L’essai consiste à appliquer un certain nombre de passages de roue sur une structure de chaussée en modèle réduit reproduite en laboratoire. Un simulateur de chargement routier permet l’application des passages de roue et le contrôle de la charge appliquée. L’échantillon de chaussée est construit dans une cuve qui se place directement sous le simulateur.
Les déformations instantanées et permanentes au sommet du sol d’infrastructure, dues aux passages de roues, sont mesurées à l’aide d’un capteur LVDT (Linear Variable Differential Transformer). La Figure 47 permet de visualiser une vue en coupe de la structure de chaussée et du système de prise de mesure. Le capteur est vissé au tube creux et mesure le déplacement relatif de celui-ci par rapport au tube inférieur. Ce déplacement, divisé par l’écart initial entre les deux tubes (150mm), permet de calculer la déformation au sommet du sol d’infrastructure selon l’équation (49).
63 ϵ =ΔL 𝐿 (49) Avec : 𝜖 = Déformation (mm/mm) 𝛥𝐿 = Allongement (mm) L = Longueur initiale (mm)
Il s’agit ici de déterminer le comportement en déformation permanente d’une chaussée non revêtue, or une fine couche d’enrobé (25mm) a été placée sur la structure de chaussée. Cette couche a deux rôles : elle permet de maintenir le système de déflectomètre (notamment le tube supérieur) et elle empêche la perte de granulats due aux passages répétés de roue. Cette couche est suffisamment fine pour n’avoir qu’un faible impact sur le comportement structural de la chaussée. Ainsi, la couche d’enrobé limite l’apparition d’orniérage de Mode 1 (voir Figure 8) mais n’a que très peu d’impact sur l’orniérage de Mode 2, c’est-à-dire l’orniérage au sommet du sol d’infrastructure, qui est ici le critère de conception analysé.
Figure 47 : Vue en coupe de la structure de chaussée et de l’instrumentation
Les essais se sont déroulés de la manière suivante : Chaque structure de chaussée a subit quatre paliers de contraintes. Chacun des paliers correspond à 50000 cycles de passages de roue, la pression qu’exerce le pneu sur la route étant changée à chaque palier. Lors du quatrième palier, le sol d’infrastructure a été saturé. Pendant les essais, des mesures d’orniérage en surface ont été prises aux cycles 0, 50, 100, 200, 350, 500, 1000,2000, 3500, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 30000, 40000 et 50000.
Des capteurs d’humidité et de pression ont également été installés à diverses profondeurs dans la chaussée. Les capteurs d’humidité ont permis de contrôler la teneur en eau du sol et du MG- 20 lors des essais et lors de la saturation. Les capteurs de pression ont permis de connaitre le niveau de contrainte à l’intérieur de la chaussée afin de pouvoir comparer la réalité avec la théorie de Boussinesq-Odemark.
64
6.2) Description de l’équipement utilisé
6.2.1) Simulateur de charge routier
Le simulateur de charge routier (Figure 48), nommé SimUL, mesure 2,5m de haut, 2,75m de long et 1,25m de large. Il est installé à l’intérieur d’une chambre froide afin de pouvoir simuler des conditions climatiques hivernales (cette option n’a pas été utilisée lors de ce projet). Le simulateur est constitué d’une roue pouvant faire continuellement des allers-retours sur un échantillon de chaussée grâce à un système de rails et de poulies. La roue peut se déplacer à la fois de manière longitudinale et de manière transversale, le déplacement transversal se faisant suivant une loi normale (les passages de roue sont plus fréquents au centre de l’échantillon qu’aux extrémités). La Figure 49 schématise la région balayée par la roue lors des essais, ce qui correspond à une superficie d’environ 8100cm². Plus le niveau de gris est foncé, plus la fréquence de passages de roue est élevée. Chaque cycle de passage de roue dure 1,5 secondes et se compose de trois phases : accélération, vitesse constante à 6km/h et décélération. Les zones où se produisent ces phases sont décrites en Figure 50. La roue se déplace sur l’échantillon placé dans une cuve de 180cm de long, 60cm de large et 56,5cm de profond.
Figure 48 : Simulateur de chargement routier accéléré de laboratoire, Université Laval (Juneau et Pierre 2008)
65
Figure 50 : Zones d’accélération, de vitesse constante et de décélération de la roue du simulateur
La charge qui s’applique sur la roue (et donc sur la chaussée) est appliquée avec un système pneumatique dont la pression est réglable à partir d’un panneau de contrôle (Figure 51). La pression du pneu est également réglable.
Figure 51 : a) Système d’application de charge b) Panneau de contrôle (Thiam, 2014)
6.2.2) Cuve et système de saturation
Chaque échantillon est construit dans une cuve en acier inoxydable dont les dimensions sont décrites à la Figure 52.
66
Figure 52 : Cuve en acier inoxydable
Cette cuve est percée de nombreux trous à sa base et est connectée à un système de tuyauterie permettant la saturation de l’échantillon par le bas (Figure 53). Dans le cadre de cette étude, c’est le sol d’infrastructure qui est saturé lors de cette opération. Le niveau d’eau dans le réservoir correspond au niveau d’eau dans la cuve qui doit être au niveau du sommet du sol d’infrastructure, cela est déterminé à l’aide d’un laser (Figure 54).
67
Figure 54 : Détermination du niveau d’eau de saturation à l’aide d’un laser
6.2.3) Déflectomètre
Le déflectomètre permettant la mesure de la déformation au sommet du sol d’infrastructure est composé d’un tube supérieur creux, d’un tube inférieur plein et d’un capteur LVDT. Le tube plein vient s’emmancher dans le tube creux comme le montre la Figure 47.
Le capteur LVDT (Linear Variable Differential Transformer) est un transducteur qui converti un déplacement linéaire en une tension mesurable. La Figure 55 montre une vue en coupe d’un LVDT. L’enroulement primaire A est alimenté en 5V et la tension de sortie de l’enroulement secondaire B est mesurée. Le curseur (en bleu sur le schéma) est lié à la tige du capteur (en vert sur le schéma). Lorsque cette tige se déplace, le curseur se déplace également et cela fait varier la tension de sortie de l’enroulement B : cette tension est directement proportionnelle au déplacement de la tige.
68
Figure 55 : Vue en coupe d’un LVDT
Le capteur utilisé pour les essais est présenté en Figure 56. Il est constitué d’un bâti dont la partie inférieure est vissée au tube creux du déflectomètre et dont la partie supérieure est amovible à l’aide d’une vis de réglage. Il possède également une tige mobile dont la course est de 12mm. La vis de réglage permet de remonter le capteur si jamais la tige, lors des essais, se déplace de plus de 12mm.
69
6.2.4) Capteurs de pression et d’humidité
Quatre capteurs de pression du sol et quatre capteurs d’humidité ont été implantés dans chaque structure de chaussée, leur positionnement est décrit à la Figure 57.
Les capteurs de pression ont été installés afin d’estimer le niveau de contrainte au cœur de la chaussée et de pouvoir le comparer avec la théorie de Boussinesq-Odemark.
Les capteurs d’humidité ont permis de connaître la teneur en eau du sol et du MG-20 au cours des essais et lors de la saturation.
Les capteurs de pression ont une capacité de mesure de 1MPa et une puissance nominale de 0,25mV/V. Leur branchement s’effectue en Pont de Wheatstone et ils sont alimentés en 3V, ce qui implique que chaque capteur délivre 0,75mV lorsqu’il mesure une pression de 1MPa. Ces tensions étant vraiment très faibles, elles ont reçu un gain de 1000 avant d’arriver sur la carte d’acquisition. Ainsi, les tensions de sortie correspondant aux capteurs de pression ont permis de déterminer la pression mesurée grâce à l’équation (50).
P = U
0,75 (50)
Avec : P = Pression (MPa) U = Tension mesurée (V)
Chacun des capteurs d’humidité est alimenté en 2,5V, la tension de sortie permet de déterminer directement la teneur en eau volumétrique grâce à une équation de calibration donnée par le fabriquant (équation (51)).
ϕ = 11,9 × 10−4× U − 0,401 (51)
Avec : 𝜙 = Teneur en eau volumétrique U = Tension mesurée (mV)
Dans le présent document, ce sont les teneurs en eau massiques qui sont utilisées. La relation entre teneur en eau massique et volumique est donnée en équation (52).
ω = ρd
ρwϕ (52)
Avec : 𝜔 = Teneur en eau massique (%) 𝜙 = Teneur en eau volumique (%) 𝜌𝑑= Masse volumique du sol sec (kg/m3) 𝜌𝑤= Masse volumique de l’eau (1000kg/m3)
70
Figure 57 : Coupe longitudinale de la structure de chaussée, position des capteurs
6.2.5) Logiciel d’acquisition
L’ensemble des capteurs a été relié à une carte d’acquisition branchée à un ordinateur. Le logiciel DASYLab a permis l’acquisition des données, son interface graphique est présentée en Figure 58.
Le logiciel permet de contrôler la durée d’un cycle de déplacement transversal et de visualiser graphiquement ce déplacement. Un totalisateur indique le nombre de cycles de passages de roue. La pression du ballon et du pneu peuvent être visualisées, tout comme les tensions transmises par les capteurs de pression du sol et d’humidité ainsi que le déplacement du capteur LVDT.
Lorsque la roue circule au milieu de la chaussée (juste au-dessus des capteurs), le logiciel écrit automatiquement dans un tableau les valeurs des quatre humidités, des quatre pressions et du déplacement du LVDT en fonction du nombre de cycles pendant 60 secondes.
Il y a également la possibilité de renseigner les valeurs des ornières mesurées manuellement, le logiciel se chargeant de les enregistrer dans sa base de données.
71
Figure 58 : Interface graphique DASYLab