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ÉTUDES ET RECHERCHES EN TRANSPORT TECHNOLOGIES Élaboration de modèles mathémati

ÉTUDES ET RECHERCHES EN TRANSPORT TECHNOLOGIES Élaboration de modèles mathématiques pour l’interprétation des données obtenues avec le pénétromètre dynamique ÉTUDES ET RECHERCHES EN TRANSPORT TECHNOLOGIES Élaboration de modèles mathématiques pour l’interprétation des données obtenues avec le pénétromètre dynamique Mélanie Boutet Pascale Pierre Guy Doré ÉLABORATION DE MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES OBTENUES AVEC LE PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE Mélanie Boutet Pascale Pierre et Guy Doré Groupe de recherche en ingénierie des chaussées Département de génie civil Faculté des sciences et de génie Université Laval Réalisé pour le compte du ministère des Transports Août 2007 La présente étude a été réalisée à la demande du ministère des Transports du Québec et a été financée par la Direction de la recherche et de l’environnement. Les opinions exprimées dans le présent rapport n’engagent que la responsabilité de leurs auteurs et ne reflètent pas nécessairement les positions du ministère des Transports du Québec. Dépôt légal Bibliothèque nationale du Québec, 2007 ISBN 978-2-550-50684-3 (PDF) FICHE ANALYTIQUE Nº du rapport Transports Québec RTQ-07-05 Titre et sous-titre du rapport Élaboration de modèles mathématiques pour l’interprétation des données obtenues avec le pénétromètre dynamique Date de publication du rapport (Année – Mois) 2007-08 Titre du projet de recherche Développement de modèles mathématiques pour l'interprétation des données obtenues avec le pénétromètre dynamique Nº du contrat (RRDD-AA-CCXX) 2520-04-RD05 N°de projet ou dossier R552.1 Responsable de recherche Guy Doré Auteur(s) du rapport Mélanie Boutet, Pascale Pierre et Guy Doré Date du début de la recherche 2005-03 Date de fin de la recherche 2007-03 Chargé de projet, direction Martin Lavoie, direction du Laboratoire des chaussées Coût total de l’étude 98 820 $ Étude ou recherche réalisée par (nom et adresse de l’organisme) Département de génie civil Université Laval Pavillon Adrien-Pouliot Québec (Québec) G1K 7P4 Étude ou recherche financée par (nom et adresse de l’organisme) Préciser DRE ou autre direction du MTQ Direction de la recherche et de l’environnement 930, chemin Sainte-Foy, 6e étage Québec (Québec) G1S 4X9 Problématique Il existe des corrélations qui mettent en relation les indices de pénétration (IP) obtenus avec le pénétromètre dynamique (DCP) et les paramètres couramment utilisés en conception de chaussées, soit la valeur CBR et le module de déformation. La valeur CBR est de moins en moins utilisée alors que la corrélation développée qui relie directement les valeurs IP à des modules s'applique à une plage de valeurs limitée. De plus, les relations repérées dans la littérature ne considèrent pas les caractéristiques des sols telles que les limites de consistance, la teneur en eau et la masse volumique. On constate des lacunes sur le plan de la compréhension de la relation entre la résistance (domaine plastique ou viscoélastique) et la résilience (domaine élastique) des sols. Le DCP du Ministère se veut un outil essentiel à l'évaluation structurale ou à des études de reconnaissance de tracés. L'utilisation de modèles complets représentatifs des sols au Québec s'avère nécessaire pour assurer une bonne exploitation des résultats. Objectifs L'objectif principal consiste à développer des modèles qui mettent en relation les propriétés de résistance des sols (résistance au cisaillement obtenue au scissomètre) d'une part, et les propriétés résilientes (modules rétrocalculés à partir d'essais de déflexion) d'autre part, avec les valeurs d'indice de pénétration. Plus spécifiquement, le but est de mieux définir la relation entre la résilience et la résistance pour différents types de sols et de matériaux ainsi que de voir s'il est possible de faire des regroupements. Les corrélations recherchées reliant l'indice de pénétration et une valeur de module utile en conception de chaussées devraient inclure des paramètres qui tiennent compte des caractéristiques des sols. Méthodologie 1) Réaliser des essais sur des sites routiers expérimentaux comportant des sols supports différents déjà caractérisés et des essais de déflexions au déflectomètre à masse tombante (FWD). Étudier l'effet de la variation de la profondeur de la nappe d'eau au niveau de l'infrastructure et mettre en relation les modules rétrocalculés et les indices de pénétration obtenus. 2) Effectuer des essais en laboratoire sur différents sols et contrôler leurs caractéristiques (teneur en eau, masse volumique, etc.) en utilisant des moules. Étudier l'effet de la variation des caractéristiques sur les indices de pénétration en laboratoire. 3) Combiner les résultats routiers et de laboratoire et raffiner le modèle avec d'autres essais (DCP, FWD et sondages). Résultats et recommandations Le projet de recherche a permis de développer des corrélations pratiques entre l'indice de pénétration et la résistance au cisaillement des sols cohérents d'une part puis le module réversible de différents types de sols d'autre part. Les corrélations ont été développées suivant trois niveaux allant de la relation directe IP-Mr ou IP-Cu à des relations plus précises faisant intervenir des variables explicatives. Le deuxième niveau tient compte des types de sols alors que le troisième tient compte des propriétés physiques des sols usuelles. Ces résultats permettent ainsi aux concepteurs de projets routiers de se servir des données obtenues des essais de DCP pour obtenir des paramètres de conception de différents niveaux de précision. Langue du document Français Anglais Autre (spécifier) : Mots-clés Pénétromètre dynamique Nombre de pages 160 p. Nombre de références bibliographiques 35 ÉLABORATION DE MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES OBTENUES AVEC LE PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE 5 REMERCIEMENTS Cet ouvrage a été rendu possible grâce au soutien financier du ministère des Transports du Québec. Je désire tout d’abord remercier M. Martin Lavoie, ingénieur au Ministère, et mon directeur de recherche, M. Guy Doré, pour avoir contribué à la réalisation et à l’avancement de ce projet. J’aimerais aussi remercier Mme Pascale Pierre et M. Sylvain Juneau pour leur aide précieuse et leurs nombreux conseils. Bien sûr, je voudrais témoigner ma reconnaissance à tous les étudiants, professeurs, techniciens et professionnels du Département de génie civil pour l’aide apportée durant toute la durée de ma maîtrise. Finalement, je tiens à exprimer toute ma gratitude à ma famille pour ses encouragements soutenus tout au long de mon cheminement scolaire et particulièrement à François, pour son appui constant. ÉLABORATION DE MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES OBTENUES AVEC LE PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE 7 SOMMAIRE La présente étude porte essentiellement sur l’élaboration de modèles qui mettent en relation, d’une part, les propriétés de résistance des sols (résistance au cisaillement obtenue au scissomètre) et, d’autre part, les propriétés résilientes (modules rétro-calculés à partir d’essais de déflexion) avec les valeurs d’indice de pénétration obtenues au pénétromètre dynamique. Des essais de terrain ont été effectués sur dix sites à sol cohérent ainsi que sur chacune des quatre fosses du Site expérimental routier de l’Université Laval (SERUL). Des essais de laboratoire ont également été réalisés sur cinq sols pulvérulents reconstitués (SP, GP, SM, GM et SC). Les résultats obtenus sur le terrain et en laboratoire ont été comparés et analysés afin de mieux définir la relation entre la résistance et la résilience pour différents types de sols. Les corrélations élaborées reliant l’indice de pénétration et une valeur du module utile en conception des chaussées ont permis d’inclure des paramètres qui tiennent compte des caractéristiques des sols. ÉLABORATION DE MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES OBTENUES AVEC LE PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE 9 TABLE DES MATIÈRES LISTE DES TABLEAUX............................................................................................. 11 LISTE DES FIGURES................................................................................................. 13 GLOSSAIRE................................................................................................................. 15 1. INTRODUCTION..................................................................................................... 17 1.1 MISE EN CONTEXTE ............................................................................................... 17 1.2 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS ............................................................................. 17 1.3 MÉTHODOLOGIE.................................................................................................... 18 2. ÉTAT DES CONNAISSANCES.............................................................................. 21 2.1 GÉNÉRALITÉS........................................................................................................ 21 2.1.1 Éléments constitutifs de la chaussée ............................................................. 21 2.1.2 Caractérisation du sol d’infrastructure......................................................... 21 2.1.3 Comportement des sols pulvérulents............................................................. 24 2.1.4 Comportement des sols cohérents................................................................. 28 2.2 INSTRUMENTATION................................................................................................ 31 2.2.1 Essai au DCP................................................................................................ 31 2.2.2 Essai au déflectomètre à masse tombante (FWD)......................................... 34 2.2.3 Essai scissométrique ..................................................................................... 37 2.2.4 Essai au cône de sable .................................................................................. 39 2.3 SYNTHÈSE DES RELATIONS .................................................................................... 40 2.3.1 Relations entre l’indice DCP et la valeur CBR............................................. 40 2.3.2 Relations entre la valeur CBR et le module réversible MR........................... 43 2.3.3 Relations entre l’indice DCP et le module élastique..................................... 45 2.3.4 Relations entre l’indice DCP et le module rétro-calculé .............................. 46 2.3.5 Relations entre les mesures du pénétromètre à cône statique et le module réversible MR......................................................................................................... 48 2.3.6 Relations entre l’indice DCP et le module réversible MR ............................. 49 2.3.7 Autres relations............................................................................................. 51 3. PROGRAMME EXPÉRIMENTAL....................................................................... 53 3.1 DESCRIPTION DES ESSAIS ET PARAMÈTRES VISÉS................................................... 53 3.1.1 Matrice des essais et paramètres visés.......................................................... 53 3.2 DESCRIPTION DES ESSAIS DE LABORATOIRE........................................................... 55 3.2.1 Description de l’équipement ......................................................................... 55 3.2.2 Protocole....................................................................................................... 55 3.3 DESCRIPTION DES ESSAIS DE TERRAIN ................................................................... 59 3.3.1 Emplacement des essais ................................................................................ 60 3.3.2 Protocole....................................................................................................... 60 3.4 DESCRIPTION DES ESSAIS DE CARACTÉRISATION ................................................... 63 4. PRÉSENTATION DES RÉSULTATS.................................................................... 65 4.1 RÉSULTATS DU PROGRAMME EXPÉRIMENTAL RÉALISÉ EN LABORATOIRE.............. 65 4.1.1 Essais de caractérisation géotechnique ........................................................ 65 4.1.2 Essais de caractérisation comportementale.................................................. 69 4.2 RÉSULTATS DU PROGRAMME EXPÉRIMENTAL RÉALISÉ SUR LE TERRAIN................ 74 4.2.1 Sites à sol cohérent........................................................................................ 74 4.2.2 Fosses SERUL............................................................................................... 82 ÉLABORATION DE MODÈLES MATHÉMATIQUES POUR L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES OBTENUES AVEC LE PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE 10 5. ANALYSE DES RÉSULTATS ET ÉLABORATION DES CORRÉLATIONS. 89 5.1 CORRÉLATIONS ENTRE LA RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT ET L’INDICE DE PÉNÉTRATION.............................................................................................................. 89 5.2 CORRÉLATIONS ENTRE LE MODULE RÉTRO-CALCULÉ ET L’INDICE DE PÉNÉTRATION .................................................................................................................................... 95 uploads/Science et Technologie/etudes-et-recherches-en-transport-technologies.pdf