EXPERTISE DE CHAUSSEES Auscultation dynamique et diagnostic de réparation avec un déflectomètre à charge tombante
Plateforme Technologique TP 2 SOMMAIRE A. PRESENTATION GENERALE...3 A.1. INTRODUCTION...3 A.2. PRESENTATION DE LA CHAUSSEE...3 A.2.1 PLAN DE SITUATION...3 A.2.2 CARACTERISTIQUES GENERALES...3 A.3. OBJECTIFS DE L ETUDE...3 B. PRESENTATION DES ESSAIS EFFECTUES...4 B.1. GENERALITES SUR LE FWD...4 C. MESURES IN SITU...5 C.1. CONDITIONS DE L INTERVENTION...5 C.2. METHODOLOGIE...5 C.2.1. DEFINITION DE LA METHODOLOGIE APPLIQUEE SUR LE PROJET...5 C.2.2. PRESENTATION DES RESULTATS D UN ESSAI...5 D. EXPLOITATION DES RESULTATS...7 D.1. HYPOTHESES...7 D.2. DEFLECTIONS...7 D.3. CALCUL DES MODULES...8 D.3.3. POINTS PARTICULIERS...8 D.4. CALCUL DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE...9 D.4.1. CALCULS PRELIMINAIRES...9 D.4.2. CALCULS DE DUREE DE VIE RESIDUELLE A L AIDE D ALIZE...9 D.4.3. SOLUTION DE REPARATION... 10 F. SYNTHESE ET CONCLUSION... 11 G. ANNEXES... ERREUR! SIGNET NON DEFINI. H. TABLE DES ILLUSTRATIONS... 12 Expertise de chaussées Sommaire 2007
Plateforme Technologique TP 3 A. PRESENTATION GENERALE A.1. INTRODUCTION La plateforme technologique travaux publics du Limousin rapproche les entreprises et les centres de formation aux métiers des travaux publics. Elle met à la disposition des collectivités, des entreprises régionales, et notamment des PME les ressources (humaines, matérielles, documentaires, d informations diverses ) dont disposent les établissements de formation et de recherche constituant le dispositif. Elle est constituée de six établissements : le lycée Pierre Caraminot, le centre AFPA d Egletons, le CFC d Egletons, L EATP, EFIATP, le lycée des métiers Marcel Barbanceys et l IUT d Egletons et le Laboratoire 3MGC de l Université de Limoges. Le défléctométre à charge tombante permet de mesurer les déflexions d une chaussée et de proposer des solutions de travaux durables. La demande du CFC Sylvain Joyeux s est faite dans ce cadre là. Souvent, on préfère attendre le dernier moment, celui qui précède l accélération de la dégradation de la chaussée, pour entreprendre des travaux. Au contraire, la plateforme technologique, grâce au défléctométre à charge tombante, peut proposer un diagnostic entraînant un entretien préventif moins coûteux. C est ce qui a été fait ici. A.2. PRESENTATION DE LA CHAUSSEE A.2.1 Plan de situation La portion de voie privée dont nous avons fait l étude passe devant le bâtiment principal du CFC et se prolonge devant les bâtiments d hébergement. Chaussée soumise à notre étude CFC Sylvain Joyeux Figure 1 : Tronçon étudié A.2.2 Caractéristiques générales La chaussée soumise à notre étude est constituée de deux couches : Une couche de roulement en enduit superficiel de type bicouche d environ 30mm d épaisseur. Une couche de forme réalisée en GNT de 200mm d épaisseur environ. Ces informations nous ont été fournies par le CFC. A.3. OBJECTIFS DE L ETUDE L étude menée comporte trois objectifs principaux : La détermination des caractéristiques mécaniques de la chaussée. La détermination de la durée de vie résiduelle de la chaussée citée ci dessus. La proposition de solutions de réparations si la chaussée le nécessite. Expertise de chaussées Présentation générale 2006
Plateforme Technologique TP 4 B. PRESENTATION DES ESSAIS EFFECTUES B.1. Généralités sur le FWD Phase de mesures in situ : Le défléctométre à masse tombante ou FWD (Falling Weight Deflectometer) est conçu pour mesurer le bassin des déflexions provoqué par une masse tombante sur une plaque (Φ30 cm). Il se compose : d'une remorque tractée de 850 kg environ transportant les éléments de mise en charge et les neuf capteurs de déplacement, d'un système de pilotage automatique, d'acquisition et de traitement de l'information, embarqué dans le véhicule tracteur. Après la mise en station de la remorque au droit du point de mesure, la masse est libérée d'une hauteur pouvant varier de 2 à 40 cm provoquant une force variable de 7 à 135 kn. La hauteur de chute et la force appliquée sont fixées en fonction de la nature de la structure testée. La transmission de la charge se fait par un ressort dont la constante permet de définir la durée du chargement. Les 9 capteurs (dont un est au centre de la plaque) enregistrent la déformée longitudinale sur 2 mètres environ du point d'application de la charge. Pour les structures routières, les caractéristiques de chargement sont réglées de manière à obtenir une impulsion correspondant à la durée de charge d'un PL circulant à une vitesse d'environ 70 km/h. Au droit de chaque station, 9 déflexions sont enregistrées par les 9 capteurs répartis le long d'une poutre. Le premier capteur est situé au centre de la plaque de chargement, et le dernier à 1,80 m environ dans l'axe longitudinal. A ce stade, on dispose de la demi déformée (voir figure 2) provoquée par un demi-essieu standard, ainsi que de tous les paramètres nécessaires à l'exploitation future des résultats. Figure 2 : Principe de fonctionnement du FWD Phase d exploitation des mesures : Si les données de la superstructure le permettent (épaisseurs connues des bétons bitumineux ) la durée de vie résiduelle de la chaussée testée peut être calculée soit en terme de centimètres de renforcement nécessaire soit en terme de nombre d'années disponibles sans renforcement. En effet, au droit de chaque station de mesures, grâce au logiciel Elmod nous procédons selon deux phases qui sont les suivantes : validation des mesures de déflexions, calcul des modules élastiques Ei des couches. Après avoir introduit les épaisseurs (ei) des différentes couches de la structure et compte tenu d'une part du module moyen défini et, d'autre part, des valeurs mesurées lors de l'essai, le module de chacune des couches est calculé (calcul inverse) ainsi que les contraintes et déformations correspondantes A la fin de cette première phase d'exploitation des mesures, les données suivantes, qui sont les réponses in-situ de la structure, sont disponibles au droit de chaque point testé : Ae1 Après cette partie analytique, il reste à interpréter les résultats en termes de "résistance globale à la portance" vis à vis du trafic futur prévu. Pour cela nous utilisons le logiciel Alizé qui nous permet de déterminer la durée de vie résiduelle et les éventuelles solutions de réparation à apporter. Ae2 Expertise de chaussées Présentation des essais effectué 2007
Plateforme Technologique TP 5 C. MESURES IN SITU C.1. CONDITIONS DE L INTERVENTION Dates : 23 novembre 2006 Equipe : Bertrand BREYSSE (Lycée Caraminot) et Benoît PICOUX ( Labo 3MGC). Moyens : FWD et véhicule de traction de la remorque. Conditions atmosphériques : temps nuageux, température de l air : 12 C environ. C.2. METHODOLOGIE C.2.1. Définition de la méthodologie appliquée sur le projet Pour la chaussée auscultée, nous avons fait un point de mesure tous les 10m. Avant chaque série d essais, un essai d étalonnage du FWD est réalisé afin d obtenir les chargements désirés en fonction du type de chaussée étudié. A chaque point de mesure, nous avons effectué 11 chargements : 3 chargements de 30 kn soit une contrainte de 424 kpa sur la chaussée, 3 chargements de 50 kn soit une contrainte de 707 kpa sur la chaussée, 3 chargements de 70 kn soit une contrainte de 990 kpa sur la chaussée. Les dernier des 3 chargements pour chaque palier de chargement a fait l objet d enregistrement des mesures de déflection sur les 9 géophones ainsi que la mesure de force sous la plaque. En parallèle sont enregistrés, le chaînage, l heure, la température de l air et la température de surface de la chaussée. C.2.2. Présentation des résultats d un essai L étude est menée en deux parties : la première pendant laquelle on réalise les mesures in situ grâce au logiciel FWDWIN (cf. figure 4) et la deuxième pendant laquelle on exploite les données avec ELMOD (cf. figure 5). Figure 3 : Enregistrement in situ sous FWDWIN On retrouve ci dessous les déflections directement enregistrées par les 9 géophones du FWD ainsi que la contrainte sous la plaque (logiciel ELMOD). Expertise de chaussées Mesures in situ 2007
Plateforme Technologique TP 6 déplacements en microns. 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 temps en ms 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 700.00 600.00 500.00 contrainte 400.00 300.00 200.00 100.00 contrainte en kpa. Géophone 1 Géophone 2 Géophone 3 Géophone 4 Géophone 5 Géophone 6 Géophone 7 Géophone 8 Géophone 9 0.00-100.00 0.00-100.00 Contrainte Figure 4 : Exploitation des résultats sous ELMOD Expertise de chaussées Mesures in situ 2007
Plateforme Technologique TP 7 D. EXPLOITATION DES RESULTATS D.1. HYPOTHESES Grâce aux données fournies par le CFC, la modélisation de la structure des chaussées suivante a été choisie : e = 30 mm Bicouche E = 3000 Mpa* e = 250 mm GNT PFT *Données fournies par le guide technique «Conception et dimensionnement des structures de chaussée», SETRA, LCPC, décembre 1994. Les épaisseurs de couches ont des valeurs fixes et invariantes. Le module de la couche de roulement varie avec la température de chaussée. Les calculs sont effectués par analyse inverse du rayon de courbure sur les lâchés 3, 6 et 9. D.2. DEFLECTIONS On retrouve ci-dessous le graphe de déflections mesurées tout au long du tronçon étudié. Le chaînage est indiqué en abscisses (unité le km), sur l axe des ordonnées de gauche on retrouve les déflections en microns et sur celui de droite la contrainte sous la plaque en kpa. Measured deflections and load 1500 800 D1 Deflection (Microns) 1000 500 600 400 200 Stress (kpa) D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Stres 0 0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 Figure 5 : Graphe des déflections lâché 6 (50 KN, 707 kpa) Expertise de chaussées Exploitation des résultats 2007
Plateforme Technologique TP 8 D.3. CALCUL DES MODULES A partir des déflections précédentes et des caractéristiques des chaussées (épaisseur de couche et module de certaines couches), on obtient le module de chacune des couches. Les modules indiqués ci-dessous sont les modules moyens de l ensemble du tronçon étudié. Figure 6 : Modules d élasticité des différentes couches le long du tronçon On obtient donc les modules moyens suivant sur l ensemble du tronçon : Modules d élasticité en MPa (E, MPa) Lâché 3 Lâché 6 Lâché 9 Bicouche 3287 3287 3287 GNT 353 413 498 PFT 91 66 55 Figure 7: Modules d élasticité des différentes couches le long du tronçon D.3.3. Points particuliers Les modules calculés précédemment sont des modules «moyens» calculés sur l ensemble du tronçon. Néanmoins, à la vue des déflections et des modules des différentes couches le long du tronçon (visibles au D.2. et au D.3.), on peut voir que des points singuliers apparaissent : ils montrent la présence de déflections particulièrement fortes ou particulièrement faibles à certains points de mesures qui engendrent des modules eux aussi très faibles ou très forts. Les modules des deux premières couches sont relativement constants le long du tracé. Par contre celui de la plateforme (sol) présente une zone (chaînage de 0,05 à 0,08 km) où le module est particulièrement faible (inférieur à 50 MPa). Cela pourrait poser des problèmes en cas de réfection de la chaussée. Expertise de chaussées Exploitation des résultats 2007
Plateforme Technologique TP 9 D.4. CALCUL DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE En fonction des modules calculés avec Elmod, on utilise Alizé pour définir une durée de vie résiduelle. Tous les calculs ont été faits à partir des mesures réalisées le 23 novembre 2006. D.4.1. Calculs préliminaires La première opération consiste à utiliser le logiciel Alizé en y insérant la structure qui a été mise en œuvre ainsi que les modules moyens calculés par ELMOD. Pour plus de précision dans les calculs qui vont suivre, nous allons nous appuyer sur la méthode de conception et de dimensionnement. Nous aboutissons à la structure de calcul suivante : Enduit 0,03 m E= 3000 MPa GNT 0,25 m E=383 MPa PF2 Infini E=60 MPa D.4.2. Calculs de durée de vie résiduelle à l aide d Alizé L étude de la réponse de la chaussé telle que définie ci-dessus avec le logiciel ALIZE donne : ε t = -91 mdef à la base de la couche d enduit responsable de la fissuration ε z = 1334 mdef au niveau supérieur de la plateforme responsable de l orniérage Ces sollicitations combinées aux caractéristiques moyennes retenues pour les matériaux laissent espérer les durées de vie résiduelles suivantes : Orniérage (plateforme) : 20 ans pour une classe de trafic T5 avec une moyenne journalière annuelle de 17 PL. On constate que la limite la plus sévère est imposée par la plateforme. Par ailleurs le profil des déflections et des modules montrent deux zones de faiblesse marquée (cf. D.3.3). C est donc cette couche et ces zones qui seront privilégiées dans la suite de l étude. Les résultats de l analyse Alizé de ces deux zones sont récapitulés ci-dessous : Composition Module Orniérage m déf plate-forme MJA Durée de vie résiduelle Classe Zone 1 Enduit 3287 GNT 212 PFT 27 2540 5 PL 5 ans T5 Zone 2 Enduit 3287 GNT 428 PFT 47 1415 5 PL > 20 ans T5 Expertise de chaussées Exploitation des résultats 2007
Plateforme Technologique TP 10 Il en ressort que cette chaussée, soumise à un trafic de classe T5 soit une moyenne journalière annuelle de poids lourds n excédant pas 5, est capable de supporter en dehors de la zone 1 le trafic imposé par ses conditions d exploitation. Contrairement à la zone 2, la zone 1 ne peut supportera en l état le trafic imposé que pendant 5 ans. Une solution de renforcement doit être envisagée. D.4.3. Solution de réparation Les résultats précédents montrent que cette chaussée présente une faiblesse marquée en zone 1 (en rouge ci dessous, chaînage 0,05 à 0,08) sur une longueur d environ 30m. Cette faiblesse est essentiellement due au faible module de la plateforme. Une purge suivie d une traitement amenant la portance de la plateforme au niveau pf2 (50 Mpa) s avèrent nécessaires. La durée de vie de l ensemble de la chaussée sera ainsi portée à 20 ans. Figure 8 : Points de mesure et repérage de la zone 1 (en rouge) Expertise de chaussées Exploitation des résultats 2007
Plateforme Technologique TP 11 F. SYNTHESE ET CONCLUSION La chaussée du CFC présente des caractéristiques propres à lui assurer une durée de vie résiduelle de 20 ans pour un trafic largement supérieur à celui imposé par ses conditions d exploitation actuelles. Les désordres observés actuellement ne sont donc pas la conséquence de faiblesses structurelles (fatigue de la couche de roulement, orniérage de la GNT, insuffisance de la portance de la PFT, ) mais sont plutôt liés à des anomalies superficielles localisées. Seule la Zone 1 devra être traitée comme indiqué précédemment en vue d amener l ensemble du tronçon à une durée de vie de 20 ans au moins. Expertise de chaussées Synthése et conclusion 2007
Plateforme Technologique TP 12 H. TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1 : Tronçon étudié... 3 Figure 2 : Principe de fonctionnement du FWD... 4 Figure 3 : Enregistrement in situ sous FWDWIN... 5 Figure 4 : Exploitation des résultats sous ELMOD... 6 Figure 5 : Graphe des déflections lâché 6 (50 KN, 707 kpa)... 7 Figure 6 : Modules d élasticité des différentes couches le long du tronçon... 8 Figure 7: Modules d élasticité des différentes couches le long du tronçon... 8 Figure 8 : Points de mesure et repérage de la zone 1 (en rouge)... 10 Expertise de chaussées Table des illustrations 2007