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Application de méthodes mécaniste‐empiriques pour la conception et laréhabilitation des chaussées municipales

Alejandro Quijano Murillas

Directeur : Guy DoréCodirecteur : Jean‐Pascal Bilodeau

Présentation1. Problématique2. Revue de littérature3. Objectifs4. Principes de la méthode de conception5. Analyse saisonnière6. Analyse du revêtement7. Analyse des matériaux granulaires8. Analyse des sols d’infrastructure9. Analyse des contraintes et déformations10. Endommagement11. Conclusions 12. Validation de la méthode13. Logiciel de calcul

Présentation1. Problématique2. Revue de littérature3. Objectifs4. Principes de la méthode de conception5. Analyse saisonnière6. Analyse du revêtement7. Analyse des matériaux granulaires8. Analyse des sols d’infrastructure9. Analyse des contraintes et déformations10. Endommagement11. Conclusions 12. Logiciel de calcul

Problématique

o Ce type de routes est caractérisé par des vitessesparticulièrement lentes, et, pour certaines classes deroutes, des faibles débits de trafic.

o La plupart des méthodes de conception deschaussées utilisée aujourd’hui ont été développéesen fonction des besoins des grandes administrationsroutières

o La conception des routes municipales


Revue de littératureLa conception des chaussées

Les matériaux

Climat

Les contraintes induites

par le trafic

Structure de la chaussée

Revue de littérature…Les approches de conception

• Des expériences comparant le comportement àlong terme de diverses structures

L’approcheempirique

• Détermination des propriétés mécaniques desmatériaux de la chaussée

• L’analyse des contraintes et des déformations• L’action du trafic et du climat• Modèles d’endommagement des matériauxcorrigés pour tenir compte des conditions in situ

L’approchemecaniste‐empirique

Revue de littérature…Calcul des contraintes et des déformations‐Rhéologie

Revue de littérature…Calcul des contraintes et des déformations‐Rhéologie…

Modèle de KelvinModèle de Maxwell

0 0 0

0 0 1 1

* * 1( ) 1 expt t EtE E

Revue de littérature…Calcul des contraintes et des déformations‐Viscoélasticité des enrobéso Doucet et Doré (2004) ‐ 11 enrobéséchantillonnés sur 11 sites du projet CanadianLong Term Pavement Performance C‐LTPP


Objectifs

o L’objectif principal du projet est de mettre aupoint une méthodologie rationnelle deconception des chaussées adaptée aucontexte d’exploitation municipal.

o Un des produits importants de cetterecherche sera le développement d’un logicieladapté au contexte des chausséesmunicipales.


Principes de la méthode de conception

o Intégration de modèles viscoélastiques pour ladétermination de la réponse mécanique.

o Des facteurs saisonniers affectant le moduleréversible sont sélectionnés afin de prendre enconsidération les effets climatiques du Québec

Principes de la méthode de conception…Dans le cadre de ce projet, l’analyse des couches de la structure

de chaussée est développée en trois étapes :• réalisée selon le modèle de Witczak et Fonseca(1996) adapté par Doucet et Doré (2004),Enrobé bitumineux

• basée sur la loi de HookeFondation

(Matériau granulaire)

• basée sur la loi de HookeSous‐fondation

(Matériau granulaire)

• basée sur le modèle viscoélastique de Burger.Sol d’infrastructure


Les matériaux

Climat


par le trafic

Analyse saisonnière

Fluctuations climatiques et la nature des sols l’endommagement de la chaussée (facteurssaisonniers)• Début dégel• Fin dégel• Été• Automne• Hiver

Analyse saisonnière...Facteurs saisonniers matériaux granulaires(MnPave)

Matériaux granulaires

Début Dégel FinDégel Été Automne Hiver

USCS MPa MPa MPa MPa MPaA‐1 (10 ‐ 100 % recyclé) 0,35 0,82 1,00 1,17 2,85A‐1 (> 15% concassé < 7 % argileux)/ MG‐20 0,35 0,82 1,00 1,18 2,52A‐1 (> 10 % concassé < 10 % argileux)/ MG‐20 0,35 0,82 1,00 1,17 2,85GP‐GM 4,49 0,79 1,00 1,00 4,49SP‐SM 5,15 0,82 1,00 1,18 5,15SM, SC 5,93 0,83 1,00 1,17 5,93SM, SC 7,56 0,82 1,00 1,18 7,56SM, SC 7,91 0,81 1,00 1,19 7,91SC, SM 7,61 0,83 1,00 1,17 7,61

Analyse saisonnière...

o Facteurs saisonniers sols d’infrastructure(MnPave) Sols d’infrastructure

Début Dégel Fin Dégel Été Automne Hiver

USCS MPa MPa MPa MPa MPa

ML, MH 8,92 0,81 1,00 1,16 8,92

ML, MH 18,82 0,82 1,00 1,18 18,82

CL 8,68 0,82 1,00 1,16 8,68ML/CL, MH/CH 16,67 0,86 1,00 1,19 16,67ML/CL, MH/CH 11,11 0,81 1,00 1,19 11,11

CL, CH 8,65 0,81 1,00 1,16 8,65


Les matériaux

Climat


par le trafic

Analyse de la couche de Revêtement

• réalisée selon le modèle de Witczak et Fonseca(1996) adapté par Doucet et Doré (2004),Enrobé bitumineux

Présentation1. Problématique2. Revue de littérature3. Objectifs4. Principes de la méthode de conception5. Analyse saisonnière6. Analyse du revêtement7. Analyse des matériaux granulaires8. Analyse des sols d’infrastructure9. Analyse des contraintes et déformations10. Endommagement11. Conclusions 12. Feuille de calcul

Analyse des couches granulaires

o L’endommagement saisonnier ‐ Facteurssaisonniers

• basée sur la loi de HookeFondation

• basée sur la loi de HookeSous‐fondation


Analyse de la couche de sol d’infrastructure…

Déformation instantanée

Déformation visqueuse

Déformation retardée

• basée sur le modèle viscoélastique de Burger.• E0, E1, 0, 1

Sol d’infrastructure

Analyse de la couche de sol d’infrastructure …

t 0 t ∞

00 1

1 1E E

0

0

pente

1

10

1 1 0

1 1( )E t

t eE

0

0E

Analyse de la couche de sol d’infrastructure…Afin de déterminer les valeurs de Burger

o Campagne d’essais au SERULo Campagne d’essais au laboratoireo Données St‐Célestin


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Mesuré

Argile-St-CélestinEssais in situ

mic

rodé

form

atio

ns

Temps (s)


ArgileE0 (MPa) 39,37E1(MPa) 23,810(MPa*s) 261(MPa*s) 3,5

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Mesuré Modèle

Argile-St-CélestinEssais in situ

mic

rodé

form

atio

ns

Temps (s)


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Till silteux sat.Essais de laboratoire

Mesuré

mic

rodé

form

atio

ns

Temps (s)


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Till silteux sat.Essais de laboratoire

Mesuré Modèle

mic

rodé

form

atio

ns

Temps (s)

Pulvérulent saturé

(Till silteux‐sat.)

E0(MPa) 319,58E1(MPa) 1202,190(MPa*s) 883,991(MPa*s) 123,87


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Normalisation des modules-0,05s

Silt sableux et argile w=8% Till silteux w=5%

Nor

mal

isat

ion

à 0,

05s

Temps (s)

Pulvérulents non-saturés


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Pulvérulents saturés


Till silteux sat. Silt sableux et argile w=8% Till silteux w=5%N

orm

alis

atio

n à

0,05

s

Temps (s)



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Argileux

Pulvérulents saturés


Till silteux sat. Silt sableux et argile w=8% Till silteux w=5% Argile

Nor

mal

isat

ion

à 0,

05s

Temps (s)


Analyse des couches de la structure

Enrobé bitumineux

Fondation

Sous‐fondation

Sol d’infrastructure

( 2.67 0.51log 0.07 )

3.27log * 0.951 f TE

e

E

E

1

1

*0 0 0

0 0 1

*( ) (1 )t Ett e

E E


Les matériaux

Climat


par le trafic

Analyse des contraintes et déformations

o Calculées par la méthode de la hauteuréquivalente d’Odemark et de Bousssinesq.

o Contrainte 0 (MPa) uniformément distribuéesur une surface circulaire de rayon a (mm).


Endommagement

o Déformation en traction à la base durevêtement.

o Déformation verticale au sommet du sold’infrastructure.

o La loi de Miner régit le cumul de dommages

Di = Dommage partielni = Nombre de sollicitations appliquées sur la chaussée durant la période iNi = Nombre de sollicitations admissibles avant la rupture sous les conditions prévalant au ième

intervalle de temps

1ii

i i i

nDN

Endommagement…

o Le calcul du nombre de passages admissiblessur la chaussée a été fait en utilisant le critèrede l’Asphalt Institute.

3.291 0.85410.0796 (145 *)f tN xE

9 4.4771.365 10d cN x

Fatigue:

Orniérage:


Conclusions

o La méthode permet notamment de calculerl'endommagement saisonnier de la chaussée afin deprendre en considération un contexte d'applicationnordique.

o L’utilisation des modèles viscoélastiques permet unemeilleure caractérisation du comportementmécanique de la chaussée.


Validation de la méthode

Révêtement 160mm

200mm

200mm

Fondation

Sous-Fondation

Sol D’infrastructure

Structure de Chaussée

Révêtement 165mm

250mm

250mm

Fondation

Sous-Fondation

Sol D’infrastructure

Structure de Chaussée

100 km/h50 km/h

Matériau

Revêtement

Fondation

Sous‐fondation

Sol d’infra.

$/m3

141.03

19

9

Volume (m3)

70

700

700

Total

9872

13300

6300

Différence (mm)

5

50

50

$29472

7m x 2000m x dif.

100 km/h

1.066

0.981

Endommagement

Fatigue

Orniérage

50 km/h

1.204

2.154


Logiciel de calcul

Merci à:

M. Guy DoréM. Jean-Pascal Bilodeau

Chaire i3C:

Jérôme FachonPierre Perron

Les étudiants:Claudia Mellizo SuarezJavier Eduardo DiazDamien GrelletPaola CardenasVahid AbbasiYoudjari Djonkamla

Laboratoire:

Christian Juneau

MERCI DE VOTRE ATTENTION

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