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INFRA 2005 [Proceedings], pp. 1-9, 2005-11-01
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Évaluation de quelques variantes de conception d'une chaussée construite sur une fondation de faible capacité portante
http://irc.nrc-cnrc.gc.ca
N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l C a n a d a
Évaluation de quelques
variantes de conception d’une
chaussée construite sur une
fondation de faible ca pacité
portante
N R C C - 4 6 7 8 1
Z e g h a l , M . ; A l i , O . ; E l H u s s e i n H .
M o h a m e d
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ÉVALUATION DE QUELQUES VARIANTES DE CONCEPTION D
'
UNE CHAUSSÉE CONSTRUITE SUR UNE FONDATION DE FAIBLE CAPACITÉ PORTANTEMorched Zeghal Agent de recherche
Institut de recherche en construction Conseil national de recherches Canada
Osman Ali Étudiant
Université de Carleton, Canada ElHussein H. Mohamed Agent de recherche senior Institut de recherche en construction Conseil national de recherches Canada
INFRA 2005
Du 21 au 23 novembre 2005 Montréal, Québec
ÉVALUATION DE QUELQUES VARIANTES DE CONCEPTION D
'
UNE ROUTE CONSTRUITE SUR UNE FONDATION DE FAIBLE CAPACITÉ PORTANTEUn nouveau guide sera bientôt disponible pour la conception et l'analyse des chaussées. Ce guide pourrait être adopté par les juridictions canadiennes dans un futur prochain. Plusieurs initiatives ont été lancés pour évaluer la validité du nouveau guide pour les conditions climatiques et le trafic du Canada. Cette communication présente une évaluation de quelques variantes de conception incorporées dans ce guide. Pour cette étude, on a considéré le cas d’une route construite sur un sol de fondation de faible capacité portante (module résilient faible). Les variantes étudiées comprennent des solutions structurales (changement des épaisseurs de couches de la route) et des solutions faisant intervenir la substitution des matériaux et l’amélioration de la qualité de la construction. La synthèse des résultats des différentes variantes (issues du nouveau guide de conception) a démontré que les solutions structurales ne permettent pas de minimiser l’orniérage pour satisfaire la limite prescrite. Cependant, le choix d'un matériau plus rigide et l’instauration d’une meilleure qualité de construction (pourcentage des vides plus petit) présentent des solutions viables pour le concepteur.
1.0 INTRODUCTION
Des lacunes dans les connaissances de base ont retardé le développement de modèles analytiques efficaces pour la conception et l'analyse des chaussées. L'absence de principes solides de mécanique lors du développement des modèles a dicté le recours à des procédures empiriques. Ces procédures empiriques de conception ont été basées sur quelques indices et, au mieux, sur des propriétés physiques pour définir le comportement des différents matériaux employés dans les différentes couches d'une chaussée. Cette approche a été appliquée par exemple au béton bitumineux. Pour ce matériau, les tentatives se sont concentrées sur l'emploi de la conception de mélange bitumineux pour produire un matériau d'une résistance proportionnée aux formes connues de déformations, principalement l'orniérage. Le processus se fait en isolation complète de la conception structurale, qui est censé considérer le comportement caractéristique du matériau. Les tentatives entreprises pour surmonter les limites des méthodes courantes ont mené au développement d'un nouveau guide de conception où les matériaux sont définis par des modèles mécanistes empiriques.
2.0 LE NOUVEAU GUIDE MÉCANISTE EMPIRIQUE
Le nouveau guide proposé est mécaniste empirique. Il préconise l'utilisation de certaines propriétés mécaniques telles que le module dynamique pour le béton bitumineux et le module résilient pour les matériaux non liés, qui incluent les matériaux granulaires et les sols argileux. Le guide fournit trois niveaux d'entrée selon l'importance du projet, les ressources disponibles pour le concepteur et la disponibilité des intrants au moment de la conception.
Niveau 1 : on obtient les données spécifiques des matériaux par des essais ou des mesures directes. Ce niveau d'entrée emploie les dernières techniques de caractérisation des matériaux telles que le module dynamique pour le béton bitumineux et la caractérisation du trafic par la collecte des données dans les stations de pesage routier dynamique.
Niveau 2 : on établit des corrélations pour déterminer les entrées exigées. Par exemple, on estime le module dynamique à partir des résultats des essais réalisés sur les bitumes, la granulométrie et les propriétés du béton bitumineux.
Niveau 3 : on choisit les entrées parmi des valeurs nationales ou régionales.
Dans cette communication, on considère plusieurs variantes de dimensionnement pour examiner les capacités du guide de conception. Le problème étudié est celui d'une chaussée construite sur une fondation de faible capacité portante. La communication présente les différentes méthodes offertes par le guide pour aider le concepteur à dimensionner correctement une chaussée. On y montre l’exemple d'une chaussée modifiée plusieurs fois afin d'améliorer son dimensionnement pour satisfaire les limites prescrites de déformation.
3.0 STRUCTURE INITIALE : ROUTE CONSTRUITE SUR UNE FONDATION DE FAIBLE CAPACITÉ PORTANTE
Lors de la conception initiale, on a considéré une chaussée urbaine avec un trafic moyen (débit journalier moyen de 1000 poids lourds) ayant une vitesse de 40 km/h et située dans une région relativement chaude ayant une température annuelle moyenne de 19,5°C. La figure 1 montre la structure de référence.
Couche de roulement : 100 mm (4") de béton bitumineux de type HL3 – PG 58-22
Figure 1. Structure de la chaussée de référence
La limite de conception pour l'orniérage total a été fixée à 25,4 mm (1") et celle du béton bitumineux à 8,25 mm (0,33"). Un niveau de fiabilité de 90 % a été choisi pour ce dimensionnement. L'analyse du comportement de la structure de référence initiale a indiqué qu'il y aurait un orniérage excessif (figure 2) dans la route dépassant la limite prescrite. Les couches de fondation et de béton bitumineux connaîtraient les plus grandes déformations, l'orniérage de la couche de béton bitumineux dépassant la limite de conception. Bien que peu sollicitée, la fondation s'est déformée plus que la base granulaire. En conséquence, la conception initiale a dû être modifiée pour satisfaire la limite de dimensionnement comme discuté dans les paragraphes suivants.
Figure 2. Prédiction de l’orniérage dans la chaussée de référence
4.0 1ère VARIANTE DE CONCEPTION : ACCROISSEMENT DE L'ÉPAISSEUR DE LA COUCHE DE ROULEMENT
Cette variante consiste à changer l'épaisseur de la couche de roulement. On a étudié la capacité de cinq épaisseurs de béton bitumineux à réduire les efforts induits par le trafic et les contraintes transmises à la fondation, limitant ainsi l'orniérage total dans la chaussée. L'épaisseur du béton bitumineux est passée de 100 mm (4") à 150 mm (6"), ensuite à 200 mm (8"), et à 250 mm (10"), tout en gardant l'épaisseur de la couche de base à 250 mm (10"). La figure 3 montre l'effet
Couche de base : 250 mm (10") de matériaux granulaires de type A-3 (MR = 168000 kN/m2)
Couche de fondation : Argile de type A-7-6 (MR= 35000 kN/m2)
5 15 25 35 45 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264
Age de la route (mois)
O rnié rag e (mm ) Béton bitumineux Fondation Base Orniérage total (50% fiabilité) Limite de dimensionnement pour l’orniérage total
de l'augmentation de l'épaisseur du béton bitumineux ainsi bien sur l'orniérage total que sur la contribution de différentes couches de la chaussée.
Tableau 1. Prédictions d'orniérage pour différentes épaisseurs de la couche du béton bitumineux Épaisseur de béton bitumineux (mm) Orniérage total (mm) Orniérage de la couche de roulement (mm) Orniérage de la couche de base (mm) Orniérage de la fondation (mm) Décroissement de l'orniérage total (%) 100 35 21 3 11 Référence 150 32 20 3 10 9 200 28 18 2 8 20 250 25 16 2 7 29 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 300
Epaisseur du béton bitumineux (mm)
Orniérage (mm) Béton bitumineux Orniérage total Base Fondation BB: PG58-22 Base: 250 (mm) Mr = 168000 KN/m2 Fondation: Mr = 35000 KN/m2
L'augmentation de l'épaisseur de la couche de béton bitumineux réduit l'orniérage total dans la structure de la chaussée. Le résultat est bien conforme aux attentes théoriques et expérimentales (planches d'essai). En effet, l'augmentation de l'épaisseur de la couche de béton bitumineux augmente la rigidité de la couche d'asphalte et celle de la structure globale. Par conséquent, les efforts et les contraintes transmises aux couches inférieures diminuent. L'orniérage de la couche de fondation a ainsi diminué de 37 % quand l'épaisseur du béton bitumineux a été augmentée de 100 mm (4") à 250 mm (10"). De même, l'orniérage dans la couche de béton bitumineux a diminué de 24 % ayant pour résultat une baisse de 29 % dans l'orniérage total. Aucun changement n'a été observé dans l'orniérage de la couche de base. Aucunes de ces options de conception (basées sur le changement d'épaisseur de couche de roulement) évaluées n'ont satisfait à la limite de conception de 25,4 mm (1") d'orniérage.
5.0 2ème VARIANTE DE CONCEPTION : CHANGEMENT DE L'ÉPAISSEUR DE LA COUCHE DE BASE
Dans cette variante, l'effet de l'épaisseur de la couche de base sur la déformation totale de la structure et des différentes couches a été étudié. L'épaisseur de la couche de base a été augmentée de 250 mm (10") à 300 mm (12"), à 350 mm (14"), à 400 mm (16"), et à 450 mm (18") tout en maintenant l'épaisseur de la couche de béton bitumineux constante à 100 mm (4"). Les résultats du tableau 2 et de la figure 4 montrent que L'augmentation de l'épaisseur de la couche de base n'a aucun effet sur l'orniérage de la couche de roulement. Cependant, l'augmentation de la couche de base a légèrement diminué les déformations permanentes de la couche de fondation, probablement en raison d'une baisse dans la contrainte compressive verticale. Aucune des options basées sur le changement de l'épaisseur de la couche de base n'a satisfait à la limite de conception impliquant une tolérance maximum de 25,4 mm (1") d'orniérage.
Tableau 2. Prédictions d'orniérage pour différentes épaisseurs de la couche de base Épaisseur de la couche de base (mm) Orniérage total (mm) Orniérage de la couche de roulement (mm) Orniérage de la couche de base (mm) Orniérage de la couche de fondation (mm) Changement de l'orniérage total (%) 200 32 20 2 10 0.0 250 32 20 3 9 Référence 300 33 21 3 9 + 3 350 32 21 3 8 0.0 400 33 21 4 8 + 3 450 32 21 4 7 0.0
Figure 4. Effet de l'épaisseur de la couche de base sur l'orniérage
En résumé, les prévisions du guide indiquent que ni l'augmentation de l'épaisseur du béton bitumineux ni de celle de la couche de base ne satisfont aux critères de conception (Orniérage total maximum de 25,4 mm ; 1,0"). En conséquence, un certain nombre d'autres options ont été analysées (tableau 3).
6.0 3ème VARIANTE DE CONCEPTION : AUGMENTATION DE L'ÉPAISSEUR DES COUCHES DE ROULEMENT ET DE BASE
Dans cette variante, l'épaisseur de béton bitumineux a été augmente à 250 mm (10") et celle de la couche de base à 450 mm (18") (figure 5). Les résultats ont toutefois démontré que l'orniérage restait toujours au-dessus de la limite de conception.
Figure 5. Structure de la troisième variante de conception
Couche de base : 450 mm (18") de matériaux granulaires type A-3 (MR = 168000 kN/m2)
Couche de fondation : Argile de type A-7-6 (MR= 35000 kN/m2)
Couche de roulement : 250 mm (10") de béton bitumineux de type HL3 – PG 58-22 0
5 10
0 100 200 300 400 500
Epaisseur de la couche de base (mm) 15 20 25 30 35 Orniérage (mm) BB: 100 mm HL3 PG58-22 Base: variable. Mr =168000 KN/m2 Fondation: Mr = 35000 KN/m2 Béton bitumineux Orniérage total Base Fondation
Tableau 3. Prédictions de la troisième, quatrième et cinquième variantes de conception Numéro de la variante de conception Épaisseur de la couche bitumineuse (mm) Épaisseur de la couche de base (mm) Orniérage total avec 90 % de fiabilité (mm) 3 250 450 30 4 250 450 21 5 300 450 14
7.0 4ème VARIANTE DE CONCEPTION : AUGMENTATION DE L'ÉPAISSEUR DE LA COUCHE DE ROULEMENT ET DE LA COUCHE DE BASE AINSI QUE DE LA RAIDEUR DE LA COUCHE DE ROULEMENT
Dans cette variante, on a maintenu la couche de roulement et la couche de base telle qu'adoptées dans la variante précédente et un béton bitumineux plus raide a été utilisé dans la couche de roulement. L'augmentation de la raideur a été réalisée en passant d'un bitume PG 58-22 à un bitume PG 70-22 a été incorporé dans le mélange pour remplacer le bitume 58-22. La structure a connu une déformation totale de 21 mm (0,82"), ce qui satisfait à la limite de conception à l'orniérage.
Couche de roulement : 250 mm (10") de béton bitumineux de type HL3 – PG 70-22
Figure 6. Structure de la quatrième variante
8.0 5ème VARIANTE DE CONCEPTION : ADDITION D'UNE COUCHE STABILISÉE Cette combinaison a été choisie conformément à la pratique dans plusieurs juridictions. Une couche stabilisée (béton bitumineux avec un faible pourcentage de bitume de 4 % et d'agrégats de grandeur nominale maximale plus grande) a été utilisée sous la couche de surface. Un mélange typique dans des caractéristiques de MTO, indiquées comme HL8, a été considéré dans cette étude. La profondeur de la couche de surface était 150 mm (6") avec une couche HL8 de 8150 mm (6"), préparée en utilisant un bitume PG 58-22 (figure 7). La couche de base était fixée de 350 mm (14"). Le tableau 3 et la figure 8 montrent les résultats de cette variante. Ils indiquent que cette combinaison est supérieure à toutes les autres évaluées. Les déformations sont moins importantes dans toutes les couches de la chaussée.
Couche de base : 350 mm (14") de matériaux granulaires de type A-3 (MR = 168000 kN/m2)
Couche de base : 350 mm (14") de matériaux granulaires de type A-3 (MR = 168000 kN/m2)
Couche de fondation : Argile de type A-7-6 (MR= 35000 kN/m2)
Couche de base stabilisée : 150 mm (6") de béton bitumineux de type HL3 – PG 58-22 Couche de roulement : 150 mm (6") de béton bitumineux de type HL3 – PG 70-22
Figure 7. Structure de la cinquième variante de conception
0 5 10 15 20 25 35
Age de la route (mois)
O rn iér ag e ( m m ) Base Béton bitumineux Fondation Orniérage total Limite de dimensionnement 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264
Figure 8. La variante qui satisfait aux limites de dimensionnement 9.0 CONCLUSION
L'analyse de cinq variantes de dimensionnement d'une chaussée construite sur une fondation de faible capacité portante a démontré les possibilités offertes par le nouveau guide de conception. Le nouveau guide permet d’évaluer différentes solutions de conception ce qui n’est offert par aucune des approches de conception courantes. Le concepteur peut choisir entre plusieurs solutions en se basant même sur la rentabilité de ces solutions.
