite, par balayage, de fai pointes des gravillons. Dans ce cas, le lissage intermédillire permet d'égaliser p niveau des sommets des gravillons et, ainsi, de réduire le bruit de roulement.
La technique de dénudlttion peut également être utilisée sans cloutage préalab en relief les gravillons constitutifs du béton.
1X.3 Les enrobés bitumineux à chaud: DU .l Généralités et définitions :
Un emobé bitumineux est un matériau hétérogène constitué essentiellement d fines et de liant hydrocarboné (bitume pur ou modifié) en proportiop.'convenable
Le mélange est réalisé à chaud en centrale de fabrication. Les emobés à chau couche de roulement des chaussées doivent, par leurs propriétés, répondre au r aux problèmes qui sont posés par le trafic et la circulation en général, et par que leur imposent le climat et l'exploitation du réseau.
Ce sont les matériaux qui sont le plus communément utilisés dans les structure modernes, en particulier en ce qui concerne les couches de roulement, mais é les couches de base ou de fondation pour certains types de structures.
Les avantages de l'utilisation des matériaux hydrocarbonés sont leur coût plus. f des matériaux traités aux liants hydrauliques, une mise en oeuvre plus aisée et circulation plus sensible (en ce qui concerne les couches de roulement ). De plu de déformation, plus faible que celui des matériaux traités aux liants hydraul plus proche de celui du sol-support, assure une distribution des sollicitations plu
149
titre indicatif T4
A .. ... ................ . . .. lC .. . .. .. ... LA . .. .. .... .... .. . ... .
,;
30
:S
lllIDL
,;
30 25
"
" (
<
25 PIIj ~o
vlj )
CPA .. P ES ..
o
•
... . - . .
· . . . .. . .. ••••••••
•
••
•
•
"
.
"
A.. ... ... ... lC .. . . . . . . .. . ,. . . -..... LA .. .. . ... . ... . . .. .
T3
25 à 150 PUj
MDL
2%
"
50
:S 30 lC ~ 100 % ,; 25 :S 20
.. ... . . ... ....
...
CPA .. P. .
:S
.
:S
2%
ES ..
"
50
T2
A. .... ... ... . .....- . .. lC .. ...... . · ... ........... ..... . ..... .. .. LA.
:S
150 à 300 PIIj
MDE ...... .. ... .. ........
:S :S
25 2 25 20
:S
2%
( 500 à 3000 v/j )
o ••• •• • ••••
CPA .. . ......... .. . .. ... . ... ... .... .... .... P
( 3000 à 6000 vI] )
ES ... . ...... .. ... ..... ...
Tl
A .. .. . ..... IC ... ..... ... .. LA . . .... ...... .... - .. , ..
300 à 750
I\IIDE ... ..
CPA . P .. ..... ( 6000 à 15000 v/j )
TO > 750 PIIj (> 15000 v/j )
ES ..
o
•••••
•
•
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20 2 25 20
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" 254
"
Tableau IX.17 : Principaux caractéristiques des granulats utilisés dans un b
al Les granulats:
C'est le squelette minéral du matériau qui apporte le frottement interne. I une courbe granulométrique. La formule est dite:
150
Nougat si plus de 50% des éléments supérieurs à 0.008mm ont un diam Cont inue si toutes les fractions granulaires sont présentes.
Discontinue si on supprime des fractions granulaires du mélange. C une meilleure compacité. Cependant avec les enrobés de ce type, la st et l' omiérage augmente. On distingue aussi les formules suivantes:
- Bétons bitumineux semi-grenus : destinés aux couches de roulem travaux de construction, renforcement et entretien sur support à trè réalisés en épaisseur de 6 à 9cm. - Bétons bitumineux cloutés : destinés aux couches de roulements r conditions de support en épaisseur d'environ 6cm, - Enrobés discontinus en couches minces: (3 à 4cm) ou très minces (2
- Bétons bitumineux cloutés en couche mince ayant une épaisseur de 3
- Enrobés drainants réalisés en épaisseur de 4cm sur support en matéria
bl Les liants : Le liant le plus souvent utilisé est le bitume pur ou modifié.
La teneur en bitume joue un rôle important dans la formulation d'un en énergie de compactage, la compacité augmente d ' une façon conti bitume. Cependant, les caractéristiques mécaniques présentent un m pourcentage optimum de bitume. IX.3 .2 Historique des enrobés en Tunisie: D'une façon très schématique on peut distinguer les périodes suivantes - Première période: de 1965 à 1985
Les enrobés avaient été conçus à partir de ceux utilisés en France. Le étaient des 0110, 0114 concassés, parfois du 0/20 qui s'inscrivaien référence. Ils étaient enrobés, la plupart du temps, avec un bitume 40/5 le 80/100. En général, ces enrobés s'étaient bien comportés. - Deuxième période : de 1985 à 1990
C'est la période dans laquelle, on a utilisé en abondance le bitume 80/ concassés, les fuseaux de référence utilisés sont: 0/ 14 ou 0/16. Ces en 151
- La circulation a énormément augmenté pendant cette période -L'utilisation du bitume 80/1 00 était fréquente - L'emploi de formules trop riches en sable (enrobés "nougats") - Les dosages en bitumes parfois trop élevés. - Troisième période : de 1990 a nos jours.
Pour remédier aux échecs enregistrés au cours de la période précéden bitume 80/100 est devenue interdite et on a recommandé l'emploi d'un bitu IX3 .3 Formulation des enrobés bitumineux :
Formuler un enrobé consiste à déterminer le meilleur mélange de gran permettant d'obtenir un matériau à coût optimal et doué de certaines pro résistance mécanique à l' orniérage et à la fatigue .
Cette formulation est généralement complexe, compte tenu de la compl compromis entre plusieurs paramètres parfois contradictoires. D' autres milieu extérieur telle que la température rendent la tâche encore plus diffic
Nous présentons ci après l'influence de quelques tparamètres sur la f bitumineux. ! La compacité:
La teneur en vide résulte de la formulation et de la mise en œuvre. P confirment que l'augmentation de la compacité prolonge la durée de dispersion des résultats. L'angularité :
L'angularité est une qualité importante. Les élément qui représentent de avec les angles vifs, augmentent l'angle de frottement interne du matér maniabilité ce qui a deux effets opposés : le compactage est plus difficil celui ci, la stabilité est plus élevée. Compte tenu des progrès effectués p l'angularité est devenue une qualité importante.
Des chercheut~Qnt constaté que tant que le pourcentage de liant .'a pas va pas d' influ,ence'!ilir la résistance et la fatigue .
D'autres ont conclu qu'a même énergie de compactage, la densité, le mo vie croisseni pour la formulation composée de matériaux roulés. 152
j
Teneur en liant: Une teneur en bitume élevée améliore l'enrobage des granulats et augmente de l'enrobé. Plusieurs auteurs confirment qu'une légère augmentation de la teneur en considérablement la résistance à la fatigue.
Des recherches ont montré que pour les enrobés à faible teneur en bitu' .le, augmente, le module et la résistance à la fatigue augmente simultanéme' ,. Pui certaine valeur, le module décroît alors que la résistance à la fatigue cC' .(inue à Teneur en fines:
L'incorporation des fines augmente la compacité de l'enrot, en diminuan granulaire. Cependant, à partir d'une certaine limite, l' ajout d .; fines se tradu des caractéristiques du matériau due au mauvais enrobage é n plus de son compacité, c'est la quantité de fines qui par leur grande Sl' .ace spécifique fix film de bitume. IX.3.4 Comportement mécanique des enrobés bitumir ux:
De nombreuses recherches ont conclu que le béto r oitumineux est un matéria linéaire en petites déformations. La partie élastic .e 'lient surtout du squelette un comportement élastique. Le bitume apporte ' " partie visqueuse.
Dans un cadre général et par rapport à la df .ormation, le comportement du bé est comme suit (figure IX.3) : ;;.
Logl·1
Comportement non linéaire
·2
Comportement
Fatig>.lt
4
·6 1
-:;
4
\
n Log N
Figure IX3 : Domaines des comportements de- enrobés bitumi
-Pour un faible nombre de chargement et des déformations de quelque comportement est non linéaire.
1S3
-Lors des chargement de plusieurs dizaines de milliers de cycles et des faibl e les phénomènes d'endommagement apparaissent, le matériau se fatigue.
al Comportement élastique
Dans une expérience on exerce un cycle fermé en contrainte 0 ou en déf matériau. Si la courbe de décharge coïncide avec la courbe de charge, le co matériau est dit élastique.
Si le comportement est élastique linéaire on aura alors, dans le cas mono dime de Hooke: !FE c avec E : Module d' élasticité ou de rigidité.
La caractéristique importante de ce comportement est qu' il est indépendant d chargement.
hl Comportement viscoélastique
En absence de toute action extérieure, les propriétés mécamques de cert évoluent au cours du temps. Pour ces matériaux dit vieillissants, l'âge du mat dans son comportement.
Un corps mono dimensionnel et non vieillissant est dit viscoélastique, si l'effac d' une expérience d' effacement est total : figure lX.4 .
1
cr;..,-i .Td
Tf
T temps
i
Figure IX.4 : Expérience d'effacement (à gauche) et réponse du matériau en contrainte ( à droite)
cl Comportement viscoélastique linéaire
Le comportement est dit linéaire, s'il obéit au principe de BOLTZMAN. superposition d' une combinaison linéaire d'actions a pour réponse la supe même combinaison linéaire des réponses. cil Fonction fluage :
On appelle fonction fluage f(lo ,t,oo) d'un matériau, la réponse en fonction d déformation c(t) de ce matériau sous l'action d' une contrainte maintenue const temps 10 en partant de l'état de charge nulle 0=0, divisée par l'intensité 0 0 de ce 154
t.
t.
Figure IX.5 : Essai de fluage c21 Fonction de relaxation :
On appelle fonction relaxation r(ta,t,so) d ' un matériau, la réponse en fonction contrainte cr(t) de ce matériau sous l'action d'une déformation maintenue cons temps ta en partant de l'état nulle s=O, divisée par l'intensité eo de cette déform cr e
t
Figure IX.6 : Essai de relaxation
dl Caractéristiques mécaniques d 11 Module complexe:
La mesure du module de rigidité se fait en soumettant le matériau à d sinusoïdales de fréquences variées. Ces mesures sont effectuées dans le dom déformations pour lequel l'enrobé se comporte principalement comm viscoélastique linéaire.
La réponse d 'un corps viscoélastique linéaire à une sollicitation de type (respectivement cr(t)=cro.sin(oo .t) ) présente un régime transitoire et un régime Lorsque le régime permanent est établie, on a: cr(t)=cro.sin(oo.t+q» s(t)=eo.sin( 00 . t-q> )). La contrainte est toujours en avance de phase par rapport à la déformation.
L'expérience montre que dans le cas des enrobés bitumineux le régime perm rapidement.
Mathématiquement, il est plus avantageux de traiter les relations sinusoïda complexe. Ainsi on aura: cr*(t)=croe im t et s*(t)=so e i (ro t- ",) 155
IE'I
est appelé le modul e de rigidité, sa valeur est utilisée dans l
chaussée.
Dans cette relation, 0:0;(0:0;; , est l'angle de phase. Il caractérise le c
matéria u. Sa vale ur peut donner une idée sur la prédominance é matériau. Il est nul pour un matériau parfaitem ent élastique et le m alors un nombre réel.
On peut di stinguer la partie élastique et visqueuse du modul e compl P (im ) = El + i E 2 réelles et im aginaire :
Dans cette formu le El est la partie réell e du module complexe, récupérable de l'énergie em magasi née. E2 correspond à un co présente l' énergie di ssipée par frottement interne .
d21 RepréseQtation dans le plan complexe:
Plusieurs auteurs ont étudié le module complexe des enrobées. La f représentati ve est voisi ne d' un arc de cercle. HUET trouve que le confondu avec l' origine du plan complexe : fi gure IX 7. SA YEG a au modè le de HUET : translation de la courbe sur taxe des abscisse f
e »> /
(t)
«<
Il t* /1 .~ CP ç
Fi gure IX7 : Courbe représentative du module compl
d31 Influence de la fréquence de sollicitation :
La courbe de la figure lX7 nous fourn it des informations sur l'inf sollicitation ru sur le comportement des bétons bitumineux.
156
module complexe tend vers le premier point d'arrêt. d4/ Influence de la température:
La température El est un paramètre déterminant sur le comportement En effet, comme le liant entre dans sa composition, l'enrobé susceptible, c' est à dire que ses propriétés dépendent fortement de sa
A température basse, l'enrobé possède sous sollicitation usuelle (tr élevée et il peut se montrer fragile .
A température élevée, il représente un module faible et une défor propriétés peuvent être responsable du phénomène d'orniérage qui p faible vitesse de sollicitation. L' expérience montre que le premier p représentative du module complexe correspond aux hautes températ correspond aux basses. d5/ Principe d' équivalence fréquence- température :
La réponse d ' un solide doué de caractère visqueux est très influenc vitesse de sollicitation traduit par la fréquence et la températur d 'attribuer un module à un matériau viscoélastique (en l'occurrence l définir préalablement une température et une fréquence.
On remarque à l'examen des courbes isothermes, qu'une même valeu peut être obtenue pour différents couples de fréquence- température.
Cette propriété est appelée propriété d'équivalence temps- températur Il
est
possible
en
utilisant
cette
propriété,
de construire
(log 1E* l ,log(2ltûl)) pour une température de référence SR chois courbe est obtenue par translation parallèle à l'axe des fréquences rapport à l'isotherme correspondant à la température de référence j points de même ordonnée. La courbe ainsi obtenue est appelée « c courbe permet d'obtenir des valeurs du module pour des fréqu l'expérimentation. La figue IX. 8 présente un exemple de courbe maît La translation consiste donc à multiplier chaque fréquence par un fac translation.
Plusieurs formules ont été proposées pour exprimer log aT, celle LANDEL et FERR Y) est souvent utilisée pou, les enrobés -CI(B-BR) 1ogaT = (B-BR )+ C2
où Cl et C 2 sont des constantes qui varient avec la température de réfé 157
,.
--
+
1
•
-
, ,
+
,(
lœO
'.
=:.t : 1«(1
i
'~I,~r)r6 ,
0.Q(:«(11 0.(1)1
0.1
l(H))j
li)
Figue IX.8 : Exemple d ' isothenne et de courbe maîtres
L'équivalence temps température a une application importante dans temps joue un rôle capital. Pour simuler les essais rapides comme les grande vitesse rend difficile les mesures et observations, on peur rale température. Inversement dans les essais lents comme les essais de flu réalisation des essais en augmentant la température. d6/ Coefficient de Poisson:
Le coefficient de poisson intervient dans le dim,bnsionnement d d'évaluer les défonnations latérales. La défonnation latérale d' un cor soumis à un chargement sinusoïdal esi aussi sinusoïdale avec la déphasée de 13 par rapport à la défonnation axiale. <"* -S1· on a : GI
c1'eiOJ/ vO
La d'c . latera ' 1e sera: elonnatlOn
Le coefficient de Poisson complexe sera définit par
<"3*= G, <"03 .e''(W/+ fJJ
G
S5
0'= S6 'é
ifJ
v' est à priori un nombre complexe, cependant les expériences de m de défonnation volumique sur des essais en traction compression, t valeur de 13 est égale, sinon voisine de 180°.
Pour les matériaux bitumineux testés, la valeur du coefficient de Po 0.44 selon la température et la fréquence.
158
différente du dimensionnement des autres structures telles qu d'art, les barrages, les tunnels, etc. Ceci n'est vrai qu'en partie.
Le point commun entre toutes les réalisations de Génie Civ constructions ou des ouvrages qui permettent d' améliorer la permettant à l'Homme de s'adapter à un environnement géné protéger des caprices de la nature. Ainsi, les bâtiments lui procu travail à l'abri des intempéries; les routes lui permettent de s marchandises et de communiquer avec ses semblables; les pon de franchir des obstacles naturels ( rivières, montagnes ... ); les risques d' inondation des crues tout en assurant un approvisionn ou d'irrigation ...
De manière plus technique, on peut énoncer autrement ce p constructions et les catastrophes que peut engendrer leur effo l'objectif primordial de leurs concepteurs est d' assurer leur stabilité de forme sous l'action d'efforts extérieurs, tout en essay ouvrages. D'un point de vue mécanique, ceci revient à déte déformations des matériaux et de les comparer à des con admissibles, et ce, pour tous les ouvrages de Génie Civil. Mais l
En effet, la conception et le dimensionnement des chaussées o problèmes propres qu'il convient de traiter dans un cadre q donnons ci-dessous quelques-unes des particulari.tés les plus sig r
_ La caractéristique qui distingue le plus nettement les chaussées Civil est sans doute leur étendue: alors qu' un bâtiment, un pont constructions « locales », c'est-à-dire implantées sur un site bien facilement atteindre des dizaines, voire des centaines de kilomè problèmes de disparité du climat, de la nature du sol et de la de chaussée, et dont il faudra tenir compte.
_ La quantité de matériaux ( graviers, enrobés, remblais... ) néce route ainsi que le volume des travaux de terrassement à réaliser que pour les autres ouvrages. Le coût des matériaux, de leur oeuvre font que les routes sont les ouvrages les plus coûteux à ré
_ Par opposition aux bâtiments qui subissent essentiellemen chaussées sont sollicitées par des charges dynamiques et répét échelle de ce type de chargement conduit inévitablement à structure, même si les contraintes résultant d' un seul chargeme aux contraintes admissibles. Il faut donc tenir compte des p qu' aléatoires, que sont la fréquence de répétition des charges et du temps.
160
possède un caractère plus aléatoire que celui des autres ouvrages en gé nature hétérogène et les propriétés dispersées des matériaux employés d chaussées et surtout du sol-support rendent assez difficile la prévisio mécanique et de la rupture de la structure.
Toutes ces remarques nous amènent à une conclusion : il est néc conception et le dimensionne ment des structures de chaussées par une ap
X.l Les approches: X.!.! L' approche empirique :
Elle est essentiellement basée sur l'expérience. Tout d' abord, il faut définir la fin de la durée de vie d' une chaussée, par exemple, lorsque les de la structure dépassent une valeur admissible. Ensuite, on effectue u ensemble de sections de chaussées réelles ou expérimentales selon ce c méthodes statistiques, on détermine des relations entre la durée de vie d caractéristiques géométriques (épaisseurs des couches), géotechniques e et propriétés des matériaux utilisés).
Cette approche offre l'avantage de l'observation du comportemen existantes mais présente de nombreux inconvénients:
- elle est très coûteuse en temps d' observation et en moyens, car les param (épaisseurs des couches, nature et propriétés mécaniques des matériaux)
- elle ne permet pas de généraliser les résultats obtenus et les extra hasardeuses, car les observations et les conclusions ne s' appliquent qu'a aux conditions d 'environnement des observations et aux sols supports ren C'est le cas de 1'AASHO (American Association of States Highway Officiais) de 1951
X. 1.2 L'approche rationnelle :
Elle se base essentiellement sur la théorie de la Mécanique des Milieux concevoir un modèle de chaussée qui reproduise le plus près possib mécanique de la structure. Il s' agit, en premier lieu, de déterminer les contraintes et les déformation chaussée et le sol-support sous l'effet des chargements représentant le tra on se bast' sur les lois de comportement des matériaux, en acco mathématique choisi.
En second lieu, on réalise le dimensionnement de la structure de chaus des vérifications mécaniques à effectuer. Ces vérifications mécaniques po sur deux aspects :
161
en surface jusqu'à l' expiration de cette durée de vie;
_ une vérification vis-à-vis des déformations permanentes: on doit déformations permanentes obtenues dans la structure de chaussée - à ca charges et de la non-élasticité parfaite des matériaux - soient toujou domaine de déformations admissibles afm d 'éviter l'apparition de défo surface qui pourraient engendrer des défauts inacceptables, et ce jusqu vie de la chaussée.
Cette approche rationnelle présente l'avantage de traiter les problème des structures de chaussées de manière générale tout en offrant nécessaire. Néanmoins', il faut toujours garder à l'esprit le fait qu 'il n concevoir un modèle relativement simple d'utilisation tout en reprodui fiabilité suffisante. En effet, comme nous le verrons par la suite à modèles qui seront présentés, un modèle de conception simple don éloignés de la réalité, surtout en ce qui concerne les chaussées multicouches, alors que les modèles complexes sont assez délicats à m mettre en oeuvre, même avec le développement d 'outils de calcul très p
De toutes les manières, le meilleur moyen de résoudre un problème de structures de chaussées serait sans doute de considérer les deux aspe l'expérience en essayant de les concilier dans la mesure du passible au résultats théoriques à partir d 'observations effectuées sur des cas réels.
Enfin, il est un point qu' il est indispensable d'évoquer, vu son import résoudre les problèmes qu' il pose, dès que 1'011 parle de concept chaussées : le caractère probabiliste des propriétës des matériaux u obtenus. En effet, et par opposition aux bâtiments, aux ouvrages d ' art .. matériaux liés par du ciment, qui confère au béton une certaine homo utilisés pour la construction des chaussées, granulats, remblais, s hétérogènes et leurs propriétés mécaniques sont assez dispersées d ' un ou d' une section à une autre; la rupture par fatigue des matériaux devie aléatoire et la durée de vie d' une structure de chaussée ne peut êt précise. Dans l'état actuel des choses, le seul moyen de diminue d ' apporter un soin particulier au choix et à la mise en oeuvre des construction de la chaussée.
D'où la conclusion suivante: aucune approche, aucun modèle, aussi p ne sont fiables si la mise en oeuvre n' est pas à la hauteur et si la q médiocre. X. 1.3 Particularités de la démarche:
al Choix d 'un objectif
La première particularité tient à la définition que l'on fixe à la chaussée il s'agira de fixer la durée de vie de la chaussée. Cette durée est définie p 162
- la durée souhaitée, c'est-à-dire la durée au bout de laquelle cet état limit
1
r
La probabilité d'apparition de dégradations ne peut être faible car c sensible augmentation du coût des chaussées par rapport à la pratique act
1
Contrairement au cas des ouvrages d'arts et des ouvrages de Génie Civil n'a pas pour objectif de rendre l'apparition des dégradations hautement donc rester tout près de la rupture).
bl Aspect probabiliste:
Les propriétés des sols-supports et des matériaux de chaussées sur un chaussée sont dispersées, la rupture par fatigue d'un matériau est un l'épaisseur des diverses coucbes de chaussées est également dispersé d'apporter des précautions lors de la fabrication et de la mise en œuvre.
cl Environnement:
La teneur en eau des sols détermine leurs propriétés, la température a un sur les matériaux bitumineux et conditionne la fissuration des matéri hydrauliques.
dl Conditions de chargement :
On ne peut se contenter, comme dans le cas des ourrages d'art pour le travaillent loin de la limite de rupture, de cas de charge conventionnels. I la distribution complète des charges par essieu des véhicules lourds circ et donc déterminer l'effet de ces différentes charges. Ceci pose donc un problème difficile de prévision du trafic et de sa différentes charges par essieu.
el Modélisation:
Les variations des tenseurs des contraintes aux différents nivea multicouches, résultant du passage en surface d'une charge roulante complexité. Des simplifications et des approximations sont nécessaire consiste la modélisation du problème, d'abord pour prévoir les contrainte qui apparaîtront aux divers niveaux de la structure sous charge, puis po des matériaux sous l'effet de ces contraintes ou déformations.
La modélisation des conditions aux limites est particulièrement difficile entre couches successives, soit pour le comportement aux fi ssures d traitées aux liants hydrauliques.
Mais c'est surtout pour la modélisation du comportement des matériaux approximations sont nécessaires. Les caractéristiques mécaniques des m sont déterminés par des essais en laboratoire sur éprouvettes, qui ne peuv 163
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
façon très approchée les sollicitations réelles dans une chaussée. En ce qui concerne la fatigue des matériaux bitumineux, un autre phénomène vient rendre encore plus discutable la prévision du comportement faite en laboratoire, c'est l'influence des périodes de repos entre cycles de chargement, qui existent dans la réalité mais ne peut être reproduite en laboratoire et. qui pour une amplitude de sollicitation donnée, peut multiplier la durée de vie par un facteur allant jusqu'à 2.
j7 Calage des modèles: L'existence d'un coefficient de calage résulte à la fois de l'inadaptation du modèle et des difficultés pour affecter des valeurs numériques à certains paramètres. Il peut être considéré sous deux angles: - comme un facteur d'ignorance que la mise au point de modèles de comportements plus élaborés mais plus complexes vise à réduire; - comme un moyen pour chiffrer un coefficient de sécurité que l'on analyse en fonction de l'objectif fixé au dimensionnement et compléter ainsi la notion de risque pour une chaussée. La première phase du modèle, celle qui consiste à prévoir la répartition des contraintes et des déformations aux divers niveaux des couches de chaussées, peut être vérifiée par des mesures de déformations il l'aide de jauges ou par la méthode d'ovalisation. Le recours à l'observation du comportement des chaussées réelles permet de déterminer une contrainte admissible de matériau. L'expérimentation est utilisée dans l'approche rationnelle pour "valider" le modèle qui pourra ensuite être, dans une certaine mesure, généralisé.
X.2 Les modèles de la mécanique des chaussées: De nombreux modèles ont été proposés pour résoudre les problèmes de dirnensionnement des structures de chaussées. ·Nous indiquerons ur/iquement ceux qui sont représentatifs de l'évolution de la résolution de ces problèmes. X.2.!. Le modèle monocouche de Boussinesq ( 1885 ) : Bien que ce modèle définit une méthode assez simpliste de résolution du problème, il mérite d'être cité car Boussinesq a sans doute été le premier à proposer une méthode scientifique de résolution, basée sur les connaissances de la mécanique des matériaux en son temps .. Le principe de base du modèle est que le corps de chaussée n 'est pas trop différent du solsupport, de sorte que la contrainte verticale se répartit dans le corps de chaussée de la même manière que dans le sol. li s' agira donc de considérer un massif monocouche semi-infini ( dit de Boussinesq) - soumis à une charge modélisée par une pression uniforme q 0 sur un disque de rayon a, et de chercher la profondeur H à laquelle la contrainte verticale crz devient inférieure à la contrainte admissible (crZ)' d du sol. Le calcul est effectué en prenant les propriétés mécaniques du massif, module d'Young E, et coefficient de Poisson v" comme étant celles du sol-support, et en supposant celui-ci élastique. La hauteur H ainsi trouvée pourra être assimilée à l' épaisseur nécessaire de la chaussée, ou bien on peut affiner le calcul en faisant intervenir une fonction de transfert qui tienne compte du rapport ElIE, , où El est le module d'élasticité du matériau constitutif de la chaussée. 164
Chapitre X : Dîmensîonnement des structu res de chaussées
On donne les expressions des contraintes et des déplacements pour le type de chargement qo' ,.
2
charge repartie : PD = a + z 17"
2
= I7 lJ(j = qo 12[-(1 + 2 v) + (2(1 + v)z / ,f,D,) - (z / ,f,D,)' ] 17= =qo[-l +z ' / ·PD 312 ] et, avec 'P=(a / r)sine ,on a
2 2 w=4(1- v 2 )q or / 1l"4s;'2 .J1-'P 2de- (l - a 2 / r )s;'2 dB / .Jl-'P ]
On obtient alors l'épaisseur H' qu'il conviendrait de donner à la chaussée:
X.2.2. Les modèles bicouches : Le modèle de Boussinesq ne donne de résultats acceptables que lorsque les modules d'Young du corps de chaussée et du sol-support sont du même ordre de grandeur. Mais si la contrainte verticale admissible de ce dernier s' avère très faible par rapport à la charge exercée en surface, on arrive à des hauteurs très grandes pour le corps de chaussée, ce qui est très coûteux. Pour diminuer cette épaisseur, on peut utiliser des matériaux traités aux liants hydrauliques ou hydrocarbonés; ainsi, on augmente sensiblement le module d' Young du corps de chaussée ( c'est-à-dire le rapport E 11E2 ) et on peut obtenir des contraintes admissibles dans le sol avec des épaisseurs de chaussée assez faibles. Le problème est que l'on ne peut traiter ce problème avec le modèle de Boussinesq car les propriétés mécaniques des deux couches ( corps de chaussée et sol-support ) sont trop différentes; il a donc fallu passer aux modèles bicouches. En augmentant le module d' Young de la chaussée, J n modifie totalement son comportement mécanique: sous l'action d'une charge en surface, elle se comporte quasiment comme une poutre, se déforme et subit ainsi une flexion qui engendre des contraintes de traction dans sa partie inférieure. Le dimensionnement de la chaussée se ramène alors à la vérification des deux critères suivants: - la contrainte verticale dans le sol-support doit être inférieure à la contrainte admissible, établie en fonction de la nature de ce sol et du cycle des chargements dans le temps; - la contrainte de traction par flexion à la base de la couche doit être inférieure à la contrainte admissible, établie en fonction de la nature du matériau et du nombre de cycles de chargement. Dans cette optique, deux modèles offrent l' avantage de présenter des solutions au problème bicouche ( qui n' est pas évident à résoudre) avec des approches sensiblement différentes.
al Le modèle de Hogg ( 1938 ): li se situe dans le prolongement logique du modèle de Boussinesq : Hog'g a considéré une plaque modélisant la chaussée, qui repose sur un massif de Boussinesq schématisant le sol-
165
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
support. Pour simplifier le problème, il a adopté les hypothèses suivantes connues dans le cadre de la théorie des plaques comme étant les hypothèses de Navier: - le plan moyen est confondu avec la fibre neutre; - les sections planes avant déformation gardent leur planéité pendant la déformation; - les contraintes normales suivant une direction transversale sont négligeables. Il s'agit alors de résoudre l'équation de Lagrange pour les plaques minces: D . "" w = p
avec D = E l. H
l
/ (
12.( 1-
VI' »
- w est le déplacement vertical de la fibre neutre;
- D est une caraCtéristique de la rigidité de la plaque; - p = crz - qo .
Le problème de Lagrange est ici bidimensionnel et en coordonnées polaires. Cette équation admet une solution analytique en termes de contrainte de tracticn:
-P=
1t
.qo .a' : charge totale exercée sur un disque de rayon a;
- H : épaisseur de la plaque ( ou de la structure de chliUssée ); 1
1 - ljI est une fonction intégrale des modules d' Young El et E 2 du matériau de chaussée et du sol-sup;Jort, de l'épaisseur H, du rayon du disque chargé a et de la fonction de Bessel de premi èrt espèce JI (x).
bl Le modèle de Westergaard ( / 926): Bien qu'étant chronologiquement antérieur à celui de Hogg, le modèle de Westergaard mérite d' être cité, car il se base sur une approche fondamentalement différente. En effet, le modèle de Hogg constituait une suite logique du modèle de Boussinesq en superposant une plaque mince schématisant la structure de chaussée sur un massif semi-infini représentant le solsupport. Westergaard, lui, a pris en considération le fait que le comportement du sol est bien plus complexe à décrire dans la réalité que par le massif simple de Boussinesq; il a gardé l'hypothèse de la plaque mince mais a modélisé le sol par un ensemble de ressorts dont le déplacement vertical west proportionnel à la contrainte verticale v en ce point, soit : avec k: module de réaction du sol-support. w = l /k . v , La résolution de l'équation de Lagrange pour les plaques minces en mode bidimensionnel devient alors bien plus simple à résoudre. Par des changements de variables adéquats et par l'introduction d ' une dimension 1 dite rayon de rigidité de la chaussée, on arrive à une équation différentielle relativement aisée à résoudre: tJ.' w(x) + w(x) = q(x)/k 166
Chapitre X : Dimensio nnement des struc(ures de chaussées
Pour résoudre cette équation, on utilise la transformée de Henkel sur les variables du problème; on obtient ainsi la solution en déplacements verticaux: 00
w(x) = qo.a 1 k.1 Jo m 1 (m4 + 1). J , (m.a ll) . Jo (m. x) dm avec Jo(x) et J ,(x) étant respectivement les fonctions de Bessel d' ordre 0 et de 1ère espèce. Ainsi, en déterminant les déformations verticales, on peut aisément déduire les contraintes au moyen des moments de flexion, car les déformations sont liées à ces moments, et donc aux contraintes, par de simples opérations de dérivation.
X 1.3 Le modèle multicouche de Burmister ( 1943 ) : Les modèles bicouches, bien que relativement simples d' utilisation et fournissant des résultats assez valables pour des structures de chaussées traditionnelles, ont assez rapidement montré leurs limites, surtout en ce qui concerne les structures modernes; de plus, les hypothèses de base de ces modèles sont trop fortes el trop simplificatrices pour modéliser le comportement des structures de chaussées modernes, comportant au moins trois couches pour les plus simples d' entre elles: le sol-support, le corps de chaussée en matériau granulaire et la couche d' enrobé. Burrnister a remédié à ce problème en arrivant à traiter le problème général à n couches. Il a établi un modèle assez puissant et qui est d ' ailleurs encore largement utilisé de nos jours dans les logiciels de dimensionnement des structures de chaussées (exemple du logiciel ALIZE III du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - France). Les principaux atouts du modèle de Burmister sont les suivants: - toutes les couches sont traitées comme étant des solides élastiques; l' hypothèse - trop simplificatrice - des plaques minces est donc évitée;
l
- les interfaces entre les différentes couches de la structure peuvent être, au choix, soit collées, soit glissantes; de plus une même structure peut présenter les deux cas d'adhérence de manière simultanée; - les cas de charges multiples peuvent être résolus par superposition de chargements élémentaires. L'hypothèse de base du modèle de Burrnister, et qui constitue sa principale limitation, est la même que celle qui a été choisie par Boussinesq et Hogg : les couches sont infinies en plan. Néanmoins, cette hypothèse permet de simplifier les calculs et de proposer des solutions analytiques car elle confère au problème une symétrie de révolution: figure Xl. Ainsi, en traitant le problème d' élasticité en coordonnées cylindriques, celui-ci revient à la déternination de fonctions de tension ( dites fonctions de Love)
(1 )
où t:;2 = ( d2/dr 2 + 1/r. dldr + d2/dz2 )e) est le double Laplacien en coordonnées cylindriques tenant compte de la symétrie de révolution du problème. .
167
Chapitre X : Dim ensionnement des structures de chaussées y
/
" r
Figure X.I : Modélisation en coordonnées cylindriques.
Dans le cas des structures composées de n couches de caractéristiques élastiques différentes, on recherche n fonctions définies, dans chacune des couches i par /,;'rpi(r , ~ ) = 0 et par les conditions aux limites, interface supérieure et interface inférieure de la couche. Pour résoudre ces équations différentielles, on effectue la transformée de Henkel des fonction s
f
Les soluti ons des équations (2) sont polynomiales de la forme :
i ,1
., 1 1
=
y; (m) [{ A; (m) + z.B; (m)} .e mz - {C; (m) + z.D; (m)} .e'mz ]
Pour chaque fo nction
=
qo (r)
et.t ", = 0 ;
- 2 conditions à l' infini ( selon z ) : la fonction
168
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
1. crz (k) = cr z (k+ 1); 2. w (k) = w (k+I); si f 'in/ elface es/ gfissan/
si f'in/erface es/ collé
f
1
3. Ta (k)=O 4. Ta (k+ I)=O
3. Ta (k) = TnCk+ 1) 4. u(k)=u(k+ l )
avec u le déplacement radial et w le déplacement vertical. Au total, on obtient le nombre de conditions aux limites nécessa1re pour déterminer entièrement les fonctions (j);*(m,z). Enfin, on effectue la transformée de Henkel inverse pour revenir aux fonctions (j);(m,z) et les contraintes et les déplacements sont exprimés selon les différentielles de ces fonctions par rapportàrou àz:(ip;(r,z) est telle que ô 2ip;(r ,z)= 0) : En contraintes: (j.
,s [ (2 - v)Ôip-,s2ip] = -Ii: li: ,
(j
=
.
,
i.[ li:
VÔm _ 'f'
,s2 ip] ,sr'
En déplacements:
1+ v,s'ip { U = -T ,srli: 1 + v[ (1-2v)Ôip+ -,s' ip 1 ,sip] 2 +-{ ~=-E ,sr r ,sr Le modèle de Burmister permet donc de résoudre des problèmes d' élasticité à n couches de manière analytique, tout en adoptant des hypothèses simplificatrices plus faibles que celles de ses prédécesseurs. Néanmoins, c'est un modèle qui nécessite l' emploi d'outils de calcul assez puissants et il a fallu attendre l'essor de l' informatique et la mise au point d' ordinateurs performants pour que des logiciels de calcul utilisant ce modèle aient pu voir le jour dès le début des années 1970. On peut citer, entre autres: -les programmes ALIZE III et ALIZE IV du L.CP.C; -le programme ECOROUTE 3 de l'E.N.P.C ; 169
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
- le programme BISTRO de la SHELL; -le programme CHEV 5L de la CHEVRON; - le programme MOEBIUS de EXXON. Toutefois, le modèle de Bunnister, malgré sa puissance, présente des limites qu' il est important d'évoquer. En effet, l'évolution du trafic routier actuel, la nécessité de concevoir des chaussées qui répondent à des critères de plus en plus pointus, l'utilisation de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques dans la construction routière et les exigences économiques actuelles orientées vers l'optimisation des coûts et des résultats demandent des méthodes de conception et des modèles de base de plus en plus perfectionnés et qui fournissent des résultats de plus en plus précis et correspondant le mieux possible à ce qui se passe dans la réalité. Dans cette optique, le modèle de Bunnister présente les inconvénients suivants: - L'hypothèse d'élasticité linéaire des matériaux utilisés, si elle simplifie les calculs et pennet de donner des solutions analytiques, constitue une modélisation trop simpliste de la réalité. Pour les matériaux granulaires purs ( grave non traitée ... ) on peut encore, à la limite, admettre cette loi de comportement élastique, mais ceci ne devient plus valable pour les matériaux traités aux liants hydrocarbonés ( grave bitume) et encore moins pour les enrobés bitumineux, dont le comportement est beaucoup plus complexe: visco-élasticité, !benno-élasticité.. - L' hypothèse de couches infinies en plan confère au problème une symétrie de révolution bien commode, mais constitue dans plusieurs cas une trop grande simplification. En effet, si pour les chaussées conventionnelles où les chargements sont éloignés des bords on peut admettre cette hypothèse, pour les chaussées en dallds , de béton ou pour celles construites en site urbain les chargements peuvent être très proches des bords et il faut tenir compte de ces effets de bord sur le comportement de la structure. - Le modèle de Burmister permet de traiter les cas extrêmes de contact totalement glissant ou totalement adhérent à l'interface entre deux couches, mais dans la réalité, on est toujours entre ces deux situations, avec l' existence d ' un contact frottant - ni totalement glissant ni totalement adhérent - entre les couches; or, le modèle de Burmister ne permet pas de traiter ce problème qui a une influence sensible sur le comportement mécanique de la chaussée et sa stabilité. Tout ceci nous amène à penser que l'élaboration de modèles plus performants est devenue une nécessité, appuyée par l'évolution des technologies et des outils de calcul. Ainsi, le modèle de calcul par éléments finis, dont l'utilisation pratique était impensable il y a 20 ans vu sa complexité et la masse de calculs à effectuer, est devenu aujourd'hui, grâce à l'évolution fulgurante de l'informatique, un outil de calcul assez facile d'accès et surtout, très précis, iTès souple et très fiable.
X.3 Les matériaux, le sol et le Trafic: Quel que soit le modèle utilisé dans la conception et le dimensionnement des structures de chaussées, il devra toujours tenir compte d ' un certain nombre de paramètres dont l' influence 170
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussees
sur le comportement mécaruque de la structure et la durée de vie de la chaussée est fondamentale . Ces paramètres peuvent être classés en quatre groupes: - la nature et la qualité des matériaux; - la nature et la qualité du sol-support; - le trafic; - le climat. Dans ce chapitre, on traitera les trois premiers groupes de paramètres. Le climat, quant à lui, est traité à part. X.3.! Généralités sur la fatigue des matériaux : On sait depuis longtemps que la plupart des matériaux ne se comportent pas de la même façon sous l'action d' une charge instantanée et permanente que sous l'action de charges répétitives. Ainsi, un matériau soumis à un grand nombre de charges répétées peut rompre malgré le fait que chaque charge soit largement inférieure à la limite de résistance à la rupture instantanée de ce matériau (phrase en arabe); d ' autre part, on observe une diminution de cette limite de résistance dans le temps. Ce phénomène est connu sous le nom de fatigue des matériaux. Cette fatigue est l'une des caractéristiques qui différencient les structures des chaussées des autres ouvrages de génie civil. En effet, alors que les bâtiments, les barrages.. subissent essentiellement des charges permanentes et statiques - les charges dynamiques étant d ' ampleur négligeable - et sont par conséquent moins sujets au phénomène de fatigue, celui-ci est primordial pour les chaussées qui subissent des charges dynamiques et répétées. Nous décrivons dans la suite les manifestations générales de ce phénomène.
al Les courbes de Wohler:
i Ces courbes permettent de donner, pour un matériau donné, l'évolution de l'amplitude de la contrainte de rupture par fatigue en fonction du nombre de sollicitations identiques et répétées. 1
a
-
-- -- --
---
---
10
N
Figure X.2: Courbe de Wohler: Amplitude de la contrainte en fonction du nombre de sollicitations
171
Chap itre X : Dimensionnement des structures' de chaussées
L' expérience de base consiste à prendre une éprouvette d' un matériau donné et dt: lui faire subir une succession de sollicitations identiques jusqu' à la rupture de l'éprouvette; on obtient ainsi la résistance à la fatigue de ce matériau pour N cycles, c' est-à-dire la valeur de la contrainte qui, répétée N fois, provoque la rupture par fatigue dans le matériau. Il existe différentes fonnes de relations liant l'amplitude de la contrainte maximale au nombre de sollicitations, mais les deux fonnes les plus utilisées sont: - cr = A. N"Y: la courbe de Wôhler est une droite en échelle logarithmique (log -log); - cr = a - b. log N : la courbe de Wôhler est une droite en échelle semi-logarithmique. Pour les sol et les matériaux non traités, il existe une différence d'appréciation. En effet, ce que l'on veut pour le sol sous chaussée, c 'est que [; p (la défonnation pennanente, cf chapitre IX) ne dépasse pas une limite donnée [; pl correspondant par exemple dans le cas d'une chaussée souple à une profondeur d ' ornière fixée. Comme [; p dépend de la sollicitation laquelle est liée a ,m>x ' on voit que le dimensionnement vis-à-vis du sol peut s' envisager comme le matériau lié du corps de chaussée. Ainsi, la limite de résistance d'un sol consiste en la fixation d ' un enfoncement limite à ne pas dépasser par suite des défonnations irréversibles de tassement. Dans une expérience sous charges répétées pour un sol, on constate qu' au bout d'un nombre de cycles généralement assez faible (10 à 100), le module reste sensiblement constant. Alors, on peut dire que l'enfoncement pennanent pour N cycles est fonction de (a 1 - 17 2 ) / E tenne qui pourrait se relier à [;, défonnation relative verticale au niveau du sol. Pour avoir [; p en fonction de N cycles inférieur ou égal à une valbur donnée admissible, il faudrait que [;, à chaque cycle reste d'amplitude limitée. Ceci peut expliquer que les courbes limites retenues pour les sols soient souvent de la fonne : log [;, = A - log N / B ; A et B constantes Exemple: [;, = 21000 *10-6 N -O·24
.
Certains auteurs préfèrent faire intervenir la contrainte a, sur le sol et on a en particulier : - la fonnule de Jeuffroy a, = 0.006. E D / 1+ O.7.1og N a, = 0.152. E.N-0 .307 -la fonnule danoise : Cette considération conduit en fait à retenir des valeurs faibles de la contrainte sur les sols de faib le portance.
hl La limite d'endurance ( ou limite de fatigue).Certains matériaux admettent une limite minimale de la contrainte de rupture par fatigue, c' est-à-dire que si on applique des sollicitations de valeur inférieure à cette limite, on peut les répéter un nombre infini de fois sans qu' il y ait rupture par fatigue. Cette valeur est appelée
172
Chapitre X : DimensÎonnement des structures de chaussées
limite d' endurance ou limite de fatigue et a une grande importance pratique en mécanique des matériaux. Certains métaux ( et en particulier les aciers) admettent une limite d'endurance dont le rapport à la limite de rupture instantanée est compris entre 30 et 60 %. Pour d' autres matériaux, dont les enrobés bitumineux, on n'ajamais pu prouver l'existence de cette limite d'endurance. La conséquence de ce fait est que la rupture par fatigue peut se produire dans ces matériaux quelle que soit la valeur de la sollicitation. Ceci explique le fait que les chaussées se dégradent bien plus rapidement que les autres ouvrages, vu la nature des chargements auxquels elles sont soumises, mais aussi parce que la rupture par fatigue est inévitable dans les matériaux qui constituent la structure des chaussées.
cl Le cumul des dommages et la loi de Miner: Si l' on a présenté la rupture par fatigue au moyen d' un nombre N de sollicitations répétées de valeur identique, la réalité est bien différente. En effet, les chaussées subissent une répétition de charges à valeurs variables et à fréquences aléatoires, ce qui est différent du cas idéal et entraîne des changements dans la détermination de la contrainte maximale de fatigue et de la durée de vie de la chaussée. Pour résoudre ce problème, Miner a proposé une loi qui, malgré les marges d ' incertitude qu'elle induit, a le mérite de la clarté et de la simplicité. De plus, elle donne une idée assez précise sur la notion de cumul des dommages, et les écarts d'incertitude dus à l'utilisation de cette loi se traduisent, lors de la conception et du dimensionnement des chaussées, par des variations assez faibles des épaisseurs des couches de la structure; on peut donc l'accepter. Considérons d' abord le problème suivant: une structure est soumise à deux types différents de sollicitations: - des sollicitations d 'amplitude crI provoquant une rupture par fatigue pour un nombre NI de sollicitations, et appliquées un nombre nI de fois tel que n, :s; N, ; - des sollicitations d' amplitude cr2 provoquant une rupture par fatigue pour un nombre N2 de sollicitations, et appliquées un nombre n2 de fois tel que n2 :s; N 2. Quelle est la relation entre n, et n2 ? La loi de Miner propose la relation suivante qui postule l' additivité des dommages subis:
On peut également généraliser cette loi pour des sollicitations par un nombre k de contraintes d'amplitudes différentes: k
Lni/ Ni = 1 i=1 Cette fonnule donne une valeur approchée traduisant le cumul des dommages. Ainsi, on a observé le fait suivant: si l'on commence par appliquer les sollicitations dont l'amplitude de 173
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
la contrainte est la plus faible, la durée de vie totale de la chaussée augment en général, c'està-dire que la somme des dommages est supérieure à 1: on dit qu' il y a eu entraînement de la structure à la fatigue . L' inverse se produit lorsqu'on commence par appliquer les sollicitations dont l'amplitude de la contrainte est la plus élevée : la somme des dommages devient inférieure à 1 et la durée de vie de la chaussée diminue. X.3.2 Le trafic et les structures de chaussées: Du point de vue de la mécanique des structures de chaussées, la composante du trafic routier qui exerce une influence prépondérante et qui doit donc être prise en compte est le nombre de poids lourds; en effet, ce sont eux qui transportent les charges les plus élevées et qui sont donc les plus agressifs pour les structures de chaussées, alors que les voitures particulières n'ont qu'une influence très négligeable et ne sont donc pas prises en compte. Lors du dimensionnement des structures de chaussées, on doit donc établir un comptage du trafic des poids lourds portant sur deux aspects: leur nombre et leur nature. En effet, la classe du trafic poids lourds est très large, elle va du camion simple à deux essieux au semiremorque, en passant par les autobus, les tracteurs agricoles, les engins spéciaux, etc. Il faut donc établir le nombre et la nature des essieux susceptibles d ' emprunter la chaussée pendant toute sa durée de vie. Pour cela, il faut établir un classement des différents essieux existants et déterminer un taux d 'agressivité pour chacun d'eux. Ensuite, il s'agit d'extrapoler ce nombre sur toute la durée de vie de la chaussée ( en général, de 15 à 20 ans à partir de l'année de mise en service) en se servant des comptages périodiques, des données statistiques établies et des prévisions concernant l'évolution du trafic des poids lourds. On définit alors une charge équivalente dont le nombre de cycles, étalé sur la durée de 'Ile de la chaussée, servira de base au 1 dimensionnement de la structure de chaussée.
al Schéma de la démarche: L' introduction du trafic dans un programme de calcul suppose une schématisation adaptée. A cet effet, le principe de calcul fait appel à deux approches distinctes et complémentaires: - la représentation de la charge de référence ou charge unitaire; -la détermination du nombre d 'application de cette charge ou intensité du trafic N. A partir de la charge unitaire, on effectue le calcul des contraintes et déformations critiques pour la représentation géométrique de la structure routière. Le nombre N déterminant l' intensité du trafic sera utilisé pour établir le niveau des contraintes ou déformations admissibles en utilisant les courbes de fatigue des divers matériaux constituant les couches de chaussée(y compris le sol).
174
.
•
Chapitre X : Dif"ensionnement des structures de chaussées 1"
1."
bl Charge de référence ou charge unitaire:
Essieu tandern ju melé
EThJ
)(><
HH
H){
<><
Essieu isolé jumelé
~
ru
<>
!
rrH(}tH
"1 >1 )
><>
Hl )(
(
Figure X.3 : Types d'essieux On considère en général le cas d'un demi essieu isolé et l'on assimile l'empreinte du pneumatique sur la chaussée à un disque de rayon a chargé par une pression verticale unitaire qo de manière que sur chacune des roues, le poids réel P soit schématisé par
P=tr.a' .qo. Si l'essieu comporte un jumelage, on utilise deux disques dont les centres sont espacés de 3.3 . pans le cas le plus courant. Le poids du jumelage est égal à 2P=2tr.a 2 qo L'essieu de référence est l'essieu de 13 tonnes à roues jumelées. La charge de référence est le jumelage de 6,5 tonnes pour des pneumatiques dont la pression de gonflage est voisine de 0,8 MPa. La pression verticale unitaire est alors qo= 0.662 MPa et le rayon du disque d' empreinte est 3 :;- 0,125 m.
cl In/ensilé d 'application N : On calcule le nombre N en déterminant d'abord le nombre d ' essieux journaliers équivalent ITîle. Le calcul de Ne nécessite un hi stogramme des poids d'essieux portant en pourcentage le nombre n, d'essieux par tranche de poids p;. Pour chaque structure type, on calcule la contrainte (J, pour chaque tranche de poids p; .
O.h, additionne les dommages en utilisant la fréquence n, et la loi de fatigue du matériau pour le paramètre considéré (t:, pour le sol et les matériaux granulaires, E: T pour le béton bitumineux et.(J T pour et la grave ciment), en adoptant la loi de Miner. !Dans le contexte français, les types de structures rencontrés et la nature des matériaux utilisés ",rmet de simplifier la méthode en faisant le calcul directement sur P; et en admettant la ~
formule d'équivalence suivante: Ne= Ln, (P; / Pn )a ?,: tranche de poids Pre' : poids de référence a '; 4 chaussées souples ou bitumineuses a;= 8 chaussées semi-rigides.
175
Chap itre X : Dimensionnement des structures de chaussées
Le calcul du trafic cumulé N, à partir du trafic à la mise en service et de l' agressivité du trafic nécessite de se fixer deux paramètres définissant la longévité de la chaussée : la durée d~ service et le taux de croissance du trafic. Leur choix appelle quelques commentaires. On aura amSl : N = Ne x durée de calcul.
dl Durée de service: Elle est la période pendant laquelle on n' aura pas en pnncipe à effectuer des travaux d' entretien structurel. Son choix traduit en fait le choix d'une stratégie de dimensionnement en tenant compte notamment des dépenses que le maître d ' ouvrage veut ou peut consacrer à I~ construction d ' une part et à l'entretien d ' autre part. Il faut ajouter que le comportement effectif d ' une structure de chaussée est foncti on de la qualité des travaux (épaisseurs, compacités... ), du trafic réellement supporté et constitue de toute façon un phénomène assez dispersé. Il en résulte que le choix de la durée de service doit se doubler d' hypothèses sur l'état final de la chaussée à la fin de cette durée, à partir de considérations sur le phénomène dispersé que constitue la rupture d' une chaussée.
el Taux de croissance : Le taux de croissance à prendre en compte doit représenter non seulement l'augmentation probable du trafic poids lourds mais également celle de son agressivité. Le catalogue a été établi pour un taux de croissance de 7%. X.3.3 Le calage des résultats: Le calcul par un programme des allongements et des contraintes dans une structure de chaussée soumise à un chargement particulier, n' est qu' un outil de travail dont les résultats n'auront de valeur que dans la mesure où les paraJ!iètres d ' entrée seront justes. Dans la pratique des dispersions interviennent à différents niveaux: épaisseurs, propriétés mécaniques des matériaux, le mode de rupture in situ. Le calcul de chaussée doit intégrer ces dispersions ou ces différences de comportement, ce qui nécessite obligatoirement une grande connaissance expérimentale des matériaux et des structures. Cependant, il n' est pas possible de prendre systématiquement en compte ces dispersions dans leur totalité pour des simples raisons économiques d'où l'intérêt d ' introduire un coefficient de risque, attaché à une structure, qui traduit en quelque sorte l'incertitude que l'on accepte entre le calcul théorique d ' une structure et le comportement in situ sanctionné par la pratique dans des cas analogues. Ceci revient donc à retenir sur la droite de fatigue du matériau, une contrainte admissible 0"N' < O"ad qui prend en compte l'existence in situ de zones d' épaisseur inférieure à l'épaisseur nominale que l'on adoptera et des matériaux aux caractéristiques plus faibl es que celles obtenues en moyenne au laboratoire. La différence de comportement entre le matériau type testé en laboratoire et celui rencontré in situ, est prise en compte dans la détermination de la limite admissible O"nd à laquelle sera comparée la valeur de la contrainte fournie par le programme: O"ad
=
k .O" N'
176
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
La pratique consiste donc à appliquer la formule: a ad = k.aN' au lieu de a ad = a N k et a N' étant des valeurs calées par l' expérience du comportement des matériaux in situ, et de leur mise en œuvre usuelle.
X.4 L'approche pratique tunisienne (cas du catalogue 1984): Il s'agit de déterminer pour chaque cas de dimensionnement deux classes: une classe qui renseigne sur l'intensité du trafic et une classe qui caractérise le sol support. Le paramètre climat est pris en compte dans la détermination de la classe du sol support. La connaissance des deux classes permet de choisir une structure dans un catalogue formé de fiches qui dépendent des matériaux à utiliser dans la structure choisie. La démarche à suivre est la suivante:
al Calcul de la classe du trafic : A partir des données des comptages, on calcule le trafic moyen équivalent journalier de poids lourds à l'année de mise en service en appliquant les coefficients d'équivalences propres à chacune des catégories de véhicules des comptages effectués. Les coefficients à appliquer dépendent des catégories des poids lourds (voir chapitre II) et sont représentés dans le tableau X.I : Catégorie des poids lourds Camions FI + H des comptages routiers
Articulés F2 + Gl+ G2
Autocars 1
5.93
0.43
0.92
0.07
t
Coefficient d'équivalence à l'essieu de 8.15 tonnes
1.71
Coefficient d'équivalence à l'essieu de 13 tonnes
0.24
,
Tableau X.l : CoeffiCients d "eqwvalence des P.L en fonctIOn de l'eSSieu de reference On détermine le taux d'accroissement annuel chaussée.
't
du trafic et on choisi la durée de vie D de la
Le trafic cumulé équivalent Neq correspondant au nombre de répétitions de la charge de l' essieu de référence (8.15 tonnes ou 13 tonnes) qu'aura supporté la chaussée durant toute sa durée de vie est donné par la formule suivante:
i 1
Neq = 365. MJA. MJA 't
D
Aq
( l+r)D-l . Aq r
: Moyenne journalière annuelle en PL : taux de croissance annuelle du trafic poids lourds : Durée vie souhaitée en années (10, 15 , 20 ans) : coefficient d'équivalence globale des poids lourds.
177
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussees
La valeur de N,q nous donne la classe du trafic selon le tableau X2.
Classe de trafic (TJ
Tl Tz Tj T. Ts
Nombre de passage cumulé de l'essieu de référence dans le sens le ]Jlus chargé (en million) Essieu simple de 13t Essieu simple de 8.15t 4.0 - 2.0 28.5 -14.0 2.0 -1.0 14.0 - 7.0 7.0- 3.5 1.0 - 0.5 3.5 -1.0 0.50- 0.18 0.18 - 0.09 1.0 - 0.6 ..
Tableau X2: DefimtlOn des classes de trafic
hl Calcul de la classe du sol support .On commence par détenniner de CBR caractéristique du sol support à partir du CBR de laboratoire. On utilise les indices CBR détenninés au laboratoire sur éprouvette compactée à la teneur en eau optimale de compactage du Proctor Modifié et à 95% de la densité maximale correspondante. Les indices CBR à prendre en compte sont ceux correspondant au poinçonnement avant imbibition et après imbibition de 4 jours dans l'eau. La valeur du CBR caractéristique est la moyenne des indices CBR pondérés par les fractions de mois de l'année où les bilans « évaporation précipitation» sont soit négatifs (période humide), soit positifs (période sèche). La fonnule suivante est prise en compte:
CBR 1 CBRh
a J3
CBR à la teneur en eau de Proctor Modifié. CBR après 4 jours d'imbibition dans l'eau Proportion des mois secs dans l'année : Proportion des mois humides dans l'année. :
:
Le territoire tunisien est partagé en trois régtons climatiques (A, B et C) et les coefficients de pondération à appliquer pour les différentes régions climatiques sont donnés dans le tableau X.3: Régions climatiques
Nombre de mois
Coefficients de pondération
Humides Secs a J3 0.50 6 6 0.50 B 4 8 0.33 0.67 2 0.17 10 0.83 C , . . , Tableau X3 : coeffiCients de ponderatIOn en fonctIOn des regtons clImatiques
A
La valeur de CBR nous donne la classe du sol support selon le tableau X4.
178
Chapitre X : Dîm ensÎonnement des structures de chaussées
CBR caractéristique (%) Classe de sol 5-8 SI 8 - 12 S2 12 - 20 SJ > 20 S, Tableau X4 : Classes de sol Pour les sols considérés comme placés dans de mauvaises conditions de drainage, on adoptera la classe inférieure. Si le CBR caractéristique est inférieur à 5, une étude particulière est nécessaire.
cl Consultation des fiches du catalogue: Après la détennination des classes de trafic et de sol support, l'ingénieur choisi le type de structure de chaussée selon les matériaux disponibles et les conditions économiques. La fiche correspondante du catalogue lui indique les épaisseurs à mettre en œuvre. La figure X4 montre un exemple de fiche du catalogue pour une structure bitumineuse formée d ' un revêtement en béton bitumineux, d'une couche de base en grave-bitume et d' une couche de fondation en grave non traitée. Les épaisseurs sont données pour deux classes de trafic et 4 classes de sol support.
Classe Trafic TI
TI
5
~ ~ ~ ~ ln
411
ln
J5
1<1
JO
54
1<1
25
30
i
1
~ ~ ~ ~ :lfI
25
20
Figure X4 : Fiche pour une structure bitum ineuse.
179
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
X.5 Optimisation du dimensionnement des structures de chaussées: Si, pour les structures en général, des procédures d'optimisation sont d'ores et déjà établies et plus ou moins mises en application, les efforts alloués au cas particulier des structures de chaussées devraient être, à notre avis, davantage développés. Les logiciels de dimensionnement des chaussées comme Alizé III et Ecoroute permettent de déterminer, à l'aide d'un modèle, les contraintes, les déformations et les déplacements de la structure de chaussée à différents niveaux d'observation. Ils assistent ainsi l'ingénieur, certes, dans sa recherche d'une structure satisfaisante. Toutefois, si le dimensionnement ainsi trouvé à l'aide d'Alizé III n'est pas forcément optimal, Ecoroute a essayé de remédier à cette insuffisance en ajoutant l'option économique à son module CALCO. Cette option permet de se fixer deux couches de la structure, et d'en rechercher les épaisseurs optimales permettant de minimiser le coût de ces deux couches, et par conséquent le coût global de la structure, tout en respectant les critères mécaniques de stabilité de cette dernière. Ce programme explore des structures voisines d'une structure dite « de base » déterminée au préalable et affiche la ou les structures économiques si elles existent. De plus, l'utilisation de ces logiciels dans un pays comme la Tunisie nécessite leur adaptation au contexte spécifique de ce pays. Dans la pratique, l'ingénieur procède par une répétition orientée de l'analyse mécanique, en comparant à chaque fois la contrainte maximale susceptible d'engendrer la rupture de la structure à la limite admissible du matériau considéré pour le trafic souhaité. En fait, la structure ainsi obtenue est optimisée selon le principe de la méthode des contraintes complètes (Fully Stressed Design), où certains éléments de la structure travaillent à leurs limites admissibles. L'atteinte de la rupture dépend alors des quantités de matériaux composant la structure elle-même, qui sont en relation directe avec les épaisseurs des différentes couches. Les faiblesses que présente cette procédure classique de dimensionnement sont les suivantes: - la solution techniquement admissible ne çoïncide pas forcément avec l'optimum économique car les prix unitaires des différentes douches ne sont pas les mêmes; - La conception n'est pas systématique et demande une bonne expérience de la part de l'ingénieur concepteur ; - Les capacités de calcul qu' offrent les ordinateurs ne sont pas pleinement exploitées. Nous avons essayé de contribuer à l'amélioration de cette méthode classique de dimensionnement en proposant une nouvelle approche reposant sur un algorithme d' optimisation. Les critères d'optimisation adoptés sont: le critère mécanique classique (la réponse effective inférieure à la réponse admissible du matériau dans la structure) et le critère coût minimal de la structure en considérant toutes les couches de la structure de chaussée sans limite de nombre, alors que Ecoroute, par exemple, n'en considère que deux. Un nOllveau code de calcul de structures de chaussée est ainsi proposé. Ce code permet de déterminer la solution mécaniquement admissible et économiquement optimale. La conception est systématique avec un ordinateur qui joue son plein rôle dans le dimensionnement. Les premières réflexions des utilisateurs de ce programme laissent penser qu'il est à la fois convivial et facile d'utilisation. Afin d'adapter ce programme aux besoins spécifiques de la Tunisie, certaines caractéristiques (telles que la température équivalente) ont été déterminées en se fondant sur l'approche française de dimensionnement des structures de chaussées. 180
Chapitre X : Dirnensionnernent des structures de chauss~es
Une comparaison avec le catalogue tunisien des structures de chaussées est présentée afin de tester la possibilité de remplacer ce dernier par le code de calcul présenté. X.S.l Position du problème: Le problème du dimensionnement optimal des structures de chaussées peut être formulé en tant que problème d'optimisation non linéaire avec contraintes. Tout problème d'optimisation de ce type nécessite la définition de la fonction "objectif", qui sera l'objet de l'optimisation, et des contraintes que les variables de conception doivent satisfaire. Dans le cas présent du dimensionnement des structures de chaussées, le coût de la structure représente un critère pertinent d'optimisation. Ainsi pour une structure de chaussée composée de "n" couches reposant sur un sol-support, la fonction "objectif" s'écrit: " f(H ) =
LJJ, h,
où, ~i est le prix unitaire au m', pour une épaisseur unitaire, de la couche i, et H est un vecteur de dimension n dont les composantes sont les épaisseurs hi des différentes couches. Les contraintes du prohlème sont, d'une part, des limites de résistance à la fatigue et, d'autre part, des contraintes techniques de mise en œuvre (épaisseurs minimale et maximale de chaque couche). Ainsi, le problème peut se formuler comme suit: Trouver le vecteur H de ~n tel que : n
f(H) = L,!3, .h, = min f(X); ;=1
(1)
X ERn ;,(H) :5 ;,adm, Vi = l, .. , n
hr in
::;;
h; :s: hlIDax > Vi
= l •..• n
où : Çi est la contrainte cri ou la déformation Si dans la couche i ; ç;'dm :est la contrainte admissible cr;'dm ou la déformation admissible s;'dm dans la couche i ; himin et ht": sont respectivement les épaisseurs minimale et maximale de la couche i permises par les dispositions constructives. Il s'agit donc d'un problème d'optimisation d'une fonction "objectif' linéaire avec des contraintes non linéaires et implicites fonctions des variables de conception. X.S.2 Modélisation du problème:
al Méthode d'optimisation: La démarche suivie est fondée sur la méthode de Han Powel, méthode itérative de la famille des méthodes quadratiques séquentielles (SQP) qui permettent de résoudre les problèmes de minimisation avec contraintes par approximations successives. Ces méthodes sont classées parmi les meilleures en ce qui concerne la résolution des problèmes non linéaires dont la 181
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
,fonction "objectif' et les fonctions contraintes sont quelconques et deux fois continûment différentiables. Il est démontré que ces méthodes sont toujours convergentes avec une convergence super-linéaire. Cependant, ces méthodes peuvent converger vers un minimum qui n'est pas forcément global et ce dans le cas non convexe avec existence de minimum locaux multiples. En général et d'après la pratique de l'optimisation des structures, les solutions optimales sont le plus souvent globales et, dans le cas contraire, le coût de l'optimwn local est très proche de celui de l'optimum global. En effet, la méthode SQP a été classée comme la meilleure par Schittowski qui a pris en compte dans ses critères de classement la convergence globale en plus de l'efficacité et de la fiabilité. Le programme Alizé III développé par le LCpe a été utilisé pour calculer les contraintes ou déformations Ç,i,.
hl Modélisation mécanique .' La modélisation mécanique du problème de dimensionnement des structures de chaussée a été expliquée plus haut, il s' agit de déterminer les contraintes et les déformations, pour un cas de chargement donné, dans les différentes couches de la structure. Le programme Alizé III a été utilisé pour cette modélisation. Ce programme repose sur le modèle de Burmister introduit plus haut. X5.3 Présentation du programme développé : La figure X5 présente un organigramme du programme de calcul développé lJEN3. Cet organigramme met en relief les trois grandes étapes de l'utilisation du programme, à savoir : i . 1 -la spécification des données par l'utilisateur (les paramètres du trafic, du sol support, des matériaux et le type de structure à optimiser); - le calcul de la structure effectué par Alizé III; - la procédure d'optimisation. Cette procédure utilise la routine (NCONF) de la bibliothèque IMSL.
Le programme ainsi développé assure à la foi s la convivialité et la facilité d'utilisation. En effet, il présente une interface assez simple qui comporte sept onglets différents: quatre pour la saisie des données, un pour le lancement des calculs, et deux pour l'affichage des résultats. Les différents paramètres de calcul et d'exploitation des résultats sont introduits dans des fenêtres apparaissant par un simple clic sur les différents onglets. Un texte d' explication et d' aide apparaît systématiquement sur l'écran à chaque approche d' un onglet. La figure X.6 montre une capture d'écran du programme. Pour faciliter la saisie (des données), une base de données a été développée et introduite dans le programme. Cette base comporte des données spécifiques au contexte tunisien à savoir les paramètres 'de fatigue des matériaux, les caractéristiques mécaniques, les données climatiques et les caractéristiques des sols supports. Le programme offre l'option d'enregistrer toute
182
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
caractéristique nouvelle correspondant à un nouveau cas de calcul de structure, ce qui permet d'enrichir la base de données de manière permanente.
(1'l1~
nI
_ __ _ _A~______ _ _ _./'-- _ _ _ _
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-
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Cl .." de
trafiC ou IVUA
Durée de vie Accroissement annuel du trafi.c
1
---
Trafic ~
N:!fJJre, caractéristi ques mécaniques et état Sol hydrique (sol fin 0 u----" support greou, module d'Young. CBR, . )
--
Calcul des contraintes et défonnati ons admi ssibl es
-
,
ContralrJtes et
-
S
.'!:l" ::;: '"
...
Module du sol-support
'" S "el,
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défarmati ons -
àlaièm.t
itération
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e
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Itération i+ 1
w
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Base de données Simulation dela structure (l'vlatériaux, agencement et coûts)
Nombre d essieux équi val ms N pn
~
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Epaisseurs ffilD1 rrales et Il)3Xirml es
Ji"" et Ji"'"
Epaiss eurs iru'liaIes II~ L'échelle de l'incrémeolation
Nombremaxt mum d'itérati ons
Figure X. 5 : Organigramme du programme développé
183
-
Chapitre X : Dimensionnement des structures de chaussées
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u~li ~jr ... ~ur m;j~ ~ wr 1'I:1I•.Nlëi:lurtl=l~ÎEIu.
Figure X6 : Capture d'écran du programme IJEN3 X.5,4 Conclusion:
Nous avons essayé de comparer les résultats d'IJEN3 avec ceux de la fiche n06 du catalogue tunisien de dimensionnement des chaussées. La structure étudiée est une structure bitumineuse tri-couche formée d'une couche de roulement en béton bitumineux de 5 cm d'épaisseur, d'une couche de base en grave-bitume et d'une couche de fondation en grave non traitée. t
f
La fiche du catalogue permet de choisir une structure pour une classe de trafic et une classe de sol support données. La correspondance entre ces deux classes permet de définir un élément rectangulaire dont les quatre nœuds correspondent à quatre couples de trafic et d'indice de portance du sol support (cf figure X 4). Le calcul de structure pour les valeurs correspondant à ces quatre couples a alors été effectué. La validation de "IJEN3" consiste à vérifier l'hypothèse suivante : "La solution proposée par la fiche de dimensionnement doit appartenir> au domaine formé par les quatre solutions fournies par le programme lJEN3". Cette hypothèse est vérifiée pour tous les cas de la fiche du catalogue. Cette comparaison avec le catalogue tunisien des structures de chàussées laisse penser qu'une substitution progressive de ce catalogue par le code de calcul proposé est possible sinon souhaitable.
184
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Introduction: Ce chapitre a pour but de familiariser le lecteur avec la pathologie des routes et leur entretien. Une classification des différents types de dégradation des chaussées, ainsi que leurs causes, sont présentées. L' étude des dégradations est abordée sous le double aspect de la classification et de la terminologie et en prenant en compte les éléments essentiels : types d' inconfort, localisation de la dégradation, son intensité et son évolution. Une fois construite, une route se dégrade en fonction de plusieurs facteurs, et plus particulièrement: le trafic, le climat et les effets liés au mauvais fonctionnement des systèmes de drainage. La description précise des désordres existant sur une chaussée est incontestablement un des éléments qui doivent entrer en ligne de compte pour l'établissement du diagnostic portant notamment sur la nécessité d'un renforcement et le choix de la technique d'entretien. L'entretien des routes doit être fait en fonction de cinq nécessités que l'on peut classer par ordre d' importance décroissant : - Maintenir le passage de trafic dans les conditions les plus favorables (fluidité et continuité du trafic). - Sauvegarder la sécurité des véhicules. - Conserver au patrimoine routier sa pérennité en veillant au bon état des éléments qui conditionnent la durée de vie de la chaussée. - Protéger le confort des usagers. - Ne pas laisser se dégrader le bon aspect de l'ensemble formé par la route et ses abords. Ces cinq objectifs peuvent être atteints à peu près simultanément, en conservant à la route les caractéristiques qui lui ont été données à l'origine par son constructeur : chaussée résistante et unie, abords de la route propres et dégagés et ouvrages solides. Cependant, les moyens des services d' entretien étant toujours limités, ceux-ci doivent être utilisés en fonction de l'ordre de priorité correspondant à celui des cinq impératifs.
XL1 Dégradations des chaussées: XI. 1.1 Présentation : L' analyse des différents aspects de dégradations a permis de les classifier en cinq familles: les fissurations, les déformations, les arrachements, les remontées des matériaux et les usures du revêtement. . La figure XLI représente les relations liant les différentes familles de dégradations, et la nature des couches où elles se manifestent. lS6
Couches supérieurs
. . . _._.-._._.-._._.- ri Usures de revêtement
•
1
Couches inférieurs
•
_._.~ • _._._ ._._._._ ._ ._ ._ ._. _ ._._._._._ . _._._._._ . _._.-.-'-'-
Figure XI. 1 : Rapport entre famille de dégradation et couche de chaussée. Ces dégradations différent par leurs localisations (superficielles ou structurelles), formes et caractères d' évolution. Un inventaire des différents groupes de dégradations, ainsi que les types de chaussées (souples ou rigides) qu'elles affectent sont présentées dans la figure suivante. Dégradations 1 \
1
Déformations 1 - Orniérage (1) - Bourrelet (1) - Affaissement (1) - Flache (1) - Tôle ondulée (1) - Soulèvement de la dalle (2)
1 1
1
Fissures
Arrachements
Remontées
1
1
1
- Fissures (1) - Faïençage (3) - Epaufrure (3) - Cassures (2)
- Décollement (3) - Désenrobage (1) - Plu;mage (1) '. - Pelade (1) - Nids de poule( 1) - Glaçage (1) - Tête de chat (3)
- Ressuage (1) - Boursoufl ures( 1)
Figure XL2 : Les principaux groupes de dégradations. NB: (1): Dégradation qui affecte la structure souple; (2)Dégradation qui affecte la structure rigide; (3)Dégradation qui affecte les deux types de structure.
187
Chapitre XI : Pathologie et entretien
al Les fissurations: Les chaussées de différentes natures sont souvent l'objet de fissures dont les causes sont extrêmement variées. Suivant le type de chaussée et l' origine de la fi ssuration, ces fissures peuvent prendre des formes très variées. Les fissures peuvent affecter la surface de la chaussée ainsi que son corps. On distingue:
Les fissures longitudinales: parallèles à l'axe de la chaussée (souvent dans les traces des roues ou en bord de revêtement). Les fissures transversales : perpendiculair~s à l:axe de la chaussée. Les fissures maillées : fissures qui se croissent en découpant la surface de la chaussée en éléments de tailles variables allant jusqu' au faïençage (maille serrée). Les fissurations évoluent notamment s'il y a une destruction générale ou localisée de la chaussée.
i Figure XI.3 : Les différents types de fissures
Photo XI.l : Faïençage .
L'épaufrure: ce type de dégradation affecte les structures souples, ainsi que celles rigides. - Chaussée rigide : un effritement du bord de la dalle au niveau du joint, dû à la fragilité de ce bord par rapport à la multitude des charges lourdes. 188
Chapitre XI : Pathologie et entretien
- Chaussé~ souple: un effritement du bord de la chaussée au niveau des accotements, dû à l' abaissement du niveau des accotements et à la circulation des véhicules sur les bords de la chaussée.
Figure XIA et photo XI.2 : épaufrure sur chaussée souple. La cassure: c' est une fissuration complète de la dalle de béton. On distingue: - Les cassures transversales: dues au tassement du sol de fondation. - Les cassures en coin: dues à l'application d' une surcharge en un point faible appelé « coin ». - Les cassures en diagonale : à la suite de l'insuffisance de l'épaisseur de la dalle, ou si le sol de fondation se tasse.
hl Les déformations: , Le passage d' une charge roulante sur une chaussée provoque une déformation dans sa structure, en partie réversible et en partie irréversible. l 1
Les déformations se caractérisent par leur localisation, leur forme et leur dimension. L'affaissement: il se caractérise par un tassement de la chaussée, et se localise soit en rive soit en pleine voie. On distingue: - L'affaissement longitudinal;
1
- L'affaissement transversal ;
L'affaissement longitudinal en rive de revêtement : il se localise sur les rives de la chaussée r -revêtues en bordure des accotements non revêtues. Il évolue rapidement lors (je la saison des 1
$. ~
pluies, conduisant à la destruction des rives de la chaussée. L'affaissement des rives peut parfois causer la formation d' une cuvette sur le bord de la chaussée . d'un bourrelet de matériaux.
189
Chapitre XI ; Pathologie et entretien
Figure XI.5 et photo XI.3 : Affaissement de rive.
L'orniérage: c'est une déformation permanente longitudinale, et se localise suivant les traces de roues des véhicules. On distingue: - Les orniérages à petit rayon: affectent la couche de roulement. - Les orniérages à grand rayon: affectent toute la structure de chaussée. Si l'eau peut pénétrer dans le corps de chaussée, l' orniérage évolue par approfondissement rapide des affaissements et rupture de la chaussée lors de la saison des pluies.
Figure XI.6 et photo XIA : omiérage.
Le bourrelet: c' est une déformation vers le haut (positive) qui affecte la surface de chaussée. On distingue : - Les bourrelets transversaux : se manifestent dans les zones de freinage. - Les bourrelets longitudinaux: se localisent généralement en bordure des traces des roues. Le plus souvent, le bourrelet est associé à un affaissement. L' évolution du bourrelet conduit à la destruction progressive de la chaussée. 190
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Figure XL7 et photo XI.5 : bourrelet longitudinal
La flacbe : c'est une dépression locale, souvent de forme arrondie. Elle est généralement due à un défaut de portance du sol. La tôle ondulée: c'est une ondulation perpendiculaire à l'axe de chaussée. Elle se manifeste sur certains revêtements épais très sollicités, ainsi que dans les fortes pentes.
cl Les arrachements: L' instabilité de la chaussée, due aux actions mécaniques, environnementales et aux erreurs de construction, conduisent à l'apparition des problèmes d 'arrachements. On distingue:
La pelade: c'est une dégradation plus ou moins localisée, caractérisée par le décollement total de la couche de roulement. Le nid de poule : cette dégradation affecte le corps de chaussée par enlèvement des matériaux, en formant une cavité quasi arrondie. Elle n'a pas de localisation précise, parfois à proximité des fissures, d'affaissements, de bourrelets ou de zones de ressuage. L'évolution du nid de poule se manifeste par un agrandissement progressif de trous et formation d'autres nids de poule.
Photo XI.6 : Nid de poule
1
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191
Chapitre Xl : Pathologie et entretien
Le plumage: il se caractérise par un arrachement des gravillons de revêtement, et se localise suivant les traces des roues des véhicules. Le plumage s'évolue par arrachement des gravillons, qui rend le revêtement plus glissant et de plus en plus perméable.
/
1/
Figure Xl.8 : Plumage. Le peignage: c'est l'arrachement des gravillons parallèlement à l'axe de la route sur des grandes longueurs. Par manque d'entretien rapide, l'imperméabilité sera mal assurée et il y a apparition de nids de poule.
\
Figure XI.9 et photo XI7 : Peignage. i 1 Le désenrobage: se caractérise par un décollement de la pellicule de mastic (liants + fines ) enveloppant le matériau enrobé. L'évolution d' un désenrobage entraîne la perméabilité de l'enrobé. Le décollement: c'est une rupture d'adhésion entre la couche de surface et le corps de chaussée.
dl Les remontées: Elles proviennent généralement du corps du chaussée et affectent la couche de roulement. Les remontées d'eau et d'argile: Sous l'effet du trafic, des venues d' eau ou de fines se percolent à la surface de la chaussée. Ces remontées accentuent les dégradations de surface (nid de poule, plumàge ... ). Le ressuage : C'est l'apparition d' un excès de liants, sur une zone localisée ou sur la totalité de la surface. L'évolution du ressuage conduit au décollement et à l'arrachement du revêtement, lors du passage des véhicules. De pl us, le ressuage amorce l'apparition de nid de poule.
192
Chapitre Xl : Patholog ie ~t entretie n
, t,
Figure XI. 10 et photo XI.8 : Ressuage
el Les usures de la surface de roulement: Le glaçage: C'est l'usure de la couche de roulement, soit par usure des gravillons de revêtement sans qu' ils soient arrachés, soit par enfoncement des gravillons dans le support.
J ! t
La tête de cbat: Il affecte les deux types de chaussée, souple et rigide. C'est une usure très avancée du revêtement qui conduit à l'apparition de pierres dures en relief.
!
XI. 1.2 Causes de dégradation :
, ! 1, f
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Pour chaque type de dégradation, on présente les causes principales sous forme d'un tableau.
Dégradations
Causes
~.
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•
11 Fissurations
,1
Pour les structures souples :
./ Mauvaise qualité des matériaux. ./ Mauvaise mise en œuvre. ./ Epaisseur insuffisante de la chaussée par rapport
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au trafic. ./ Retrait (couche de base traitée au ciment) ./ Age de la chaussée.
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»Epaufrure de rive
Pour les structures rigides:
Absence du joint dans le sens axial. Mauvaise composition du béton.
./ Dégradation des accotements
« marche d' escalier ». ./ Action de l'eau. ./ Compactage insuffisant des rives (emobés). ./ Largeur insuffisante de la chaussée.
r 193
Chapitre Xl : ?athologie et entretien
21 Déformations
»Affaissement longitudinal suivant l'axe.
,( Portance insuffi sante du sol-support ou du corps de chaussée. ,( Sous dimensionnement localisé du corps de chaussée. ,( Stabilité insuffisante du revêtement (enrobés). ,( Acc.otements insuffisants ou non revêtus.
»Affaissement longitudinal de rive. :;. Omiérage à petit rayon ,. Omiérage à grand rayon
,( Insuffi sance de la stabilité d'enrobés. ,( Sous dimensionnement du corps de chaussée. ,( Portance insuffisante du sol-support ou du corps de chaussée par rapport au trafic. ,( Fatigue de la chaussée causée par une circulation lourde et lente.
., Bourrelet longitudinal
» Bourrelet transversal
,( Eau : perte de portance du corps de chaussée. ,( Matériaux: qualité insuffi sante. ,( Mise en œuvre : compactage insuffisant. ,( Trafic : passage des véhicules trop lourds pour l'épaisseur de la chaussée. ,( Fluage des enrobés sur toute la surface dans les zones de freinage . ,( Défaut de portance localisé (poche d' argile humide). ,( Perte de cohésion localis~e d" la couche de base. ,( Tassement différentiel du matériau ayant servi au rebouchement du nid de poule. l
,. Flache
,( Déforrrlation de la couche de base par défaut de profilage avant la pose de revêtement. ,( Manque de stabilité d' enrobés.
»Tôle ondulée
,( Insuffisance d'épaisseur ou de compacité du tapis d' enrobé.
3/ Arrachement » Pelade
»Nid de poule
»Plumage
»Peignage
,( Qualité insuffisante des matériaux de chaussée. ,( Arrachement des matériaux lors du passage des véhicules. ,( Stade final de faïençage ou d' une flache. ,( La perméabilité de la couche de roulement. ,( Une mise en œuvre défectueuse. ,( Un mauvais accrochage (enduit). ,( Un sous-dosage en bitume (enrobé). ,( Mauvais fonctionnement du matériel de répandage lors de la mise en œuvre de l'enduit, qui se traduit par un man ue de liants ou de avillons. 194
Chapitre XI : Pathologie et ent retien
»Désenrobage
\~
;;. Décollement
./ Mise en œuvre par conditions atmosphériques défavorabl es . ./ Attaque du liant « hydrocarboné » par un produit chimique (Argile, sel ... ) ./ Mauvaises conditions d' exécution (surface humide). ./ Gonflement ou retrait des matériaux de la couche de base.
4/ Remontées
f ,f
;;. Remontées d'eau et d'argile ,. Ressuage
,f
[
./ Perte de cohésion au sein d' une chaussée fondée sur un sol argileux ou gorgé d'eau . ./ Dosage en liant trop élevé. ./ Liant non adapté . ./ Utilisation d' un liant mou ou (et) la présence d'u ne forte chaleur.
5/ Usures de la surface de revêtement ,.GIaçage
./ Usure des gravillons de revêtement sans qu' ils soient arrachés (utilisation des granulats polissables) . ./ Enfoncement des b'favi llons dans le support (lors des fortes chaleurs le liant et le mortier recouvrent en totalité les gravillons) .
>- Tête de chat
./ Di sparition partielle des matériaux en surface par usure.
1
Tableau Xl .l : Types de dégradation et causes probables.
f
XI.2 Les différents types d'entretien:
1
Il faut distinguer plusieurs sortes d'entretien :
,
Xl.2. 1 L'entretien préventifCou courant) : Il est constitué par des opérations locales, rendues nécessaires par l'apparition de certaines dégradations. Ce type d' entretien fait appel à des procédés manuels utili sant des outil s simples. L'entretien préventif est fait dans le but d'atteindre les trois objectifs suivants: - La conservation et l'adaptation de la structure. - Le maintien des conditions de sécurité et de confon . - La conservation de l'intégrité de la couche de surface. Compte tenu de la nature de la chaussée et de l' évolution de la dégradation à une certaine échéance, l'entretien préventi f permet d'assurer en moyenne un niveau de service acceptable .
. La démarche présentée dans la figure suivante doit permettre, à partir des indicateurs d'état relevés sur la chaussée, de déterminer les travaux d 'entretien souhaitables. 195
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Conservation de la structure
Sécurité et Confort
Intégrité de la couche de surlace
Besoins Stiucture
Besoins Sécurité-Confort
Besoins couche de surlace
Considérations logiques et techniques comp! émentaires
Synthèse des besoins
... Définition du pro~me des travaux d' entreti en
Figure XI. II : Démarche d'un entretien préventif. XI.2.2 L'entretien curatifCpériodiquel : Il concerne les opérations sur des sections entières, que les agressions climatiques et le trafic auront usées au bout d' un certain temps. En plus des objectifs classiques de l' entretien préventif, l'entretien curatif a pour objet de : - Palier aux insuffisances apparentes des chaussées. - Conserver un bon indicateur d' état. l
La figure XI. 12, à la page suivante, présente la démarche tl'étude d'un entretien curatif. Elattée! (indicateur d'état)
~ Niveau de dé~dation
~ Type d' entretien
-Connaissance de l'ancien entretien -Notions économi ques
ProgIaIllllle rationnel d' entreti en curatif
Figure XI.12 : Démarche d'étude d' un entretien curatif . XI.2.3 L'entretien d' urgence : C' est l'entretien non programmé exercé en cas de catastrophe naturelle (inondations, éboulements, ravinements ... ) qui coupe la route. Ce type d' entretien exige des dispositions budgétaires et des procédures d'actions spéciales. 196
Chapitre XI : Pathologie et entretien
X1.2.4 La réhabilitation : La réhabilitation doit être toujours précédée d ' une campagne d' auscultation qui consiste à étudier l'état des routes, et ceci dans le but de définir les sections sur lesquelles il faut intervenir et la nature des travaux à réaliser. La démarche de réhabilitation se situe entre l'entretien courant et le renforcement lourd. Par rapport au renforcement lourd, la réhabilitation présente plus de risques mais elle les adapte plus étroitement au volume et à la nature des trafics concernés. Le coût de la réhabilitation est de 5 à 10 foi s moins é levé que celui du renforcement lourd.
XI.3 Classification des opérations d'entretien: XI.3 .1 L'entretien des abords. des ouvrages de drainage et de la signalisation :
al L'entretien des accotements: Il est important que l'écoulement de l'eau provenant de la chaussée ne soit pas gêné. Donc, pour éviter l'obstruction des évacuations d 'eau et l'élévation du niveau des accotements de la chaussée au dessus de celui-ci, on doit empêcher les dépôts sur les abords de la route.
bl L 'entretien des fossés: L' entretien courant des fo ssés doit tendre à améliorer la forme du fossé, ainsi que l'extraction des matériaux inutilisables sur la chaussée pour ne pas gêner le drainage de l'ensembl e de la route.
cl La signalisation : L' entretien courant des signalisatiqns se limite à leur remIse en état et d' autres réparations mInImes. La durabilité des peintures sur chaussées peut varier de quelques semaines pour les rues des villes jusqu' à six mois pour les routes en rase compagne. XI.3.2 L'entretien des routes non revêtues :
al L 'entretien préventif: L'entretien d' une chaussée en terre est plus complexe que celui d' une chaussée bitumée. L' entretien consiste essentiellement à reprofiler périodiquement la chaussée avec une cadence telle que les ondulations n' atteignent jamais une amplitude inacceptable. Il comporte la reprise des matériaux rejetés sur les bords de la plate-forme et leur réglage sur la chaussée. La tôle ondulée en formation doit être supprimée avant que les matériaux qui la constituent ne soient compactés par la circulation. Le rebouchage des nids de poule a pour but de rendre à la chaussée son bon état de surface initial (l'UNI). 197
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Dés que l' on constate qu' un trou s' est formé, il faut le reboucher avec les matériaux disponibles afin d'éviter son évolution et la naissance d' autres trous.
bl L'entretien périodique: Quelque soit l'entretien courant dont elle est l' objet, une route en terre se dégrade inévitablement. Les balayages, mêmes s' ils sont fréquents, n'empêchent pas dans tous les cas la formation de tôles ondulées et de nids de poules.
b Il Le reproOlage : Quand les ondulations et les autres irrégularités ont atteint un stade avancé, il faut , en premier objectif, les décaper entièrement et sur toutes leurs hauteurs. Après ce décapage, les matériaux meubles doivent être répandus sur la route. Il faut aussi répandre les matériaux qui ont été e ntraînés sur les accotements par le ruissellement de surface ou par toute autre cause. La fréquence du reprofilage périodique dépend de plusieurs facteurs, on en cite l' intensité et la nature de la circulation ainsi que la qualité des matériaux de surface. On peut considérer qu' un reprofilage est nécessaire après le passage de 1000 à 2000 véhicules.
b21 Le rechargement : Le retardement de l'opération de rechargement peut provoquer une déperdition excessive des éléments fins de cohésion, ainsi que la pollution de la plate-forme des matériaux de surface par le ,,01 ; choses qui les rend inutilisables en surface à tel ipoint que leur décapage et leur évacuation f deviennent obligatoires. La périodicité du rechargement dépend des facteurs suivants : Le ni veau de circulation. La catégorie de la route. La nature des matériaux. Le climat. Le rechargement est nécessaire pour chaque chaussée tous les 2 à 5 ans. XI.3.3 L' entretien des routes revêtues: Les routes de cette catégorie ont reçu un revêtement, généralement hydrocarboné, en raison de leur importance et de leur trafic plus élevé. Elles représentent un investissement tellement important qu' il est indispensable de les préserver, gràce à un entretien approprié et exécuté au moment voulu. Cet entretien contribuera: 198
Chapitre Xl : Pathologie et entretien
_ à maintenir ou à restaurer une bonne qualité de surface, et par conséquent de bonnes conditions de confort et de sécurité. - à empêcher la dégradation du corps de chaussée en maintenant ou en restaurant l'imperméabilité du revêtement.
Il faut distinguer pl usieurs sortes d ' entretien:
al L 'entretien courant (point à temps) : al! La définition de la tâche: Le point à temps consiste à effectuer des réparations sur des dégradations : - De tous types, mais localisées. - De dimensions réduites. Il permet d'améliorer localement : - L' état de la surface de la chaussée. - Le corps de chaussée. Les réparations doivent être réalisées à temps pour éviter l'augmentation des dégradations, qui re nd la circulation dangereuse et entraîne la destruction de la chaussée. Le point à temps demande des moyens simples, mais : il permet une grande rapidité d'intervention. il comporte des opérations très diverses. f,
,
a2! Les ditferents types d 'opérations:
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Pour chaque type de dégradation, il existe un mode de réparation particulier : le sablage sur ressuage. le colmatage des fissures et arrachements. le reprofi lage des affaissements. le curage et le rebouchage des nids de poule. l'écrêtage des bourrelets. Pour les réparations de surface, on utilisera des liants bitumineux, des sables et des gravillons répandus en couches successives.
199
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Pour les réparations du corps de chaussée, on utilisera des matériaux naturels ou concassés et parfois des enrobés à froid. Les réparations sur chaussée suivantes pourront s'accompagner d ' une réfection des accotements et des fossés, lorsque ceux-ci sont à l'origine des dégradations : la création ou le curage des fossés. la création des exutoires. l'alignement des bords du revêtement. le rechargement ...
bl L 'entretien périodique: b 1/ Les enduits superficiels: Les opérations d'enduits superficiels constituent des travaux d'entretien périodique. Il èst très souvent indispensable d'effectuer, pour les préparer, des travaux de point à temps. Photo XI.9: mise d' un enduit superficiel. Définition de la tâche: Les enduits superficiels permettent, sur des surfaces étendues, de remédier à : - une usure généralisée du revêtement; - une mauvaise imperméabilité de la couche de surface, entraînant une dégradation par l'eau des i couches inférieures ; - une insuffisance de rugosité du revêteinent, rendant la route dangereuse à la circulation. Cette tâche doit généralement être précédée d' une opération de point à temps, en particulier lorsque la chaussée présente des déformations (affaissements ... ). Elle est en général effectuée sur toute la largeur de la chaussée et sur des longueurs comprises entre quelques centaines de mètres et plusieurs ki lomètres. Cette tâche, qui nécessite une organisation et des moyens appropriés, permet d 'atteindre des rendements élevés. Les enduits superficiels ne doivent être exécutés que par temps sec. Les différents types d' enduits superficiels: On distingue : Les enduits monocoucbe : - une couche de liants. - une couche de gravillons.
Figure XI.13 : enduit monocouche. 200
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Les enduits bicoucbe :
- deux couches de liants bitwnineux. - deux couches de gravillons (couvrant chacune la totalité de la surface de la chaussée). Figure XI.I4 : enduit bicouche. Les enduits monocoucbe double gravillonnage:
- deux couches de liant. - deux couches de gravillons (les gravillons de la deuxième couche permettent de couvrir la total ité de la surface). Figure XI.I5 : enduit monocouche double gravillonnage
b1.' Les tapis minces: La pose de tapis minces constitue des travaux d'entretien périodique. Comme dans le cas des enduits superficiels, il est très souvent indispensable d 'effectuer, pour les préparer, des travaux de point à temps. Définition de la tâche : Les tapis minces permettent de remédier, sur des surfaces étendues : - aux petites déformations de la surface, rendant la cir~ulation dangereuse et inconfortable. - à une insuffisance de rugosité du revêtement (circulation dangereuse).
- à une mauvaise imperméabilité de la couche de surface, entraînant une dégradation des couches inférieures par l'eau. C'est une solution plus durable que les enduits superficiels. Ces tapis seront en général mi s en œuvre sur des routes importantes: fort trafic, vitesse élevée.
Photo XL 10 : Mise en place d' un tapis mince
201
Chapitre XI : Pathologie et entretien
Lorsque les déformations seront importantes, la mise en œuvre des tapi s minces sera précédée de travaux de reprofilage des ornières et des affai ssements, de réparation de nids de poule. Cetie tâche pourra être accompagnée de la réflexion des accotements et des fossés. Les tapi s minces doivent être exécutés par temps sec. Les différents types de tapis minces : Les tapis minces sont toujours constitués par des granulats enrobés à chaud, dans une centrale, par un liant bitumineux. Les classes granulaires utilisées sont : Les 0/5 mortiers bitumineux; Les 0/6 à 0/12 enrobés; Les 0/6 à 0/12 bétons bitumineux. Les tapis minces sont répandus en une couche unique, dont l'épaisseur maximale est: - 3 cm pour les mortiers ; - 5 cm pour les enrobés et les bétons bitumineux.
cl L'inventaire des dégradations-entretien des routes revêtues: ENTRETIENS
DEGRADATIONS l/Fissures .. Fissures de surface
./ Réfection localisée du revêtement : colmatage des fissures . • Cas des fissures groupées : colmatage avec coulis bitumineux. • Cas des fissures isolées: colmatage avec un bitume fluidifié à chaud (cut back).
.. Fissures de corps de chaussée
./ Réfection localisée de la surface ou colmatage et réfection localisée du corps de la chaussée.
2/Affaissement localisé par les ornières on les flaches .. Affaissement peu profond
./ Déflachage: se fait avec un matériau enrobé
à froid. .. Affaissement profond
./ Réfection localisée du corps de chaussée.
202
Chapitre Xl : Pathologie et entretien
3/Affaissement localisé aux bords de la cbaussée
;r. Affaissement peu profond (moins de 5 cm)
,/ Réfection localisée du corps de chaussée réfection des accotements.
;r. Epaufrement
,/ Amélioration de l' assainissement. ,/ Réfection localisée du corps de chaussée.
et
4/Arrachement
;r. Nids de poule
,/ Réfection localisée du corps de chaussée.
;r. Plumage
,/ Réalisation d'un enduit superficiel réali sation d' un tapis mince en enrobé.
ou
;r. Peignage
,/ Réalisation d' un enduit superficiel réalisation d' un tapis mince en enrobé.
ou
5IBourreiet
;r. Bourrelet de faible hauteur ;r. Bourrelet de forte hauteur, accompagné de fi ssures.
,/ Déflachage.
,/ Réfection localisée du corps de chaussée
6/ Usures de la surface de revêtement 1
~
Glaçage
,/ Réalisdtion d' un enduit Superficiel.
7/Remontées ~
Ressuage
,/ Sablage.
9/Déformation
»
Déformation peu profonde
,/ Réalisation d' un enduit superficiel à titre préventif.
~
Déformation profonde
,/ Réalisation d'un tapis mince en enrobé, précédée de travaux de point à temps (déflachage ).
Tableau XI.2 : Dégradations et Entretiens
203
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xx:
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l'.
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Que tous ceux qui cons talent que nous avons omis de les citer dans cette bibliographie, acceptent nos excuses les p lus sincères. Nous les prions de nous le signaler et nous leur promettons de rectifier cette erreur éventuelle et involontaire lors de la prochaine édition.
Errata PAGE
PARAGRAPHE
LI
5 8 9 , , 15
1.2.2 al 1.2.3 II.3
19 20
!IL1.1.b !IL 1.2.b
24-25 27
!IL2A
30
Tableau
33 35 .. ' 37 :. 43 46 47 ':>. --.i8 '. 50 51 '1 56 ~ 59
i
62 :1 63 ~ 70 " 74 79 . 91
93 '. 96 lU
113 114 116 120
III.3.1 IVU IV.2.! el IV.2,3 cl IV.2.3 dl !V3J IV3.! ci l IlO .! c31 rV3.3 bl IV3.4 bl! IV.3A b31 IV.3A fi Introduction V1.2 c31 V2.1 al V.3.! VI.2.3 V1.2.6 al VU.:z bl VI1.3.1 bl VI1.3.1 c21 VIl.3.3 VIlA.3
ACTUEL
•
RECTIFICATION
.... ne .... ne garantie donc pas .. ... donc pas ..... .. .. des · .' .des équipement spéciaux ... spéciaux" .... .... d'un certain nombre .... .... d'un certains nombre .... Ajouter le titre: Figure II.6 : Evolution du débit journalier moyen : .. 1992 1997 1997 .1992 1997 2000 ...... Elle fnllm it ... ..... v' ... sont de faible coût.. ... et de faible coût.. .. ... En titre d'exemple .... . .. A titre d'exemple .... .. ... .... .. . ".de la figure 5 ressemble .... .. .de la figure IIIA ressemble .... .. .en n - ' '':~,,-. figure II1.6 . ... en -" , . f~u~ m5. Vitesse parti cale Vitesse praticable La figure III.9 montre .... La figure III.8 montre .. .. .. .définit en fonction .... .. .définie en fonction .... .... ne .... ne o"r"ntit donc ~as: ... . : donc Jlil~'" .. .on défmie la vitesse ... ... on définit la vitesse ... ... peut être schématisé ... ... peut être schématisée ... Ainsi l'Autoroute exclue tout.. Ainsi]' autoroute exclut tout.. . ... est assurée grâce .. . ... est assuré grâce .. . CL ... des la ... ... des I""h ,. intéressant la ... ... de ses divers ... du ~s
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PAGE
PARAGRAPHE
126
Vill.1.2 bl
138 139 141 142 146 147 150 153 154 155 162 172 196 202
DU.! a41
IX.l.1 IX. 1.2 IX. 1.2 IX.2 IX.2.2 IX.3.! IX.3.3 IX.3.4 IX.3.4 X.1.2 X.3.1 XL2.2 XI.3.3
cl b21 cl dl
dll al
b21
ACTUEL
... de qualité à conduit ... résistance au intempéries ... aux fluctuation ... ne pourra être employer .. .. ... de l'absente ... On défini .... ... une éprouvette: (figure VI.!) .. ... l'essai Proc Tor modifié .. ... ... traités au liants . .... es matériaux .. revêtus ... constitué ... On défini ... .... répondus ... .... principaux caractéristiques... .. .. plus élevés .... Puis au de la .. .. .des chargement .. .dit vieillissants .. ... établie .... .... s'établie .... .. .. .la mesure du passible .. .. .. les sol.. .laquelle est liée s... - Palier aux insuffisances... .. . de la réflexion ...
RECTIFICATION
..de qualité a conduit. .. résistance aux intempéries . ..aux fluctuations ... ne pourra être employé .... .. . de l'absence ... On définit .... .. . une éprouvette: (figure IX.I) .. ... l'essai Proctor modifié .. ... ... traités aux liants ..... les matériaux .. revêtues... constituée ... On définit. .. .... répandus.. . .... principales caractéristiques ... .. .. plus élevé .... Puis au delà d'une .. .. .un chargement .. .. .dits vieillissants ... .....établi ... ..... s' établit. ... . .... .la mesure du possible .. .. .. les sols.. .laquelle est liée à s.. . - Pallier aux insuffisances ... ... de la réfection ...
Achevé d'imprimer en Janvier 2005 sur les presses de l'Imprimerie Tunis-Carthage
Tél. : 71 786318
