Résumé. Mots-clés: Déflectomètre portable contrainte uniformité coefficients de correction. Abstract

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1 E T U D E S U R L E S F A C T E U R S I N F L U E N Ç A N T L A Q U A L I T E E T L A R E P R E S E N T A T I V I T E D E S E S S A I S A U D E F L E C T O M E T R E P O R T A B L E Société d accueil : Chaire de recherche i3c - Université LAVAL, QC PFE présenté par : Dejean Alexis Tuteur industriel : Guy Doré Enseignant superviseur : Pierre Regenass Résumé Ce rapport de Projet de Fin d Etudes propose d étudier les facteurs influençant la qualité et la représentativité des essais au déflectomètre portable. Ainsi, le rapport est constitué principalement de 3 chapitres visant à aborder différents aspects de l utilisation d un déflectomètre portable. Tout d abord, la première partie consiste à réaliser un état des lieux des connaissances actuelles sur les déflectomètres portables et concernant plus particulièrement le principe, le fonctionnement et les résultats obtenus lors d études antérieures. Puis, la seconde partie se penche plus particulièrement sur l étude de l uniformité des répartitions de contraintes au niveau de l interface plaque / sol, par le biais d une modélisation d essais au LWD sur le logiciel Géostudio qui utilise la théorie des éléments finis. Enfin, la dernière partie correspond à la description des essais réalisés en laboratoire dans le but d étayer les résultats obtenus par les modélisations. L analyse et l interprétation des résultats modélisés et expérimentaux ont notamment permis de mettre en évidence des comportements antagonistes suivant l utilisation d une plaque de chargement de 300mm de diamètre ou de 100mm de diamètre. Mots-clés: Déflectomètre portable contrainte uniformité coefficients de correction Abstract This report aims to study factors influencing the quality and the representativeness of the tests achieved with a Light Weight Deflectometer (LWD). Thus, this report is mainly structured around 3 sections targeting to address different aspects of the use of a LWD. In introduction, the first part deal with the current knowledge concerning portable deflectometers and more particularly the principle, operation and results obtained in previous studies. Then the second part focuses specifically on the studyof the uniformity of distributions of stresses at the interface plate / ground, in computing a modeling of LWD testing on Géostudio. This software uses the theory of finite elements. The last part describes the laboratory testing in order to support the results pointed by the modeling. The analysis and interpretation of experimental and modeled results have enabled to show antagonistic behaviors depending on the use of a loading plate of 300mm diameter or 100mm diameter. Keywords: Light weight deflectometer stress uniformity coefficient of correction

2 Introduction Le module réversible d une chaussée est un paramètre éminemment important dans la conception des chaussées. Il est largement accepté comme étant la meilleure mesure des propriétés mécaniques des sols et matériaux routiers. Parmi les méthodes de détermination du module réversible d un matériau, les essais utilisant au déflectomètre portable sont de plus en plus utilisés. Cependant, leur développement récent (fin des années 1990) a amené les utilisateurs à baser l interprétation des résultats sur des hypothèses, fautes d études concernant certains aspects du déflectomètre portable. Le but de ce rapport est de se pencher sur la répartition de contraintes sous la plaque de chargement du déflectomètre portable, souvent considérée comme uniforme, hypothèse que nous allons remettre en cause. Chapitre 1 : Revue littéraire Ce chapitre a pour but de réaliser un état des lieux des connaissances actuelles sur les déflectomètres portables et concernant plus particulièrement le principe, le fonctionnement et les résultats obtenus lors d études antérieures. I. Description du déflectomètre portable et Principe Le déflectomètre portable (nommé LWD par la suite pour Light Weight Deflectometer) a été développé pour la première fois en 1998 par le ministère des Transports du Minnesota. Il s agit d une version à échelle réduite du déflectomètre à masse tombante (considéré comme étant la référence des appareils à charge dynamique et développé depuis les années 1970, nommé FWD par la suite pour Falling Weight Deflectometer), jugé trop couteux et trop sophistiqué lors d essais sur des couches de forme ou de fondation de chaussée. Le principe du LWD est qu une masse tombante vient impacter la plaque de chargement par l intermédiaire de tampons en caoutchouc. L impact entraîne une réponse de la chaussée sous forme de déformation et un capteur de déplacement situé sous la plaque de chargement vient mesurer la déflexion de la chaussée. Les résultats sont transmis à un ordinateur portable, sont traités et permettent ainsi de connaitre le module réversible du matériau testé, via un modèle de calcul mécaniste-empirique. II. Etudes réalisées sur le déflectomètre et corrélation Cette partie détaille les différentes études menées sur les corrélations entre d une part, le LWD et le FWD et d autre part, entre le LWD et les autres deflectomètres portables. Ainsi, on apprend tout d abord que les résultats obtenus par LWD et FWD présentent une bonne corrélation bien qu il existe des divergences entre les différentes études. Des études concernant les corrélations entre LWD et les autres deflectomètres portables, notamment le TFT (pour Transport Foundation Tester) développé en Grande-Bretagne et le GDP (pour German Dynamic Plate) développé en Allemagne, permettent de comparer les différentes caractéristiques, avantages et points faibles de chacun de ces dispositifs. Il apparaît finalement par exemple que le LWD est le dispositif le plus polyvalent et le mieux adapté pour la mise en place d un essai en laboratoire, les avantages clés étant : la capacité d ajuster le chargement appliqué, la capacité à changer le diamètre de la plaque de chargement, la capacité à changer l emplacement du transducteur et la capacité à utiliser le LWD dans les endroits confinés et difficiles d accès III. Les facteurs influençant les essais au LWD et les limites de son utilisation Cette partie détaille les différents facteurs influençant les essais au LWD, en commençant par les facteurs liés au matériau et à l environnement. Une étude menée par un chercheur danois (Ullidtz 1998) a également mis en exergue le fait que la répartition de contrainte n était pas uniforme sous une plaque de chargement. Ainsi, le type de répartition de contrainte dépend du matériau sur lequel la charge est appliquée : une répartition PFE soutenu en Juin 2011 DEJEAN Alexis 2/5 Laissez cette zone (pied de page, à droite) vide.

3 concave (contraintes importantes en bordure de plaque et faibles au centre) pour les sols à faible module réversible ou une répartition convexe (contraintes faibles en bordure de plaque et importantes au centre) pour les sols à module réversible élevé. Des facteurs de correction sont introduits dans la relation permettant de déterminer le module réversible en fonction de la déflexion mesurée par le LWD, et dont la valeur varie selon le type de répartition de contrainte. Les chapitres 2 et 3 de ce présent rapport vont se focaliser sur cette thématique d uniformité de la contrainte sous la plaque et des facteurs de correction à appliquer. Concave Faible module Convexe Module élevé Des études ont par ailleurs permis d observer l influence des caractéristiques liées au dispositif, telles que l énergie de chute, le diamètre de plaque de chargement, la rigidité du tampon en caoutchouc Ainsi, les études ont montré par exemple que de manière générale, augmenter l énergie de chute peut augmenter la fiabilité du LWD du fait de la plus large zone de sol affectée par les contraintes. Les études mentionnées précédemment ont alors conclu quant à la configuration la plus précise d un LWD : il s agit d utiliser un tampon en caoutchouc de faible rigidité et une plaque relativement légère (suffisamment lourde pour tout de même assurer la stabilité de l appareil lors de l impact). La plus faible inertie et les effets dynamiques transmis au sol sont alors considérés comme une meilleure simulation du passage d un véhicule ainsi qu une meilleure approximation d un chargement statique. La dernière partie de ce chapitre concerne les limites théoriques de l utilisation d un LWD. En effet, lors de l interprétation de la déflexion mesurée par le capteur de déplacement du LWD, deux hypothèses sont assumées, hypothèses pouvant être largement remise en cause : - Remise en cause des lois d élasticité : Le capteur de déplacement fournit une mesure de la déflexion totale en chargement, et non en déchargement (présence d une déflexion permanente ou irréversible). La valeur de la déflexion mesurée et prise en compte dans l évaluation du module réversible comprend donc une partie correspondant à une déformation plastique et non élastique). - Interprétation du pic de déflexion : L analyse des résultats prend en compte la déflexion mesurée au moment de charge maximum appliquée et non la valeur maximale de déflexion (décalage temporel dû principalement à l inertie de la plaque), ce qui a pour conséquence de diminuer la précision du module réversible calculé. Chapitre 2 : Modélisation aux éléments finis logiciel Géostudio Ce chapitre a pour objectif de modéliser un essai au LWD sur un sol afin de confirmer la nonuniformité de la répartition de contrainte sous une plaque de chargement, ainsi que de modéliser les essais que j ai réalisés par la suite en laboratoire et qui seront détaillés dans le chapitre 3. Géostudio est un logiciel utilisant la théorie des éléments finis et permettant de modéliser le comportement d un sol soumis à un chargement. I. Modélisation sous Géostudio d un essai au LWD sur matériau granulaire Dans cette partie, j ai cherché à modéliser un essai au LWD sur matériau granulaire afin de vérifier les affirmations d Ullidtz concernant la non-uniformité de la répartition de contrainte sous une plaque de chargement. Pour cela, j ai fixé une charge appliquée correspondante à la charge maximale applicable par le LWD. J ai ensuite fait varier le module du matériau entre 10 et 550 MPa, gamme de valeurs correspondantes aux modules que l on peut rencontrer pour des matériaux granulaires. L analyse des contraintes situées à l interface plaque / sol a alors permis de retrouver les deux types de répartitions décrites par Ullidtz : - pour des sols dont le module est compris entre 10 et 40 MPa, la modélisation permet facilement d identifier une répartition concave. - pour des sols dont le module est compris entre 100 et 550 MPa, la modélisation permet facilement d identifier une répartition convexe.

4 II. Modélisation sous Géostudio d un essai au LWD sur une plaque de UHMW Cette partie a pour objectif de modéliser les essais que j ai réalisés en laboratoire. Ceux-ci ont été réalisés sur une plaque de UHMW (pour Ultra High Molecular Weight) qui est un matériau plastique homogène, de module d Young de 550 MPa soit un module comparable à ce que l on peut rencontrer dans le cas de matériau granulaire à module élevé. J ai réalisé 4 modélisations correspondant à 4 cas de chargement différents. Pour chacune des plaques de 300mm et 100mm de diamètre, j ai appliqué 2 chargements : une charge appliquée de 3,21kN correspondants à une faible hauteur de chute et une charge appliquée de 7,21kN correspondants à une grande hauteur de chute. Ces hauteurs de chute correspondent respectivement à ¼ et ¾ de la hauteur de chute maximale du LWD, et ont été déterminées arbitrairement. Les résultats ont permis d identifier deux comportements antagonistes : - Pour la plaque de 300mm, on observe que la contrainte réelle appliquée sous la plaque de chargement est supérieure à la contrainte théorique définie par le ratio charge appliquée sur la surface d application de la charge ( ). Le coefficient de correction est de l ordre de 2,64 et sont tout à fait identifiable aux coefficients de correction définis par Ullidtz. - Pour la plaque de 100mm, on se rend compte que la contrainte réelle appliquée sous la plaque de chargement est inférieure à la contrainte théorique. Le coefficient de correction est de l ordre de 0,7 et n est identifiable à aucun des coefficients de correction d Ullidtz. Ce type de coefficients de correction réducteurs (inférieur à 1) n a jamais été évoqué, ni dans la littérature, ni par Ullidtz. Or, les coefficients de correction actuellement utilisés sont des coefficients amplificateurs, tous supérieurs à 1,5, sans distinction de diamètre de plaque. Cependant, la validité de nos coefficients de correction nécessite une comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus lors de nos essais en laboratoire. Chapitre 3 : Campagne expérimentale Ce chapitre a pour but de décrire la campagne d essai réalisée en laboratoire ainsi que de procéder à l analyse et à l interprétation des résultats. Le but est d étudier la non-uniformité de la répartition de contraintes sous la plaque et de confirmer ou d infirmer les deux comportements antagonistes décrits ci-dessus. I. Le support d essais et capteur de contrainte Comme vu précédemment, le support de nos essais est une plaque de UHMW, dont les dimensions sont 1219mm X 610mm X 51mm d épaisseur. Au centre de la plaque, nous avons dû faire usiner un trou de 500µm de diamètre, nécessaire à la réception du capteur de déformation. Le capteur de déformation est en réalité un capteur à fibre optique, utilisant la technologie appelée «Interférométrie polarimétrique de la lumière blanche». Ce type de capteur a pour principe de mesurer une différence de chemin optique induite par une variation de la grandeur physique mesurée. II. Déroulement des essais Etude de l uniformité de la répartition de contrainte sous la plaque L objectif de notre campagne expérimentale est d étudier la répartition de contrainte sous la plaque de chargement du LWD. Pour cela, nous avons choisi de procéder à des essais permettant d obtenir des répartitions radiales (suivant différents diamètres donnés) puis d observer si la répartition est aléatoire ou si l appareil présente un ou plusieurs axes préférentiels d application de contrainte. Pour cela, nous avons pris 10 mesures sous chaque diamètre afin d obtenir une courbe représentative, puis nous avons procédé de même en changeant l orientation (rotation tous les 30 autour de l axe de révolution de l appareil) de l appareil suivant le diamètre étudié. Nous avons donc procédé à des essais pour 4 orientations pour chacun des 4 types de chargement. III. Résultats et analyse

5 Caractéristiques des répartitions de contraintes : Tout d abord, concernant l allure des graphes, on retrouve des répartitions de contraintes identifiables à celles obtenues par notre modélisation sous Géostudio, suivant ainsi la tendance générale décrite par Ullidtz, à savoir des valeurs de contraintes plus faibles en bord de plaque qu au centre (répartition convexe dans le cas de matériaux à fort module). On peut également remarquer que de manière assez visible, les répartitions de contraintes obtenues pour la plaque de 100mm sont nettement plus symétriques et présente une convexité nettement plus régulière. Au niveau de l orientation, aucune tendance générale ne se dégage et les différences de valeurs de contraintes, pour une configuration de chargement donnée, semblent plus vraisemblablement suivre un comportement aléatoire. Ceci implique qu il n existe pas d axe préférentiel d application de contraintes et que les variations sont assez aléatoires. Uniformité et variabilité des résultats : De manière générale, les essais réalisés avec la plaque de 300mm de diamètre présentent une meilleure uniformité de la répartition de contrainte et une meilleure homogénéité des résultats : la configuration correspondant aux essais avec la plaque de 300mm et une position haute de hauteur de chute affiche les graphes les plus uniformes. Aucune orientation ne permet de dégager une tendance de meilleure uniformité. Coefficients de correction : Les essais réalisés lors de notre campagne expérimentale ont confirmé les résultats obtenus dans le chapitre 2, lors des modélisations sous Géostudio. En effet, dans les deux cas, deux comportements diamétralement opposés sont apparus en fonction de l utilisation de l une ou l autre plaque. - Pour la plaque de 300mm de diamètre, nous obtenons des coefficients de correction de l ordre de 2,5 : on retrouve ainsi l ordre de grandeur obtenue avec la modélisation et en accord avec les coefficients d Ullidtz. - Pour la plaque de 100mm de diamètre, nous obtenons des coefficients de correction de l ordre de 0,5 : on retrouve ainsi un type de coefficient réducteur, apparu dans notre modélisation, mais jamais évoqué dans la littérature. Conclusion De toute évidence, le LWD apparaît comme un dispositif de mesures simple, rapide et efficace permettant d obtenir des résultats rapidement et directement sur le terrain. En cela, il représente un outil polyvalent, destiné à aider l ingénieur à prendre des décisions concernant l intégrité structurale de nombreuses couches de matériaux divers. Les différentes études abordées dans la revue littéraire permettent tout d abord de se familiariser avec un dispositif encore très récent, mais dont l utilisation, notamment lors d essais en laboratoire, est en pleine expansion. Les différentes thématiques abordées dans les différentes études permettent par ailleurs de comprendre de manière globale l ensemble des aspects d un LWD, ses principes, ses avantages ainsi que ses limites. La modélisation des différents phénomènes a d une part permis de retrouver des résultats avancés dans la littérature, permettant plus particulièrement de retrouver les 2 comportements opposés caractérisant la répartition de contrainte sous la plaque de chargement du LWD. D autre part, es modélisations ont également permis de prévoir et de réaliser a posteriori une comparaison avec les résultats expérimentaux. La campagne expérimentale a permis d établir différentes caractéristiques de la répartition de contrainte sous la plaque de chargement du LWD, ainsi que de mettre à jour un coefficient de correction inférieur à 1, à appliquer lors de l analyse de la déflexion obtenue avec une plaque de 100mm. La mise au jour de ce nouveau type de coefficients de correction, traduisant un comportement qui n avait jusque-là jamais été observé, vient conclure de manière très valorisante mon Projet de Fin d Etudes. Pour ma part, ce projet m a permis de découvrir le domaine de la recherche ainsi que le fonctionnement d un laboratoire de recherche. L autonomie dans le travail ainsi que la recherche de solutions concrètes pour la mise en place de ma campagne expérimentale ont été autant de facteurs qui ont amplifié mon implication dans le projet, passionnant de bout en bout. PFE soutenu en Juin 2011 DEJEAN Alexis 5/5 Laissez cette zone (pied de page, à droite) vide.