Approche de dimensionnement Alizé

Le logiciel Alizé permet de déterminer les contraintes engendrées dans la chaussée par une charge.

Ce logiciel se base sur le modèle multicouches de Burmister (Perret, 2004) qui décrit la structure de chaussée comme étant une superposition de couches à comportement élastique linéaire, homogène, isotrope, d’épaisseur donnée et dont les interfaces sont soit collées, soit décollées, soit glissantes. Ces couches surmontent une couche de sol d’épaisseur infinie (Figure VI.1). La charge appliquée à la surface de la structure est modélisée par disque de rayon r exerçant une pression uniforme q.

de deux matériaux non traités, la couche intermédiaire et le sol support. Dans ce cas, le dimensionnement de la structure de chaussée est réalisé vis-à-vis du risque d’orniérage du support, en limitant sa déformation verticale εz (SETRA, 1994).

Ainsi, au vu des paramètres nécessaires au dimensionnement des structures de chaussée, il convient de connaître le module de Young (E) de la couche intermédiaire ainsi que son épaisseur. Seul ces deux paramètres sont nécessaires étant donné que la classe de portance du sol support est donnée par la qualité de sol définie par les référentiels SNCF à savoir Si.

a. Apport des nouveaux outils dans la caractérisation mécanique de la CI

Comme nous avons vu précédemment, la détermination des épaisseurs de couche et de son module élastique est essentielle pour appréhender le comportement de la couche intermédiaire à la déformation permanente et ainsi sa capacité à accepter un trafic donné. Pour ce faire, il est nécessaire d’utiliser des outils de faible encombrement permettant d’obtenir ces informations sans avoir à déposer la voie pour minimiser l’impact des reconnaissances sur l’exploitation commerciale. Depuis les années 2010, la SNCF a travaillé au développement d’un nouveau dispositif permettant de diagnostiquer la structure d’assise. Le choix s’est porté sur l’utilisation couplée du géoradar et du Panda-endoscope pour caractériser l’état de la structure d’assise. Le géoradar de surface renseigne sur l’état du ballast et de la plateforme en continu, et le Panda-Endoscope caractérise les épaisseurs des couches en présence ainsi que la résistance de pointe (qd) des matériaux traversés.

L’essai PANDA, pénétromètre dynamique à énergie variable, est réalisé conformément à la norme XP P 94 - 105 (AFNOR – 2000b). Il consiste à enfoncer au marteau, dans le sol, un train de tiges terminé par une pointe. A chaque battage, le PANDA mesure l’énergie de frappe apportée au système et la profondeur d’enfoncement de la pointe. Ces deux paramètres permettent de calculer la résistance du sol à l’aide de la formule des Hollandais (Équation VI-1) :

e_d = ] K

%q′$K + '

Équation VI-1

Avec : qd est la résistance de pointe ; E l’énergie apportée ; M la masse frappante ; A la section de la pointe en m² ; e’ l’enfoncement ; P la masse de la tête de battage + tige + pointe. Les conditions permettant de rendre cette formule applicable sont: le sol est considéré comme ayant un comportement plastique parfait ; le frottement latéral le long de la tige est négligeable ; enfin toute l’énergie est transmise à la pointe par le dispositif de battage.

À la fin du sondage, un endoscope (caméra Ø<2 cm²) est introduit dans la cavité laissée par le PANDA. Un enregistrement du passage caméra est alors réalisé permettant de déterminer et de délimiter les types de terrain rencontrés (Figure VI.2), la nature du colmatage, une saturation du sol en eau etc. L’endoscopie permet donc d’avoir une première donnée d’entrée concernant l’épaisseur des couches.

Figure VI.2 : Exemple de sortie graphique fournie par Sol Solution

La détermination du module d’élasticité (E) peut être faite à l’aide de la résistance de pointe. Ainsi, Chua (1998) a déterminé la relation entre la résistance de pointe (qd) et le module d’élasticité (E) pour des matériaux de type gravier ou pierre concassée. Selon Chua, cette relation est donnée par l’Équation VI-2 :

] = 67,84e_d^t,..

Équation VI-2

Ces approches pour estimer le module de Young sont très empiriques. Cependant, les derniers développements réalisés par l’entreprise Sol Solution sur l’outil Panda doivent permettre d’avoir une approche plus fine du module élastique des sols traversés. Cette dernière génération d’outil appelé Panda 3 (Benz et al. 2014) est équipée de différents capteurs permettant, en plus de la résistance de pointe q d’obtenir la raideur dynamique k^p3, le module de déformation E ^p3, mais également la célérité

Pénétrogramme Géoendoscope

Seuil de qualité de plateforme

Figure VI.3 : Dispositif Panda 3® et représentation de la propagation d’onde le long du train de tige (Benz et al. 2014)

La vitesse des ondes de cisaillement est déduite de celle de compression. La célérité des ondes de compression (cp) est obtenue en analysant pour chaque impact les pics d’ondes ascendantes et descendantes dans un espace-temps X_t+ 2 f u/ , permettant de calculer la valeur de cp. La valeur des ondes de cisaillement en est déduite d’après l’Équation VI-5 où le coefficient de Poisson (ν) est pris égal à 0,33.

v₈ = v_wx$1 − 2y'/$1 + 2y'

Équation VI-3

Cette dernière valeur est intéressante, car elle permet de faire un lien direct entre les ondes de cisaillement et le module de Young (Équation VI-4 & Équation VI-5) :

2_t = 64Y₈

Équation VI-4

] = 2_t42$1 + y'

Équation VI-5

Ainsi, à l’aide de cet outil, il est possible d’obtenir les informations (E, épaisseur des couches) nécessaires pour estimer le comportement de la couche intermédiaire à l’aide du logiciel Alizé.

b. Alizé appliqué au ferroviaire

Comme on a vu précédemment, le logiciel Alizé est adapté au dimensionnement des chaussées routières principalement réalisées à l’aide de matériaux liés de type bitumineux ou cimentaire. La question qui se pose est de connaître le domaine de validité de ce logiciel pour l’utilisation ferroviaire pour laquelle la couche intermédiaire est constituée exclusivement de matériaux granulaires non traités et de constitution hétérogène.

Hypothèse de calcul

La charge modélisée dans le logiciel Alizé est l’essieu de référence français, à roue jumelée de 130 kN exerçant une pression de 0,662 MPa sur le sol (SETRA, 1994). On a considéré ici un essieu standard de train d’une masse de 22,5 t, dont la charge est reprise à 50% par la traverse centrale et 25% sur les deux traverses encadrantes. Cependant, à l’inverse des sollicitations routières où la pression de pneu s’applique directement sur la chaussée, il y a entre la roue du train et le dessus de la couche intermédiaire une succession de matériaux et matériels qui diminuent la pression appliquée à la couche intermédiaire. Ainsi, pour déterminer la pression qui s’exerce à la base du ballast il est nécessaire de connaître la nature de l’armement et l’épaisseur de ballast défini par le référentiel SNCF (1996b). Pour cela, il est nécessaire de fixer les cas d’étude à analyser. Comme l’’objectif de l’étude de cette thèse est de déterminer le « rôle de la couche intermédiaire dans le potentiel de la voie ferrée », on vise à déterminer si une couche intermédiaire peut accepter soit une augmentation de trafic, soit une augmentation de vitesse. Ces deux critères permettent de déterminer la constitution de l’armement et l’épaisseur de ballast (Tableau VI.1 & Tableau VI.2). Les critères repris sont :

- Le groupe UIC de la ligne, qui conditionne le trafic admissible de la ligne (Tableau VI.1).

La sélection s’est portée sur les groupes UIC 2 à 6. Les groupes 7 à 9 n’ont pas été intégrés à cette étude, car ils ne font pas actuellement l’objet d’une politique de régénération. Quant au groupe 1, n’étant pas présent sur le réseau, il n’est pas étudié.

Tableau VI.1 : Moyenne d’essieux journalier en fonction du groupe UIC

Groupe UIC Valeur de caractéristique

Tf2 (t/j) Essieux journalier

Groupe 1 Tf2 > 120000 8000

Groupe 2 120000≥ Tf2 > 85000 5333

Groupe 3 85000≥ Tf2 > 50000 3778

Groupe 4 50000≥ Tf2 > 28000 2222

Groupe 5 28000≥ Tf2 > 14000 1244

Groupe 6 14000≥ Tf2 > 7000 622

Groupe 7 : trains de

voyageurs et 7000≥ Tf2 > 3500 4149 (voyageurs) et 292 (fret)