Revue de littérature
2.4 Comportement à long terme des structures de chaussées
2.4.2 Orniérage des chaussées
Au passage répété des charges lourdes, des ornières se développent en surface de la structure de chaussée. Elles se classent en trois catégories : les ornières structurales, les ornières de fluage et les ornières d’usure. L’orniérage total de la structure est la somme de ces trois types d’ornières.
2.4.2.1 Ornière structurale
Lorsque les matériaux granulaires et les sols sont soumis à des contraintes externes, ils ont un comportement élastoplastique. L’application d’une charge sur ces matériaux génère une déformation totale qui se divise en deux composantes : la déformation réversible (réponse élastique) et la déformation permanente (déformation plastique). L’orniérage structural apparait en surface de la structure de chaussée lorsque la déformation permanente s’accumule au niveau des matériaux granulaires et des sols. Ce type d’ornière est aussi appelé ornière à grand rayon. Les facteurs influençant la déformation permanente d’un matériau granulaire sont les suivants (Poupart, 2013) : la rotation des contraintes au passage de la charge, le niveau de contraintes appliqué ainsi que l’historique des contraintes, les caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux granulaires telles que la masse volumique sèche, la granulométrie, la morphologie et la texture des particules granulaires et enfin les conditions environnementales et la teneur en eau. La durée de vie d’une chaussée en orniérage est directement liée à la déformation verticale appliquée au sommet de la couche du matériau considéré. Les différentes lois d’endommagement liées à la déformation permanente se présentent sous la forme donnée à l’équation 2-24.
Plusieurs modèles existent comme celui de l’Asphalt Institute (Asphalt Institute, 1982), le modèle du logiciel de dimensionnement MnPave (Minnesota Department of Transportation, 2012) ou encore le modèle de Roadent (Timm et coll., 1999). Pour chacun de ces modèles, le nombre d’applications de charge admissible avant la rupture est associé à une profondeur
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d’ornière maximale. Cette valeur est souvent prise égale à 12,7 mm.
𝑁𝑅 = 𝐶𝑅 ∗ 𝐾𝑅1· 𝜀𝑉𝐾𝑅2 Équation 2-24
Où : 𝑁𝑅 = nombre de cycles de chargement appliqués jusqu’à la rupture par déformation permanente,
𝜀𝑉 = déformation verticale au sommet du sol considéré,
𝐾𝑅1 𝑒𝑡 𝐾𝑅2 = paramètres de conception fonction des propriétés du matériau, 𝐶𝑅 = facteur de correction ou de calibration du modèle
2.4.2.2 Ornière de fluage
Les ornières par fluage s’observent principalement sur des voies où le trafic est lent et canalisé comme des voies urbaines d’autobus ou sur des zones à fortes charges comme des secteurs portuaires ou industriels. Leurs apparitions sont associées aux températures élevées pouvant être mesurées au cours des mois estivaux. Les profondeurs d’ornières associées au fluage sont particulièrement surveillées, car elles réduisent considérablement le confort au roulement ainsi que la sécurité des usagers de la route (risque d’aquaplanage, perte de contrôle du véhicule). Les ornières de fluage, aussi appelées ornière de faible rayon, sont présentes au niveau des sentiers de roues et sont engendrées par l’accumulation de déformations permanentes dans les premiers centimètres du revêtement. Les ornières de fluage se caractérisent principalement par une dépression au niveau des sentiers de roues accompagnée de l’apparition de bourrelets latéraux de part et d’autre de cette dépression. D’un point de vue du matériau, les facteurs influençant la formation des ornières dans les couches bitumineuses sont les suivants (Sohm, 2011) : la composition minérale des matériaux (granulométrie et squelette granulaire, fraction de sable, portion fine, forme et texture des granulats), les propriétés du liant bitumineux (nature du liant et teneur en liant), et la compacité du mélange.
La température est un facteur déterminant dans l’apparition des ornières de fluage. Lorsque les températures augmentent, le liant bitumineux perd de sa rigidité. La rigidité de mélange ainsi que sa cohésion diminuent, entrainant une augmentation de sa susceptibilité aux déformations permanentes. Enfin, le dernier paramètre responsable du fluage des matériaux est le trafic des charges lourdes. Le fluage est fonction de la vitesse de la charge, de l’intensité des charges transportées, et aussi des fréquences de sollicitations.
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Les modèles de prédictions de l’orniérage sont basés sur des lois d’accumulation du dommage au passage des charges. Plusieurs lois de prédiction de l’orniérage permettent de déterminer le nombre de passages admissible avant d’atteindre la profondeur d’ornière critique. La méthode de conception MEPDG de l’AASHTO 2002 (ARA, 2004) suggère la fonction de transfert détaillée à l’équation 2-25. La déformation permanente est donc directement liée à la température et à la déformation verticale appliquée par le passage de la charge.
𝑙𝑜𝑔 (𝜀𝑝
𝜀𝑟) = −3,74938 + 0,4262. log(𝑁𝑟) + 2,02755. log (𝑇) Équation 2-25 Où : 𝑁𝑅 = nombre de répétitions correspond à une déformation de 𝜀𝑝 ,
𝜀𝑝 = critère d’accumulation des déformations permanentes, 𝜀𝑟 = déformation réversible,
𝑇 = température du revêtement.
L’approche analytique proposée par Deacon et coll. (2002) suggère de considérer à la fois la contrainte de cisaillement, et la déformation en cisaillement. La relation proposée est présentée à l’équation 2-26. La contrainte de cisaillement ainsi que la déformation en cisaillement étant fonction de la charge et de la température, la détermination de l’orniérage final est effectuée par calcul itératif pour chaque chargement. La détermination de la déformation permanente de cisaillement est donc basée sur une loi de cumul des dommages.
La profondeur d’ornière est déterminée à l’aide d’un paramètre la reliant à la déformation permanente en cisaillement.
𝛾𝑖 = 𝑎 exp(𝑏. 𝜏) . 𝛾𝑒. 𝑛𝑐 Équation 2-26 Où : 𝛾𝑖= déformation permanente de cisaillement à 50 mm de profondeur,
𝜏 = contrainte de cisaillement déterminée à 50 mm par des calculs numériques, 𝛾𝑒= déformation élastique de cisaillement,
𝑛 = nombre de répétitions de chargement,
𝑎, 𝑏, 𝑐= coefficients de régression du modèle en fonction des matériaux.
2.4.2.3 Synthèse
Les charges lourdes sont directement responsables de l’orniérage structural et du fluage des matériaux bitumineux. Lorsque les conditions environnementales et les paramètres de charge sont amenés à changer en surface, la distribution des contraintes dans la structure est
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également amenée à changer. Afin de déterminer l’effet des différents types de charges sur l’orniérage des chaussées, il est nécessaire de mesurer ou de calculer la contraction et le cisaillement qui s’exercent dans les premiers centimètres de la couche bitumineuse.