Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire des voies de circulation LAVOC)

Déformations des couches bitumineuses au passage d'une charge de trafic

Perret, Jacques ; Dumont, André-Gilles (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2786.

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    Summary
    Undertaken in the field of design methods for flexible pavement, the present study focuses on the introduction of traffic loads, applied mainly to mechanistic empirical methods. In such research, strains due to traffic loads — calculated by pavement modeling based on linear elastic theory — are used for the evaluation of the life duration of the pavement. Real traffic loads on pavement vary significantly according to their intensity as well as their application modes. Our work aims to evaluate the relevance of the simplifying assumptions used in modeling to determine which parameters used in the description of traffic loads have more influence on the strains in flexible pavements. The study is chiefly based on experimental data. Strain measurements were made on several road structures, varying the main parameters of traffic loads, i.e. load intensity, inflation pressure of the tires and type of wheels. These measurements were carried out at various temperatures. Two structures featuring contrasted rigidities were modeled according to the French design method for flexible pavement. The horizontal strains exerted on these structures were studied at two depths : the bottom of the base course and the bottom of the wearing course. Then, experimental data were systematically compared with the modeling results. Strains at the bottom of the base course were both analyzed related to their maximal value — which corresponds to one of the design criteria used in mechanistic empirical methods — and as signals corresponding to the strain recordings in one given point during the passage of a traffic load. Analysis of maximal values allowed an evaluation of the influence of the studied load parameters and lead on to solutions to include them in calculations for equivalent traffic. The study of strain signals resulted in the definition of values allowing to express strain variations in function of time. The said values apply principally to notions like strain rates and the definition of frequencies that will best model strain variation in time with a sinusoidal curve. Such frequencies are obtained by decompositions in Fourier series. A relation between load speed and frequency has been defined. At the bottom of the wearing course, the study focused on strain signals only, with strange variations — which have been called "irregularities" — appearing in the horizontal strains at low depth. The scrutiny of these irregularities showed that bituminous materials located near to the road surface of flexible pavements are paradoxically more stressed horizontally than vertically. A situation that tends to link the behavior of bituminous layers in flexible pavements to the performance of a slam structure. Analysis of strain signals was supplemented by linear viscoelastic modeling based on Huet's model. If introducing the viscoelastic behavior of the bituminous layers showed no notable improvement in the quality of modeling, it nevertheless highlighted the necessity to model the pavement structure as a whole. Stress analysis underlined the effects of interactions between layers following different patterns of behavior and the importance of the interface conditions between these layers. Finally, the influence of the real vertical load pressure distribution on stress and strain in bituminous layers has been evaluated with elastic modeling. Variation of the loading conditions showed little effects on stress and strain distribution in the bituminous layers.
    Résumé
    Cette étude se situe dans le contexte des méthodes de dimensionnement des chaussées routières souples. Elle se concentre sur la problématique de la prise en compte des charges de trafic, particulièrement pour les méthodes mécaniques empiriques. Dans ces dernières, les déformations dues aux charges de trafic, déterminées sur la base de modélisations élastiques linéaires des chaussées, servent à l'estimation de la durée de vie de la chaussée. Les charges de trafic réelles des chaussées sont très diversifiées, tant au niveau de leur intensité que de leur mode d'application. Le présent travail vise à évaluer la pertinence des hypothèses simplificatrices utilisées par les modélisations et à déterminer quels sont les paramètres des charges de trafic qui ont le plus d'influence sur les déformations dans les chaussées souples. L'étude s'appuie sur un grand nombre de données expérimentales. Des mesures de déformations ont été effectuées dans plusieurs structures routières en faisant varier les paramètres principaux des charges de trafic que sont l'intensité de la charge, la pression de gonflage des pneus et le type de roues. Ces mesures ont par ailleurs été effectuées à différentes températures. Deux structures, présentant des rigidités contrastées, ont été modélisées selon la méthode française de dimensionnement des chaussées souples. Les déformations horizontales de ces structures ont été étudiées à deux profondeurs : au bas de la couche de base et au bas de la couche de roulement. Les résultats expérimentaux ont été systématiquement comparés avec ceux des modélisations. Les déformations au bas de la couche de base ont été analysées en terme d'amplitude maximale, ce qui correspond à un des critères de dimensionnement des méthodes mécaniques empiriques, et en terme de signaux obtenus par enregistrement des déformations en un point donné durant le passage d'une charge de trafic. L'analyse des amplitudes maximales a permis d'évaluer l'influence des paramètres de charge étudiés. Il en résulte des propositions pour en tenir compte dans le calcul du trafic équivalent. L'étude des signaux de déformations a conduit à la définition de grandeurs permettant de caractériser l'évolution des déformations dans le temps. Parmi ces grandeurs, il s'agit principalement des notions de vitesse de déformation et de définition de fréquences permettant de reproduire au mieux l'évolution des déformations avec des courbes sinusoïdales. Ces fréquences sont obtenues à partir de décomposition des signaux en séries de Fourier. Une relation entre la vitesse de la charge et cette fréquence a été définie. Au bas de la couche de roulement, l'étude n'a porté que sur des signaux de déformations. Des variations surprenantes des déformations horizontales à faible profondeur, qui ont été désignées par le terme « irrégularités », ont été mises en évidence. L'explication des ces « irrégularités » a souligné que les matériaux bitumineux situés à proximité de la surface des chaussées souples sont paradoxalement sollicités plus fortement horizontalement que verticalement. Cette situation tend à rapprocher le comportement des couches bitumineuses des chaussées souples de celui des dalles. L'analyse des signaux de déformations horizontales a été complétée par des modélisations viscoélastiques linéaires basées sur le modèle de Huet. Si l'introduction du comportement viscoélastique des couches bitumineuse n'a pas permis de constater une amélioration sensible de la qualité des modélisations, il a en revanche été mis en évidence l'importance de considérer la structure routière dans son ensemble lors de modélisation. Des analyses des contraintes ont souligné l'effet des interactions existant entre des couches ayant des comportements différenciés et l'importance des conditions imposées aux interfaces de ces couches. Pour finir, l'influence de la répartition réelle des pressions de chargement sur les contraintes et les déformations dans les couches bitumineuse a été évaluée à partir de modélisations élastiques. La variation des conditions d'application de la charge s'est révélée peu déterminante pour le calcul des déformations et des contraintes dans les couches bitumineuses.