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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.