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UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Année : 2006 N° d'ordre : 3851

UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Année : 2006 N° d'ordre : 3851 THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Discipline : Génie Civil Titre Modèle numérique pour comportement mécanique des chaussées : application à l’analyse de l’orniérage Préparée au Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR 8107) Ecole Polytechnique Universitaire de Lille Par Bassem ALI Soutenue le Vendredi 6 octobre à 10 h30 devant la commission d'examen composée de Monsieur: H. Di BENEDETTO Président A-G. DUMONT Rapporteur M. ROUAINIA Rapporteur K. WOZNICA Examinateur J-P. CHRISTORY Examinateur M. SADEK Examinateur I. SHAHROUR Directeur de thèse Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl à Aber et Taïm à ma mère et mon père Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl REMERCIEMENTS Mes premiers remerciements, et sans doute les plus vifs, sont adressés à mon directeur de thèse Professeur Isam SHAHROUR qui a été un réel exemple pour moi. Il a su me communiquer la rigueur et la meilleure manière de travailler. Son œil critique m'a été très précieux pour structurer le travail et pour améliorer la qualité des différentes sections. Je remercie également M. SADEK qui m’aidé et soutenu beaucoup pendant ces années de thèse. Ensuite je tiens à remercier Messieurs A-G. DUMONT et M. ROUAINIA, qui ont accepté de rapporter mon travail de thèse, et qui ont rédigé des rapports sérieux, minutieux et consciencieux. J'exprime tout mon remerciement à Monsieur H. Di BENEDETTO pour m'avoir fait l'honneur d’être examinateur et présidant du jury. Je remercie également Messieurs K. WOZNICA et J -P. CHRISTORY pour m'avoir fait l'honneur d'examiner mon travail Je remercie l’ensemble de mes amis pour leur soutien et leur encouragement durant ce travail, en particulier Alia HATEM, Mazen SAMARA et Fahmi ZAÏRI. Je suis très reconnaissant au laboratoire des voies de circulation LAVOC qui a mis à ma disposition gracieusement des données expérimentales sur les essais en vraie grandeur. Quant à mon épouse Aber, mon père, ma mère, ma belle mère, mes frères Aous et Anas, ma sœur Faten et tous les membres de famille, je leur adresse mes plus chaleureux remerciements. Leur soutien moral indispensable pour moi, m’a permis de tenir bon et de ne pas abandonner dans les moments difficiles. Ils ont su me soutenir, et parfois me supporter. Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl SOMMAIRE Résumé Abstract Introduction générale ………………………………………………………………… i CHAPITRE 1 Bibliographie 1.1 introduction ………………………………………………………………….......... 1 1.2 Dégradation par orniérage ……………………………………………………….. 3 1.2.1 Mécanismes d’orniérage ………………………………………..................... 4 1.2.2 Types d’orniérage…………………………………………………………… 5 1.2.3 Facteurs influençant l'ornière…………………………………… …………. 6 Structure de la chaussée…………………………………………………… 6 Facteurs liés au trafic………………………... …………………………. 7 Facteurs environnementaux…………………… …………………………. 13 1.2.4 Méthodes d’évaluation de l’orniérage de la chaussée souple…… …………. 14 Méthodes statistiques……………………………………………………… 15 Essais accélérés de la chaussée……………….......................................... 16 1.3 Modèles proposés pour analyser la chaussée ………………………………........ 16 1.3.1 Modèles pour l’enrobé bitumineux………………………………………….. 16 1.3.2 Modèles pour les couches inférieures de chaussées………………………... 19 1.3.3 Modélisation de la charge du pneu…………………………………………... 20 Simplification la surface de contact………………………………………. 20 La contrainte de contact de l'empreinte…………. ………………………. 23 Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Déplacement transversal…………………………………………………. 25 1.4 Conclusion ……………………………………………………………………….. 27 CHAPITRE 2 Analyse par élément finis de l’orniérage 2.1 Introduction ………………………………………………………………………. 28 2.2 Lois de comportement ……………………………………………………………. 28 2.2.1 Couches d’assises …………………………………………………………… 28 2.2.2 Couche de surface …………………………………. ………………………. 29 Influence de la température ………………………………………………. 29 2.3 Modèle du chargement …………………………………………………………… 30 2.3.1 Détermination du temps de passage du pneu……………………………….. 30 Temps du chargement pour un élément …… ……………………………. 30 Simplification du temps d’un passage du pneu……………………………. 32 Simplification du temps de N passages du pneu…………. ………….......... 33 2.3.2 Modélisation de la charge du pneu…………………………………………... 33 2.3.3 Analyse de l’influence du mode de chargement…………………………...... 35 Simplification du temps de passage……………………………………….. 37 Simplification du temps de N passages…………….. ……………………. 37 Simplification de la charge du pneu (valeur et surface de contact avec la chaussée)…………….................................................................................. 38 2.4 Conclusion………………………………………………………………………….. 45 Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl CHAPITRE 3 Validation numérique sur des essais en vraie grandeur 3.1. Introduction ……………………………………………………………………… 46 3.2. Description des essais…………………………………………………………….. 46 3.2.1 Présentation de la section d’étude…………………………………………… 47 3.2.2 Chargement…………………………………………………………………. 49 3.2.3 Mesures effectuées ………………………………………………………. … 50 3.3 Détermination des paramètres des modèles ……………………………………. 50 3.3.1 Couche de surface ………………………………………………………….. 50 Partie élastique (E, v) ………………………..……………… …………… 50 Partie irréversible …………………………………….… ……………… 53 3.3.2 Couches inférieures……………………………………………………….. 57 3.4 Validation du modèle……………………………………………………………… 57 3.4.1 Déformation horizontale à la base de la couche de surface…………………. 59 3.4.2 Déplacement vertical………………………………………………………… 63 3.4.3 Comportement à long terme………………………………………………… 64 3.5 Conclusions………………………………………………………………………… 68 Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Chapitre 4 Etude paramétrique et applications 4.1. Introduction……………………………………………………………………… 69 4.2. Influence des paramètres liés au trafic………………………………………….. 69 4.2.1 Nombre du passage ………………………………….. …………………... 69 4.2.2 Charge par essieu ………...………………………………………………. 73 4.2.3 Pression de gonflage……………………………………………………….. 74 4.2.4 Type du pneu ……………………………………………………….. ……. 75 4.2.5 Déplacement transversal (wander)………………………………………… 76 4.2.6 Influence de la vitesse de la circulation …………………………………. 79 4.3 Influence de la température……………………………………………………… 80 4.4 Caractéristiques des matériaux des couches……………………………………. 84 4.5 Applications à la prédiction de la duré de vie………………………………….. 88 4.5.1 Variations environnementales…………………………………………….. 88 4.5.2 Matériaux à module élevé (EME1)…………………………………………. 90 4.5.3 Application en milieu urbain……………………………………………… 94 Utilisation d’enrobé à module élevé en milieu urbain…………… 95 4.6 Réparation des chaussées dégradées…………………………………………….. 95 4.6.1 Influence du matériau utilisé pour l’entretien……………………………... 96 4.6.2 Influence de l’épaisseur de la couche de réparation ……………………… 97 4.7 Conclusion…………………………………………………………………………. 99 Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl Figures Figure Titre page 1.1 Section d’une chaussée souple………………………………………….......... 1 1.2 Exemple d’une chaussée atteinte d’orniérage (Chen 2004)…………………. 3 1.3 Types d’ornières dans les chaussées souples (White et al. 2002) …………… 5 1.4 Influence de l’épaisseur de la couche de surface sur la déformation verticale au dessus de la couche de base et de plate-forme support (Ekdahl. 1999) ….. 7 1.5 Influence de l’épaisseur des couches de surface et de la configuration d’essieu sure la profondeur d’orniérage (Gillespie et al. 1993)……………... 8 1.6 Influence de la pression de gonflage et de la charge par essieu sur la contrainte verticale (Archilla et al. 2001)…………………………………… 10 1.7a Influence de la vitesse de circulation sur la déformation longitudinale en dessous de la couche de surface (Brown 1997)……………………………… 11 1.7b Influence de la fréquence sur le module * Ε de l’enrobé bitumineux (Perret 2002)…………………………………………………………………………. 11 1.8a Influence du déplacement transversal sur la profondeur de l’orniérage (White et al. 1999)…………………………………………………………… 12 1.8b Influence du déplacement transversal sur le profil de l’orniérage (White et al. 1999)…………………………………………………………………….. 13 1.9a Déformation de la couche de surface en fonction de la vitesse de circulation et de la température de la couche de surface (Ekdahl, 1999)……………….. 14 1.9b Effets de la variation saisonnière de la température et de l'humidité sur l’orniérage (White et al. 1999)………………………………………………. 14 1.10 Composantes de la déformation dans le premier cycle d’un essai de fluage… 17 1.11a Simplification de la surface de contact d’un pneu (Huang 1993)…………… 20 1.11b Photo de l'empreinte du pneu super single de Michelin 385/65R22 avec une charge par essieu de 8 tonnes et une pression de gonflage de 800 kPa (Perret, 2003)………………………………………………………………. 21 1.12a Influence de la charge par essieu sur le ratio largeur/longueur pour plusieurs types du pneu (Blab, 1999)………………………………………………… 22 1.12b Influence de la pression de gonflage sur le ratio largeur/longueur pour plusieurs types de pneu (Blab, 1999)………………………… 22 Thèse de Bassem Ali, Lille 1, 2006 © 2007 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 1.12c Différents niveaux de pression de contact sur les bandes de roulement de l'empreinte du pneu (Fanget al. 2004)……………………………………. 24 1.13a Influence de la largeur de la voie sur la distribution des véhicules en circulation sur la chaussée (White et al. 2002)………………………………. 25 1.13b Orniérage avec différentes simplifications de l'empreinte du pneu super single (Hua. 2002)…………………………………………………………… 26 2.1a Temps d’un incrément de chargement…………………………………… 31 2.1b Transformation du temps de chargement …………………………………… 32 2.1c Simplification du mode de chargement (Fang2001)………………………… 33 2.2a Pneu jumeau (Michelin 295/80R22)………………………………………… 34 2.2b Pneu super single (Michelin 385/65R22.5)………………………………….. 34 2.3 Simplifications de la charge du pneu sur la surface de la chaussée………….. 35 2.4 Maillage utilisé pour étudier la modélisation de la charge du pneu………… 36 2.5 Influence de la discrétisation dans le temps sur la réponse de la chaussée. 37 2.6 Influence de la modélisation du temps de chargement………………………. 38 2.7a Modélisation du chargement du pneu super single (charge/essieu =11,5 tonnes, pression de gonflage = 800 kPa)……………………………………. 39 2.7b Modélisation du chargement du pneu super single (charge/essieu = 8 tonnes, pression de gonflage = 600 kPa)…………………………………………….. 40 2.8a Influence de la modélisation du chargement sur le déplacement vertical (charge/essieu = 11,5 tonnes, pression = 800 kPa)………………………… 41 2.8b Influence de la modélisation du chargement sur le déplacement vertical (charge/essieu =11,5 tonnes pression = 600 kPa)…………………………. 41 2.9 Influence du mode de chargement sur le cisaillement (charge du pneu de 8 tonnes, pression de gonflage uploads/Litterature/ modele-numerique-pour-comportement-mecanique-des-chaussees-ali-pdf.pdf