Chapitre 1 : État de l'art
1.4 Orniérage et ssuration des couches de surface
ε0
εr
expρ
N
β
εvh (1.10)
où δ(N) est la déformation permanente de la couche de base ou de fondation après N
passage de la charge ; ε0, β, ρsont les paramètres liés aux propriétés du matériau ; εr est
la déformation de résilience imposée au laboratoire d'essai pour obtenir des propriétés
matériau ; εv est la déformation de résilience moyenne verticale calculée à partir d'une
réponse primaire du modèle ; h est la hauteur de la couche de base ; et β1 est le facteur
de calibration.
1.4 Orniérage et ssuration des couches de surface
Grâce à l'évolution des méthodes de dimensionnement, ces dégradations
convention-nelles s'observent désormais plutôt rarement. Deux mécanismes de dégradations des
chaus-sées ont néanmoins évolué ces dernières années : les ornières proches de la surface et la
ssuration initiée en surface.
1.4.1 Orniérage
Traditionnellement, l'orniérage se produit à travers toutes les couches de la chaussée.
Cependant, l'orniérage principalement concentré sur la surface de la couche d'enrobé
bitumineux devient de plus en plus présent ces dernières années. Brown et Cross [49]
ont entrepris une étude complète des ornières sur plusieurs sections de chaussée et ont
rapporté que la majorité des ornières se produisent dans les 7 à 10cm de la surface.
Ils ont attribué l'augmentation de l'orniérage à la qualité des mélanges bitumineux
utilisés dans les couches de surface et à une augmentation des pressions de gonage des
pneumatiques et du chargement des poids lourds.
Ces ornières sont prises en compte dans les méthodes de dimensionnement des
chaussées existantes (cf. section 1.3.2.2.1) et ont toujours été traitées par les méthodes
mécanique-empiriques. Les récentes études sur ces types d'ornières ont souvent été
focalisées sur l'impact du pneu sur les champs mécaniques dans les couches d'enrobé
bitumineux. D'ailleurs, an d'expliquer au mieux les ornières proches de la surface de
la chaussée, Myers et al. [50] ont étudié l'eet de la pression de contact générée par le
contact du pneumatique sur la chaussée. Leurs études ont été poursuivies par Drakos
et al. [51] par l'étude de l'eet du type de pneumatique sur le développement de ces
ornières d'instabilité. Ces auteurs ont trouvé que ces dernières se produisent dans les
cinquantes premiers millimètres. Pour traiter convenablement l'ornière d'instabilité pour
la conception des mélanges bitumineux et la conception structurelle de la chaussée, il est
donc nécessaire de comprendre les mécanismes qui induisent ce type d'orniérage dans la
couche de surface et d'identier des facteurs clés qui aectent ces mécanismes.
Il faut noter que les ornières d'instabilité ou écoulements plastiques sont plus évidentes
dans les sections routières où le trac est lent tel que les intersections qui représentent
un désaccord en conditions de charges appliquées à la chaussée. Le freinage,
l'accéléra-tion, le virage (gure 1.4), les arrêts et les déplacements lents aux intersections induisent
les ornières d'instabilité. Ainsi, le déplacement des matériaux s'eectue en fonction de la
direction des eorts du trac. Un déplacement longitudinal est donc dû aux eorts
d'accé-lération ou de freinage (gure1.4(a)) et un déplacement transversal, souvent observé aux
points singuliers (virage, rond point ...), sont dus aux eorts centrifuges (gure 1.4(b)).
Effort Normal
>Poids du véhicule
Effort Tangentiel
> Résultante de transfert de masse (accélération/freinage)
Effort résultant
(a)
Effort Tangentiel
> Résultante de transfert de masse (force centrifuge en virage)
Effort Normal
>Poids du véhicule
Effort résultant
(b)
Figure 1.4 Bilan des forces extérieure à l'origine des ornières d'instabilité et des
ssu-ration. (a) accélération/freinage, (b) virage
1.4.2 Fissuration
Plusieurs chercheurs ont essayé d'expliquer la présence des ssures initiées en surface
de la chaussée. De nombreuses études récentes ont montré que la ssuration par le
haut ou proche de la surface est le mécanisme de ssuration principal des chaussées. La
ssuration peut s'initier en surface de la chaussée et se propager vers le bas (ssuration
descendante), ou initiée à une certaine distance en-dessous de la surface et se propager
vers le haut ou vers le bas ou simultanément dans les deux directions. Ces ssures sont
observées sur les chaussées après construction de façon prématurée. Elles peuvent être
longitudinales ou transversales à proximité des secteurs de traces des pneumatiques ou
dans ces dernières. La profondeur de la ssuration est généralement contenue dans la
couche de roulement ou peut atteindre dans certains cas la couche de liaison mais ne se
propagent pas vers les autres couches inférieures comme la couche de base.
Plusieurs facteurs ont été proposés comme causes du top-down cracking (TDC).
Des facteurs liés à la charge (traction, cisaillement), des facteurs matériau (basses
énergies de rupture, vieillissement), des facteurs de construction (la construction de
joint longitudinale, ségrégation) et des facteurs causés par la température (contrainte
thermique) sont suggérés [52]. Parmi ces facteurs, la contrainte de traction ou de
cisaillement élevée, générant la traction par des pneus sur la surface de la chaussée ou
en sous couche non loin de la surface, est le facteur le plus reconnue comme initiateur
du mécanisme de ssuration en surface. La contrainte de traction et de cisaillement
générée par une charge répétée déclenche le processus de dommage des matériaux,
alors que la contrainte thermique pendant les cycles thermiques quotidiens, accélère
l'évolution du dommage et le vieillissement (ceci dépendant de l'amplitude des cycles
ther-miques) de l'enrobé par réduction de son énergie de rupture et de sa résistance à la fatigue.
Le développement de la ssuration initiée en surface a été rapporté comme problème
universel au cours de la dernière décennie. Hugo et Kennedy [53] ont observé l'initiation
des ssures en surface des chaussées sous l'aire de pression du pneu du simulateur de poids
lourds et ont noté que les ssures ont été provoquées par des eorts horizontaux induits
à la surface de contact entre le pneu et la chaussée. Des contraintes radiales centripètes
ont été citées comme induisant la tension en surface de la chaussée au bord d'une charge
circulaire par des chercheurs Néerlandais [54]. Ces derniers ont également proposé un
modèle basé sur l'énergie de distorsion pour expliquer au mieux le développement de la
ssuration initiée en surface. Il a été également signalé que l'énergie de distorsion calculée
est toujours plus critique en sous couche plutôt qu'en surface. Matsuno et Nishizawa [55]
ont indiqué que les ssures longitudinales en surface sont dues aux grandes déformations
par extension et qui sont générées à proximité des bordures du pneu à des températures
élevées. Ils ont expliqué que les déformations par extension sont souvent concentrées au
voisinage d'une petite ssure induite à la surface de la chaussée. Le travail d'analyse
s'est cependant limité à un chargement vertical circulaire uniforme traditionnel. Un autre
travail analytique, conduit au Pays-Bas a suggéré qu'une tension signicative peut être
initiée sur la surface de la chaussée le long du bord d'un pneu chargé provoqué par des
contraintes de contact pneu-chaussée [56]. Cependant, la véracité de cette observation
est incertaine puisque les analyses ont été faites en utilisant des contraintes du contact
pneu-chaussée pour un pneu de camion, avec les contraintes latérales qui ont été estimées
à partir de la littérature sur un pneu de véhicule légers.
Une analyse de la cause de la ssuration descendante d'un point de vue micro
mécanique a été mené par Wang et al. [57]. Les auteurs ont constaté que la contrainte
de traction secondaire pourrait être induite par le chargement de cisaillement dû à
la dilatation. Ils ont suggéré que la structure squelettique globale de particules et la
concentration des mastics sont deux facteurs importants qui peuvent aecter les ssures
descendantes. Wang et al. [58] ont constaté qu'en utilisant la méthode des éléments
de frontière visco-élastique la contrainte résiduelle visco-élastique due à la charge peut
être un autre mécanisme potentiel pour le top-down cracking. Les travaux de Yoo et
Al-Qadi [59] et Al-Qadi et al. [60] ont montré que la déformation de cisaillement verticale
au bord du pneu est plus critique que la déformation par extension en bas d'une couche
bitumineuse pour une chaussée épaisse et peut être responsable du développement
de ssures proches de la surface. Petit et al. [61] ont montré que l'endommagement
par fatigue de type top-down cracking d'une structure de chaussée est amorcé par des
déformations d'extension supercielles qui sont induites par des sollicitations tangentielles
horizontales appliquées à la surface de la chaussée ( gure 1.4(a)).
Un modèle d'initiation de ssure a été développé par Lytton et al. [62] où il a
constaté que le nombre de cycles de charge pour atteindre la rupture pourrait être prévu
avec une bonne précision en prenant en considération la rigidité originale, l'état de
contrainte exprimé en termes de contrainte principale moyenne, la contrainte octaédrique
de cisaillement en bas de couche, le pourcentage de vide d'air et le mastic bitumineux
dans le mélange. Un modèle de déformation de Von Mises a été proposé par Sousa
et al. [63] pour considérer simultanément la déformation normale et de cisaillement. La
résistance à la fatigue par l'essai de fatigue en exion avec pilotage en déformation est
ainsi calculé.
combi-naison d'une importante énergie dissipée en surface, des contraintes de cisaillement,
des contraintes induites par la température et des contraintes résiduelles pourraient
être à l'origine de la ssuration en surface de la chaussée. Dans un rapport d'essai
IFSTTAR [64] rapporte le taux d'évolution du top-down cracking à des facteurs qui
favorisent le vieillissement de l'enrobé bitumineux (hautes températures, taux de vides
élevés et insusance de liant), à la fragilité du bitume, la contraction et la fatigue (basse
température, amplitude de température quotidienne élevée).
Selon une étude récente de Roque et al. [65], la ssuration descendante pourrait être
provoquée par une traction en surface induite par la exion à partir du pneu dans des
couches bitumineuses de faible ou de moyenne épaisseur, ou une traction proche de la
sur-face induite par le cisaillement au bord du pneu dans les couches bitumineuses épaisses.
Dans leur étude, un modèle d'endommagement visco-élastique continu et un modèle de
mécanique de la rupture sont utilisés pour prédire respectivement l'initiation et la
propa-gation des ssures.
Dans le document
Modélisation avancée du contact pneu-chaussée pour l'étude des dégradations des chaussées en surface
(Page 40-44)