Contraintes induites dans la chaussée

1.3.1 Introduction

La structure d’une chaussée bitumineuse neuve est composée de la superposition de plusieurs couches (Fig. 0.1) :

 le revêtement, composé d’enrobés bitumineux, peut être décomposé en trois sous- couches : couche de roulement, couche de liaison et couche de base;

 la couche de fondation granulaire (couche de fondation et sous-fondation) et,  une couche de support, sol d’infrastructure ou sol naturel.

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Une chaussée, soumise à l’action de la circulation, subit plusieurs efforts et des contraintes se développent à l’intérieur de sa structure. Il est donc essentiel, pour tout concepteur, de connaître le plus précisément possible l’évolution des contraintes car l’action répétée des charges peut générer plusieurs défauts et problèmes dans la chaussée, tels que la fissuration par fatigue et l’apparition d’ornières. D’un point de vue analytique, deux types de sollicitations vont entraîner le développement d’états de contraintes différents dans la chaussée soit : 1) la sollicitation par charge statique et, 2) la sollicitation par l’application de charges cycliques. Il est à noter que dans le cadre de cette thèse, nous nous concentrerons essentiellement sur une description détaillée des phénomènes se rapportant au revêtement.

1.3.2 État de contrainte dans le revêtement sous une charge statique

De par la théorie de l’élasticité, et sous l’action d’une charge statique, les contraintes à l’intérieur du revêtement peuvent être schématisées suivant la Figure 1.3 et se définir comme indiqué dans le Tableau 1.2.

Figure 1.3 Schématisation des états de contraintes dans une chaussée sous chargement statique

εZ = Déformations verticales σZ = Contraintes verticales σZ,εZ Revêtement Couche de fondation Sol support

P

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Tableau 1.2 Différents états de contraintes observés dans le revêtement Tiré de Di Benedetto et Corté (2005)

Point État de la contrainte Valeurs1 Effet sur la chaussée

• Contrainte de compression selon les axes x et y

• Contrainte y légèrement supérieure à x

≥ ≥0

• Tassement du matériau en y et dilatation en x par effet de compression de volume

• Propice aux déformations permanentes

• Transition entre les 2 modes de sollicitation

• Diminution de la contrainte en compression selon l’axe y, et contrainte de traction selon l’axe x. Cette dernière augmente en fonction de la profondeur

≥0≥ ≈ -

• Effet déstabilisant sur les matériaux

• Propice à l’augmentation de la vitesse d’apparition des déformations permanentes : l’orniérage n’est pas

seulement le résultat de déformations permanentes de la couche de roulement • Contrainte de traction

suivant l’axe x : effet similaire à une plaque soumise à de la flexion • Contrainte pratiquement

nulle selon l’axe y

<0; ≈ 0 • État à l’origine de la fatigue des enrobés bitumineux

Note 1 Une valeur positive indique un effet de compression et une valeur négative indique un effet de traction

Cet état de contraintes ne correspond pas à la réalité : l’action de la circulation se fait plutôt dans un mode dynamique et non statique. L’ajout de notion de mouvement fait en sorte de rendre le chargement beaucoup plus complexe et variable dans le plan et le temps.

1.3.3 État de contrainte dans le revêtement sous une charge cyclique

La Figure 1.4, qui réfère aux mêmes points de repère (A, B et C) que ceux illustrés à la Figure 1.3, illustre les chemins de contrainte avec l’application d’une charge roulante. Soulignons que la charge roulante est associée à une roue placée à la surface du revêtement, ici assimilée à une charge circulaire de rayon R se déplaçant suivant l’axe longitudinale de la route (voir Figure 1.4(a). Cet autre mode de chargement confirme la présence de flexion au

A

B

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point C (bas de couche du revêtement), dont la contrainte maximale est enregistrée en OC lors

du passage de la charge au point y = 0.

Figure 1.4 Chemins de contraintes à différentes profondeurs (0,0,z) dans les couches bitumineuses d’une chaussée

D’autre part, le chemin des contraintes au point A en cours de déplacement de la charge fait ressortir un cheminement parabolique ayant comme sommet le point RA. Ce sommet est

atteint lorsque le bord de la charge atteint le point y = R (soit à environ le rayon de la charge). Ce chemin de contrainte montre que le phénomène d’orniérage qui se produit à proximité de la surface est plus dommageable à l’approche de la charge (flanc des charges

-R « O »

Diamètre de la charge Sens du mouvement (axe y)

y +R

Trace au sol : charge circulaire

Charge appliquée (0,0) Sens du mouvement « A » « B » « C » z y -R « O » +R

(a) Charge roulante : roue en mouvement assimilée à une charge circulaire de rayon R se déplaçant suivant l’axe longitudinal de la route (axe y)

(b) Vue en coupe

(c) Chemins de contraintes suivant l’action d’une charge circulaire en mouvement dont le point

d’observation est situé au point (x=0, y=0) (d) Vue en plan

q (MPa) p (MPa) 0,6 0,3 -0,3 (0,0) 0,3 0,6 OC OB OA RC RA z = -5 cm (A) z = -15 cm (B) z = -25 cm (C) y x En dimensionnement de chaussée, l’effet mécanique du

pneumatique est assimilé à l’action de charges appliquées

sur une surface circulaire et équivalent à un ÉCAS (80 kan) Traces de roues :

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(RA)) que directement sous le centre (OA) à cause du temps de sollicitation (très court de R à

0).

Finalement, pour la couche intermédiaire, la courbe B illustre bien l’effet de transition, dans le revêtement, partant du haut vers le bas, entre le plan des contraintes de compression (plan positif en surface du revêtement) et le plan des contraintes en traction (plan négatif en bas du revêtement). Il est à noter que le chemin des contraintes le plus critique pour les déformations permanentes, suivant le plan d’observation (0,0), correspond au passage de la charge du point « R » au point (0,0). Notons que pour le dimensionnement d’une chaussée bitumineuse en Amérique du nord, l’effet d’un essieu simple jumelé de référence (ÉCAS : 80 kN), sur la chaussée, est représenté par 2 charges égales (40 kN) réparties sur deux surfaces circulaires, le tout espacé de la largeur du jumelage.