Chapitre V Grandeurs à évolutions lentes
V.5 Comparaison de la réponse des structures ferroviaires avec celle des chaussées routières
Une comparaison des variations de température a été réalisée entre les structure ferroviaire avec sous-couche bitumineuse de la voie BPL, et une structure routière comportant une épaisseur similaire de matériaux bitumineux.
Les structures ferroviaires sont les sections 1 et 4 de la LGV BPL. La structure routière considérée en comparaison est une structure mise en place sur le manège de fatigue des chaussées à l’IFSTTAR, à Nantes. Cette structure est composée d’une couche de grave-bitume de 10 cm, reposant sur une couche de grave non traitée.
Pour les trois structures, des sondes de températures sont placées à la base et au sommet de la couche bitumineuse.
La distance entre la structure routière de Nantes et les sites de la LGV BPL près du Mans est estimée à 180 km. Ce qui est suffisamment proche pour que les conditions climatiques soient quasi-similaires, afin de comparer les variations des différentes structures.
Températures journalières
La Figure V.14 compare les valeurs minimales et maximales de températures journalières mesurées au sommet de la couche bitumineuse pour la structure routière située à Nantes et au sommet des couches bitumineuses de la voie ballastée de la LGV BPL pour les sections 1 et 4.
Figure V.14 - Comparaison de la variation de température entre la chaussée sur Nantes et les sections bitumineuses de la LGV BPL – les courbes pointillées désignent les valeurs minimales et les courbes complètes
les valeurs maximales
Sur la Figure V.14, les courbes vertes et bleues correspondent aux sections bitumineuses 1 et 4 de BPL et indiquent 22 °C comme température maximale durant les périodes d'été les plus chaudes et 2°C comme température minimale en hiver. En comparaison, à la surface de la chaussée routière, la température peut atteindre environ 60 °C en été et -6 °C en hiver. Le sommet de la couche de GB dans les chaussées routières présente, en particulier, des températures beaucoup plus élevées en été que la sous-couche bitumineuse dans les structures ferroviaires. Les amplitudes de variation de température au cours d’une même journée sont aussi beaucoup plus importantes sur la chaussée routière (l’amplitude jour/nuit peut atteindre près de 40 °C) que dans les structures ferroviaires, où l’amplitude jour/nuit est très réduite, de l’ordre de 2 °C.
En conclusion, la couche de ballast limite considérablement les variations journalières et saisonnières de la température dans la sous-couche bitumineuse, par rapport à ce qui est observé dans les chaussées routières. Ces faibles variations de température sont favorables à la durabilité des enrobés bitumineux.
Gradients de température
Les gradients de température observés dans la couche de grave bitume de la chaussée routière sont présentés sur la Figure V.15, ainsi que les gradients calculés dans les sous-couches bitumineuses de la LGV BPL. La différence entre les deux types de structures est très importante. Les deux courbes
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
Nov-16 Mar-17 Jun-17 Sep-17 Dec-17 Apr-18 Jul-18 Oct-18
Te mpe ra tu re ( °C) Date
BPL 1 - Sommet GB max Surface chaussée min
Surface chaussée max BPL 1 - Sommet GB min
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montrent des tendances similaires, avec principalement des gradients de température positifs (températures de surface plus élevées) pendant la période printemps-été et des gradients négatifs en automne - hiver, mais avec des niveaux très différents. Pour la structure de chaussée routière, les gradients de température atteignent des valeurs maximales positives de 2°C/cm et négatives minimales de -0,5°C/cm, tandis que les valeurs maximales et minimales trouvées pour les sites de BPL sont de +0,15°C/cm et de -0,2°C/cm. Dans la structure de la voie ferrée, les gradients de température peuvent être négligés et une température constante peut être considérée dans la couche bitumineuse à des fins de modélisation, ce qui n'est pas possible pour une structure de chaussée routière.
Figure V.15 - Comparaison des gradients de température entre le sommet et la base de l’enrobé bitumineux sur la section 4 de la LGV BPL et la chaussée test de Nantes
En outre, les variations de module correspondant aux variations de température enregistrées dans un matériau type GB4 à une fréquence de 10 Hz sont comparées dans le Tableau V.1pour la chaussée routière sur Nantes et pour la sous-couche bitumineuse sur BPL. On voit que l'amplitude des variations de module est considérablement réduite dans la voie ferrée, ce qui devrait considérablement réduire les risques de phénomènes de détérioration dus aux températures élevées (orniérage) ou les risques de fissuration thermique dus aux températures basses, courantes sur les chaussées routières. Ces faibles variations de module sont très favorables pour la durabilité de la sous-couche bitumineuse dans les structures ferroviaires.
Tableau V.1 - Variations de module typiques d’une GB4 en fonction de la température
Chaussée routière LGV BPL
Température T° max : 60°C T°min : -6°C T° max : 22°C T°min : 2°C Module de la GB4
(à 10Hz) 1 067 MPa 23 000 MPa 6 860 MPa 18 860 MPa
-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5
août-16 nov.-16 mars-17 juin-17 sept.-17 déc.-17 avr.-18 juil.-18 oct.-18
Te mp era tu re gra d ie n t (° C /c m) Date
V.6 Conclusion
Dans ce chapitre, on a étudié les évolutions saisonnières des différentes sections instrumentées de la ligne à grande vitesse « Bretagne - Pays de Loire », durant une période de 30 mois, en termes de températures et de teneurs en eau. Le tassement des différentes structures de la ligne est aussi étudié. De plus, une comparaison entre les variations de température au sommet de la couche d’enrobé bitumineux de la LGV BPL et d’une structure de chaussée routière située à Nantes a été réalisée.
Les tassements sur tous les tronçons de la LGV BPL, bitumineux ou conventionnels, varient entre 0,5 et 1,5 mm après deux ans et sont jugés minimes selon les règles de la SNCF en matière de conception des voies ferrées. Aucune différence significative n'a été observée entre les tassements observés sur les structures avec sous-couche bitumineuse, par rapport à la section granulaire traditionnelle.
L'intérêt de la sous-couche bitumineuse pour améliorer le drainage de l'eau et protéger la plateforme contre l'infiltration d'eau de pluie a été clairement démontré. L'application d'une sous-couche de GB4 permet de réduire l'infiltration d'eau dans les couches inférieures de la voie ferrée, évitant ainsi les problèmes de perte de capacité portante et de détérioration du sol de fondation lors des périodes de pluie.
Compte tenu de l'importance de la température sur les performances mécaniques et la durée de vie des enrobés bitumineux, les résultats confirment que les variations de température sont considérablement limitées dans les sous-couches bitumineuses sur les LGV, malgré des conditions environnementales et climatiques sévères.
En conclusion, l’utilisation de couches en GB dans la construction des structures ferroviaires contribue efficacement à la protection du sol de fondation contre les infiltrations d’eau. De plus, la couche de ballast joue un rôle important dans la protection des couches sous-ballast contre les variations de température. Ainsi, les variations de température dans les sous-couches bitumineuses sur les voies ferrées ballastées sont considérablement réduites, ce qui renforce l'intérêt d'utiliser l’enrobé bitumineux pour les applications ferroviaires.