LCPC - Moyens remarquables - Manège de fatigue des structures de chaussées

Téléchargez la présentation en deux pages du manège de fatigue des structures de chaussées (mise à jour : septembre 2007)

Manège de fatigue des structures de chaussées

L’observation des mécanismes de dégradation des chaussées par le trafic est essentielle pour mieux les concevoir et mieux les dimensionner, et pour améliorer leurs techniques de construction et d’entretien. Les chaussées sont normalement conçues pour de longues durées de service (20 à 30 années sur le réseau routier national). Les progrès en matière de matériaux et structures de chaussées se trouvent ainsi freinés par les longs délais nécessaires aux retours d’expérience et aux bilans des techniques effectués sur chaussées réelles.

Ce constat conduit la Direction des Routes à s’équiper du manège de fatigue des structures de chaussées, qui sera mis en service en 1984 sur le site du LCPC à Nantes. Sa motorisation puissante lui permet de fonctionner en régime quasi-continu, en entrainant ses charges roulantes reproduisant les essieux poids lourds, à des vitesses pouvant atteindre 100 km/h. Ainsi le manège applique aux chaussées expérimentales testées, en quelques semaines, les charges lourdes supportées par une chaussée réelle à fort trafic pendant toute sa durée de vie. C’est tout l’intérêt des essais de chaussées sous trafic accéléré : s’affranchir des longues périodes nécessaires à l’observation des mécanismes de dégradations et de ruine des chaussées réelles.

Les expériences sur le manège concernent les matériaux et les structures de chaussées, ainsi que les couches de roulement. Des techniques usuelles ou innovantes sont testées, et l’on s’intéresse autant aux travaux neufs qu’aux techniques d’entretien et de renforcement. Les chaussées sont instrumentées afin de suivre l’évolution avec le trafic des paramètres de comportement : déplacements réversibles et permanents, sollicitations internes créées par le passage des charges, et également températures, teneurs en eau, ? Outre l’endommagement structurel et l’orniérage, sont également acquises des données sur l’évolution des caractéristiques de surface (uni, adhérence ?), ou encore sur l’usure des pneumatiques. Le manège de fatigue sert enfin à la mise au point et à la calibration de matériels d’évaluation et d’auscultation des chaussées, utilisés par les gestionnaires afin de suivre l’évolution de l’état de leur réseau.

Associées aux essais de laboratoire, les expériences Manège contribuent à une meilleure connaissance du comportement des matériaux et structures de chaussée, au développement et à la validation des modèles théoriques, au calage des méthodes de dimensionnement et de renforcement des chaussées. Le manège sert ainsi au calage des paramètres de dimensionnement des grandes familles de structures constituant le Catalogue des Chaussées neuves de la Direction des Routes. Dans le cadre de partenariats privés, il permet de mette au point et de valider les produits et les techniques de construction développés par les entreprises et les industriels de la route. Il est également utilisé dans le cadre de programmes de recherche internationaux, dont les projets de recherche de la commission européenne.

Trois anneaux sont disponibles pour la réalisation des expériences. La motorisation électro-hydraulique centrale et les quatre bras pouvant être déplacés d’un site à l’autre en moins d’une semaine. Récemment l’un des anneaux a été équipé d’un cuvelage étanche permettant le contrôle complet de l’état hydrique du massif support des chaussées, afin de reproduire les mouvements de nappe phréatique dans les chaussées réelles.

Unité responsable de l’exploitation :
Division Matériaux et Structures de Chaussées - MSC, Section Manège de fatigue des structures routières.

Secteur d’activité :
 - Routes

Contacts :
 - Division Structures et Matériaux pour les Infrastructures de Transport (SMIT)

Un exemple d’application marquant :

Comportement en fatigue des chaussées souples en fonction de l’état hydrique de l’assise

Cette expérience réalisée en 2003-2005 pour le compte de la Direction Générale des Routes a été effectuée sur l’anneau C équipé de son cuvelage. L’essai visait à améliorer la prise en compte de l’état hydrique du sol support et de ses fluctuations dans le dimensionnement des chaussées flexibles. Le cuvelage a permis de faire varier le niveau de la nappe, et donc la portance du sol support des structures de chaussée, entre les différentes phases d’essai.

Principaux enseignements de cette expérimentation :

Le cuvelage avant son remblaiement
Notez les dimensions (échelle donnée par l’individu)

• Les essais menés en situation de nappe basse puis de nappe haute reproduisent correctement l’orniérage, principal mode d’endommagement observé sur les structures flexibles. Cet orniérage s’accompagne, au delà d’un certain trafic et lorsque la profondeur d’ornière excède environ 15 mm, d’une fissuration très fine de la surface des revêtements, non préjudiciable au maintien de l’intégrité des couches de roulement.
• Les résultats expérimentaux viennent globalement valider les dimensionnements des structures flexibles testées, découlant de la méthode rationnelle SETRA-LCPC. En revanche, les observations réalisées lors du démontage des structures montrent que les déformations permanentes de la grave non traitée contribuent significativement à cet orniérage. Ce mécanisme n’est pas considéré explicitement par la méthode de dimensionnement SETRA-LCPC, qui attribue l’orniérage aux seules déformations du massif support.
• Les résultats justifient les travaux menés ces dernières années au LCPC pour une meilleure connaissance du comportement sous charges cycliques des graves non traitées, des sols, et plus largement des matériaux alternatifs non traités utilisés en sous-couches. Ces travaux font l’objet du développement d’algorithmes numériques permettant de reproduire avec plus de réalisme les mécanismes d’orniérage des chaussées souples. Les simulations de l’expérience DGR sur le manège à l’aide des modèles César-Lcpc ? modules CVCR et ORNI apportent des éléments encourageants de validation de ces modèles évolués de dimensionnement, non encore opérationnels à ce jour (cf. projet européen SAMARIS).

Le cuvelage permet de faire varier la portance du sol support des structures de chaussée entre les différentes phases d’essai, y compris entre celles-ci et la phase de construction.

Caractéristiques techniques du manège

Le Manège : Le manège est formé d’une tourelle centrale équipée d’une motorisation électro-hydraulique de 1000 Cv, et de quatre bras. A l’extrémité de ces bras peuvent être fixées des charges roulantes similaires à celles des poids lourds courants : roues simples ou jumelées sur essieu simple ou essieux tandem, et roues simples sur essieux tridem. Grâce à la grande longueur des bras, 20 m, la vitesse de déplacement des charges peut atteindre 100 km/h. Un système original de suspension à faible raideur permet de contrôler les charges appliquées aux chaussées expérimentales pendant toute la durée des expériences. Elles peuvent être réglées entre 45 kN sur une roue simple, et 135 kN sur un essieu tridem à roues simples ou un essieu tandem à roues jumelées. En cours de rotations, les charges roulantes peuvent être assujetties à des déplacements radiaux reproduisant le balayage transversal des roues des poids lourds du trafic réel. Ces performances vitesses-chargements sont exceptionnelles, elles placent le manège du LCPC dans le groupe de tête des accélérateurs-simulateurs de trafic lourd au plan mondial.

Les pistes : Le site dispose de trois anneaux de longueur 122 mètres au rayon moyen de 19,5 m, et de largeur 6 mètres. Il est possible de brocher les trains de roulement à des rayons de rotation différents selon le bras (par exemple pour comparer simultanément l’agressivité de différentes configurations de chargement). Le troisième anneau est doté d’un cuvelage étanche en béton de trois mètres de profondeur et de 10,40 m de large. Cet aménagement permet de contrôler le niveau de la nappe dans le sol support des chaussées expérimentales, en le faisant éventuellement varier en cours d’expérience pour reproduire les cycles hydriques saisonniers. La construction des chaussées testées est confiée à des entreprises routières. Elle s’effectue donc avec les matériels courants de construction (centrales de fabrication, matériels de répandage et de compactage, ?).

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Autres simulateurs de trafic lourd du LCPC  Le LCPC dispose également de deux petits simulateurs de trafic lourd, les Machines Fabac. Elles sont utilisées en complément du manège de fatigue pour la réalisation de recherches amont sur l’endommagement des matériaux et des structures de chaussées.  Téléchargez la présentation des machines FABAC (mise à jour : septembre 2007)

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Un autre exemple d’application marquant :

Orniérage de couches de roulement à base de liants spéciaux,
avec comparaison des effets des roues simples et des tridem.

Cette étude menée en 1998 par l’Association des Sociétés Françaises d’Autoroutes (AFSA) et le LCPC visait à comparer l’agressivité vis à vis de l’orniérage de deux configurations d’essieux : l’essieu à roues simples et l’essieu monté en tridem. L’expérience est réalisée sur quatre couches de roulement : un béton bitumineux témoin et trois bétons bitumineux à base de liants à faible susceptibilité thermique, proposés par les compagnies pétrolières. Principales conclusions de l’étude :

• L’efficacité des liants spéciaux à faible susceptibilité thermique, permettant de diminuer l’orniérage de la couche de roulement ;
• bonne reproduction du comportement observé en vraie grandeur, par l’essai d’orniérage en laboratoire à l’aide de l’orniéreur LPC ;
• mise en évidence du rôle secondaire joué par le temps de repos séparant les chargements, vis à vis de l’orniérage des couches de surface.

Année de mise en service du manège de fatigue : 1984

Principaux domaines d’application :

• Tests de fatigue et d’orniérage des chaussées
• Validation de modèles de comportement et de dimensionnement des chaussées, de méthodes et de spécifications des matériels
• Expérimentation et validation des matériaux et de structures innovantes pour chaussées
• Etude de l’agressivité des charges poids lourds
• Etude de l’évolution avec le trafic des propriétés d’usage, de l’usure des pneumatiques...
• Comportement sous trafic lourd d’équipements spécifiques de voirie (par exemple, trappes et regards techniques, tranchées gaz, matériels de voie Tramway, ?)

Principaux partenariats :

Direction Générale des Routes
ASFA (association des Sociétés Françaises d’Autoroutes)
Entreprises de constructions routières
Compagnies pétrolières
Projets Européens (OCDE, PCRD, .)
Fabricants de matériels roulants de transport en commun urbain
Fabricants d’équipements lourds de chaussées urbaines (trappes et regards, ?)

Pour en savoir plus  : Jean-Maurice Balay