MEPDG

Paru en 2004, le Guide for Mechanistic-Empirical Design (MEPDG) propose une méthode de dimensionnement de chaussée applicable pour les chaussées d’enrobé bitumineux et de béton. La méthode s’appuie sur une démarche mécanique-empirique. Lors de l’utilisation du MEPDG, la première étape est l’identification du sol support. Lorsqu’un sol de nature particulière (sol compressible, sol sujet au gonflement, sol saturé en eau ou sol susceptible au gel) est identifié, la National Cooperative Highway Research Program (2004) recommande un cheminement détaillé. Le cheminement des sols susceptibles au gel a été étudié.

1.5.4.1 Sols susceptibles au gel

Deux phénomènes liés au gel sont identifiés comme potentiellement problématiques dans la méthode MEPDG, les soulèvements au gel et les cycles de gel et de dégel. Les cycles de gel et de dégel sont caractérisés par une diminution notable de la capacité portante du sol support en plus d’augmenter l’action du soulèvement dû au gel (National Cooperative Highway Research Program, 2004).

Trois approches de protection face au gel sont recommandées par le MEPDG (National Cooperative Highway Research Program, 2004). L’approche de protection complète qui consiste à retirer tous les matériaux gélifs, l’approche de limitation du front de gel qui consiste à permettre la pénétration du gel en contrôlant les conséquences sur la chaussée et l’approche de pénétration du gel complète qui consiste à laisser le sol support geler. Peu importe la protection choisie, la chaussée doit être dimensionnée à l’aide du modèle climatique amélioré.

1.5.4.2 Modèle climatique amélioré (Enhanced Integrated Climatic Model)

Pour déterminer la performance d’une structure de chaussée face au front de gel, la méthode MEPDG recommande de simuler différents scénarios de couches de matériaux dans la structure routière. Pour faire la comparaison entre ces scénarios, un modèle climatique amélioré, l’Enhanced Integrated Climatic Model (EICM) est utilisé (National Cooperative Highway Research Program, 2004). L’EICM est un outil intégrant les flux de température et d’humidité qui simule des changements dans le comportement et les caractéristiques des couches de la structure routière par rapport aux conditions climatiques. En se basant sur trois modèles mathématiques, l’EICM est capable de prédire le comportement de la structure en intégrant les variations de températures, de facteurs d’ajustement de module élastique ( ), de pression d’eau interstitielle, de teneur en eau (W), de profondeur de gel et de dégel, de soulèvement du au gel et de performance de drainage (National Cooperative Highway Research Program, 2004). Pour ce faire, quatre grandes catégories de variables sont nécessaires. Les données reliées à la température, les niveaux de la nappe phréatique, les capacités de drainage et les propriétés des surfaces et les caractéristiques des matériaux des couches de la structure routière. Le Tableau 1.3 résume les valeurs entrantes.

Tableau 1.3 Valeurs entrantes de méthode MEPDG (National Cooperative Highway Research Program, 2004) Type de données entrantes Sous-type de données Utilisation

Données de température (sur une base horaire)

Température de l’air

Création une courbe de température de radiation entre la chaussée et l’air et définition des périodes

de gel et de dégel.

Précipitations Détermination de l’infiltration et du vieillissement _{de la chaussée pour des projets de réhabilitation.}

Vitesse du vent Détermination du coefficient de transfert de _{chaleur à la chaussée.} Pourcentage

d’ensoleillement Calcul de la température à la surface de la chaussée. Humidité relative Calcul de la contraction par retrait hydraulique de _{séchage de la dalle lors de la mise en place.}

Niveaux de la nappe phréatique (sur une base annuelle ou

saisonnière)

- Calcul de la profondeur des couches saturées.

Capacités de drainage et propriétés des surfaces

Absorption de surface _{transmise à la couche supérieure de la chaussée.} Détermination de la quantité d'énergie solaire

Infiltration Définis l'infiltration potentielle de la chaussée sur sa vie entière et détermine la quantité d'eau disponible au-dessus de la couche de fondation

Distance de drainage Calcul du temps nécessaire pour drainer la _{fondation et la sous-fondation.}

Pente transversale Calcul de temps nécessaire pour drainer la surface _{de roulement.}

Caractéristiques des matériaux des couches de

la structure routière

Épaisseur de la couche Délimite chaque couche de la structure de _chaussée Propriété du

béton

Conductivité thermique (K) et capacité thermique

(Q)

Détermination de la conductivité thermique (K) et de la capacité thermique (Q). Propriété des matériaux granulaires compactés Paramètres reliés à la masse et au volume

Détermination de la masse volumique sèche ( ), de densité sèche des solides ( ) et de la

teneur en eau optimale ( ). Conductivité hydraulique

dans un milieu saturé ( )

Détermination des profils d'humidité transitoire et calcul des caractéristiques drainantes. Conductivité thermique

(K) sèche et capacité thermique (Q) sèche

Calcul un facteur de variation de la conductivité thermique et de la capacité thermique pour ajuster les valeurs initiales par rapport au taux d'humidité

présent. Courbe caractéristique de

Tableau 1.3 Valeurs entrantes de méthode MEPDG (suite) Type de données entrantes Sous-type de données Utilisation

Caractéristiques des matériaux des couches de la structure routière Propriété des matériaux granulaires du sol support Paramètres reliés à la masse et au volume

Détermination de la masse volumique sèche ( ), de densité sèche des solides ( ) et de la teneur en eau optimale ( ), de l'indice de

plasticité (IP) et de la granulométrie. Conductivité

hydraulique dans un milieu saturé ( )

Détermination des profils d'humidité transitoire et calcul des caractéristiques drainantes. Conductivité thermique

(K) sèche et capacité thermique (Q) sèche

Calcul un facteur de variation de la conductivité thermique et de la capacité thermique pour ajuster les valeurs initiales par rapport au taux

d'humidité présent.

La technique de collecte des données entrantes comporte, selon la méthode MEPDG, un niveau de fiabilité. Le niveau le plus fiable est décrit par des essais en laboratoire. Les niveaux suivants sont décrits soit par des corrélations établies entre certains aspects du matériau ou par des approximations en fonction des matériaux utilisés (National Cooperative Highway Research Program, 2004).

1.5.4.3 Prise en compte des cycles de gel et de dégel

Pour caractériser les cycles de gel et de dégel, deux données ressortent de l’EICM soit le module réversible pour chaque nœud que la modélisation simule dans la structure routière (caractérisé par un changement d’humidité, de succion et de température) et les profils de température dans la structure de chaussée (National Cooperative Highway Research Program, 2004).

Dans le but de déterminer un module réversible dans chacun des nœuds, un facteur d’ajustement environnemental ( ) horaire est créé (National Cooperative Highway Research Program, 2004). Ce facteur est simplement multiplié au module réversible optimal du sol ( ) pour obtenir le module réversible de la section entre deux nœuds. Le peut prendre trois conditions ; la condition gelée, la condition de dégel et la condition normale. Les profils

de température dans la structure routière sont utilisés dans le but de connaître la condition à imposer dans chacun des nœuds.

1.5.4.4 Prise en compte des cycles de gel et de dégel

Lorsqu’un sol pouvant engendrer des variations de volume lié au gel est rencontré, ces soulèvements et tassements sont simulés selon le CRREL Frost Heave and Thaw Settlement Model. Le CRREL Frost Heave and Thaw Settlement Model se base sur plusieurs caractéristiques du sol pour établir le comportement face au gel. Les variables entrantes sont : la masse volumique du sol sec, l’indice de vide, la température de gel, la capacité thermique des minéraux, la conductivité thermique des minéraux, la teneur en eau, la rétention d’eau du sol, la conductivité hydraulique en milieu saturé et la conductivité hydraulique en milieu gelé (Guymon et al., 1992). Ces données sont ensuite utilisées par un algorithme où des coefficients de variations sont établis en fonction d’essai en laboratoire portant sur le sol à l’étude. Ces coefficients sont ensuite utilisés dans le calcul du soulèvement du sol.