Dimensionnement routier

Dimensionnement routier

Généralités sur les structures routières

Une route peut être définie comme une structure plane, conçue et dimensionnée pour garantir l’écoulement du trafic dans de bonnes conditions de visibilité, de sécurité et de confort pour les usagers et assurer une fonction pour une période de service minimale fixée au stade de l’élaboration du projet.

Constitution d’une chaussée

Une chaussée est constituée d’une superposition de couches de matériaux différents dont l’ensemble est appelé superstructure et reposant sur une infrastructure. Dans l’infrastructure nous avons le sol de plate-forme et une couche de forme, la superstructure est constituée d’une couche de fondation, d’une couche de base et d’une couche de surface ou de revêtement (figure 1). Fig. 1. – Schéma structural d’une chaussée (Pouteau 2004, in Diakhaté, 2007) • Le sol de plate-forme ou sol-support correspond au terrain occupant les parties supérieures des terrassements. Sa portance influence pour une grande part l’épaisseur des couches de chaussée qui reposent sur elle-même. Au Sénégal, le sable constitue le matériau de base des plate-formes routières. • La couche de forme sert à améliorer et à optimiser la portance du sol. Elle peut être constituée soit de matériaux grenus roulés ou concassés, soit de matériaux traités aux liants hydrauliques. • La couche de fondation est la couche sus-jacente à la plate-forme, elle permet d’assurer une répartition homogène des contraintes sur la couche de forme ou plate-forme supérieur des terrassements. Elle est généralement constituée en grave ou un mélange naturel de gravier et de sable. • La couche de base constitue avec la couche de fondation, l’assise de la chaussée. Elle supporte les charges de trafic transmises par le revêtement, et doit être constituée de matériaux suffisamment durs pour résister à l’attrition. Elle est souvent constituée de graves latéritiques ou améliorés au ciment, ou un sable amélioré au ciment ou au bitume. • La couche de surface est généralement en bitume, en béton de ciment ou e n béton bitumineux. Cette couche permet d’adoucir la surface de roulement, d’assurer la distribution des charges transmises dans la chaussée et dans le sol et de protéger l’assise contre l’action du trafic et des intempéries. Mémoire de Master Géosciences Département de Géologie / FST – UCAD Adama DIONE 8 Année académique 2011/2012 1.1. – Les matériaux de chaussées Au Sénégal, la plupart des matériaux utilisés en technique routière sont : • Les sables qui peuvent être naturels ou traités au ciment ou au bitume, • Les graveleux latéritiques ; • Les graves ; • Les enduits superficiels ; • Les bétons bitumineux et enrobés denses, de même que les Sand-Asphalt. 

– Les sables

Parmi les sables utilisés on distingue : a. Les sables naturels Ce sont des granulats de dimension maximale inférieure ou égale à 6,3 mm et dont leur pourcentage en fine est inférieur à 35 %. Ils sont utilisés en couche de fondation pour les trafics T1, T2 et rarement T3 lorsque la couche de base est granulaire. Si les propriétés du sable ne sont pas convenables, on peut les améliorer par apport de concassés 0/D ou d/D (correction granulométrique). b. Les sables traités au ciment Ce traitement se fait pour les sols peu ou pas argileux. Ils sont utilisés en couche de fondation lorsque la couche de base est en grave-bitume ou en grave ciment. Ce traitement permet de rigidifier la couche de fondation et absorber les contraintes dues à la traction à la base des graves traitées. c. Les sables traités au bitume Ils sont utilisés pour les sols qui ont une bonne portance avec une mauvaise tenue à l’eau. Le sable bitume convient en couche de base pour les trafics T1, T2 et parfois T3 Il peut également être utilisé en couche de roulement (c’est le cas des sables enrobés à chaud ou Sand-Asphalt et les enrobés fins ou micro-béton).

Les graveleux latéritiques

Ils sont souvent utilisés en couches d’assise crus, améliorés ou stabilisés selon le trafic et la plate-forme.

Les graves

Ce sont des mélanges granulométriques continus de cailloux, graviers et de sables avec généralement une certaine proportion de particules plus fines. Ils peuvent être utilisés en couche de revêtement et en couche d’assise. 

Les enduits superficiels (ESU)

Ce sont des couches de bitume et de gravillons. Ils doivent assurer la rugosité et l’étanchéité de la couche de surface. 

Les bétons bitumineux et enrobés denses

Ce sont des mélanges de granulats et d’une certaine quantité de bitume, posés en couche de liaison ou de roulement.

 Le Sand-Asphalt

Il est constitué de sable roulé et de bitume entre 6,5 et 7 % du poi ds. Son utilisation est conseillée pour les trafics T1 et T2. 2. – Différents types de chaussées Structures types Nature des couches Commentaires Surface Base Fondation Souples Bitumineuse Graves Non Traitées (GNT) Epaisseur totale de la structure comprise entre 300 et 600 mm Bitumineuses épaisses Matériaux bitumineux Epaisseur des couches d’assise comprise entre 150 et 400 mm Semi-rigides bitumineuse MTLH Epaisseur des couches d’assise comprise entre 200 et 500 mm Rigides Béton de ciment (150 à 400 mm d’épaisseur) Soit en MTLH Soit en GNT Soit bitumineuse Couche de forme en MTLH Dispositions particulières (dalle goujonnées ou non, béton armé continu, etc.) afin d’assurer une continuité mécanique au franchissement d’une fissure due au retrait du béton Mixtes Matériaux bitumineux MTLH Rapport de 0,5 entre l’épaisseur de matériaux bitumineux et celle de la structure de chaussée Inverses bitumineuse GNT MTLH Epaisseur de la GNT (environ 120 mm) Tableau 1. – Les différents types de chaussées (Pouteau 2004, in Diakhaté, 2007) Conclusion Les structures routières sont diverses et variées, cependant au Sénégal, la structure de chaussée souple est la plus utilisée. Sa conception nécessite l’utilisation de matériaux composites adéquats. Ces différentes structures sont le résultat d’une évolution successive des chaussées aboutissant aujourd’hui à de telles chaussées. Il est donc important de connaitre l’historique des chaussées pour comprendre l’évolution des structures routières.  Ce passage fait un bref rappel historique pour situer l’état actuel du dimensionnement routier au Sénégal, apprécie les traits originaux et le processus d’évolution.

Historique du dimensionnement routier 

Histoire des chaussées

Les romains furent les premiers à utiliser une technique uniforme pour construire des routes, puis vient l’ère de Macadam et Telford avant les années d’Asphalte et du béton de ciment Portland. 

Les routes romaines

Les routes romaines étaient composées de quatre couches (du haut en bas) : • Une couche de surface lisse, constituée de blocs polygonaux jointifs, • Une sorte de couche de base composée de gravier et de sable mélangé de chaux ; • Une couche composée de moellons, de petites pierres et de mortier de chaux ; • Une dernière couche constituée de moellons plats et de mortier de chaux. L’épaisseur totale de ces chaussées était environ 0,9 m et la largeur des routes de 4,3 m ou moins. Une illustration de la structure de la chaussée romaine, est montrée à la figure 2. Fig.2. – Structure de la chaussée romaine (Collins et Hart, 1936 in WAPA, 2010)

Les routes de Telford

Thomas Telford (né en 1757) a t enté, autant que possible, de construire des routes sur les pentes relativement faibles afin de réduire le nombre de chevaux nécessaires au transport de fret. En outre, la section de chaussée a été d’environ 350 à 450 m m en profondeur et généralement spécifiée en trois couches. La couche inférieure large (100 mm) et de (75 à 180 mm) de profondeur, est constituée de grosses pierres. (Collins et Hart, 1936). C’est cette couche spécifique qui rend la conception unique de Telford (Baker, 1903). Au dessus de cette couche, nous avons deux couches de pierres de 65 mm maximum. Elles sont surmontées par une couche d’usure de gravier (environ 40 m m d’épaisseur) (figure 3). Ce système pouvait supporter une charge correspondant à 88 N/mm. Mémoire de Master Géosciences Département de Géologie / FST – UCAD Adama DIONE 11 Année académique 2011/2012 Fig. 3. – Structure de chaussée ”Telford” (Collins et Hart, 1936 in WAPA, 2010)

Les routes de Macadam

Macadam a observé que la plupart des routes britanniques ont été composées de graviers arrondis. Il savait que cet agrégat angulaire sur un sol de fondation bien compacté aurait des résultats nettement meilleurs. Il a utilisé une surface en pente du sol de fondation sur laquelle il plaça deux couches d’environ 200 mm, surmontée d’une couche de roulement épaisse de 50 mm. La plus grande charge admissible pour ce type de conception a été estimée à 158 N/mm. La figure 4 montre la représentation typique d’une chaussée Macadam. Fig. 4. – Structure type de la chaussée Macadam (Collins et Hart, 1936 in WAPA, 2010) 1.1.4. – Les routes en Asphalte La structure d’asphalte placé sur un socle en béton (fondation) est devenue populaire au cours des années 1800. Baker (1903) décrit que ce système est constitué : • D’une couche de roulement 40 à 50 mm d’épaisseur composée de ciment et de sable d’asphalte, • D’une couche de liaison (environ 40 mm d’épaisseur) composée de pierres concassées et de ciment bitumineux ; • D’une couche de base en béton, épaisse de 100 mm pour les chaussées de faibles trafics et de 150 mm les routes à trafics élevés (Baker, 1903). L’épaisseur finale était basée sur le poids de la circulation, la résistance du béton et la portance des sols.

Méthodes de dimensionnement

Les différentes structures exposées ci-dessus étaient dimensionnées à partir des spécifications, viennent par la suite les méthodes américaines de dimensionnement comme les méthodes WASHO, AASHO et AASHTO. Seules les méthodes AASHO, AASHTO seront traités dans ce sous chapitre.

Méthode AASHO

Cette méthode est née, à la suite d’un constat fait sur l’accroissement considérable de la circulation routière, qui créait des dommages sur les chaussées américaines et l’exigence des ingénieurs à l’amélioration des techniques de conception routière. Elle est basée sur l’observation du c omportement sous trafic de chaussées réelles ou expérimentales. Il s’agit d’établir par régression multiple, des relations entre la durée de vie, l’épaisseur des couches et les propriétés mécaniques des matériaux. Cette méthode permet d’établir des lois d’équivalence entre essieux de charges différentes, de relier statistiquement les déflexions à la structure de la chaussée, de définir un indice de qualité de service des chaussées PSI (ou Present Serviceability Index) ou indice de viabilité et un i ndice d’épaisseur pouvant s’exprimer par une forme linéaire des épaisseurs des différentes couches : ++= DaDaDaE 332211 D1 : épaisseur de la couche de surface D2 : épaisseur de la couche de base D3 : épaisseur de la couche de surface a1, a2 et a3 sont des coefficients d’équivalence entre les couches selon leur nature. 

Méthode AASHTO

La méthode américaine de dimensionnement des chaussées AASHTO (American Association of State Highway and T ransportation Officials) est basée sur une analyse empirique des résultats des essais de l’AASHO road test réalisés à la fin des années 1950. Cette méthode a subi une évolution importante depuis 1961 jusqu’en 1993 suivant quatre versions. Son rôle est d’établir une relation entre les caractéristiques structurales de la chaussée et l’évolution dans le temps du niveau de qualité des chaussées (exprimé en indice de viabilité ou PSI). Elle prend en compte les paramètres suivants : • La performance de la chaussée, • Le trafic, • Le sol d’infrastructure, • Les matériaux de construction ; • La qualité de drainage ; • Le niveau de fiabilité de l’ouvrage. Le dimensionnement se fait à l’aide d’équations de régression traduites sous forme d’abaques et de formules permettant de choisir l’épaisseur de la chaussée en fonction du trafic cumulé considéré et la dégradation de la qualité d’usage de la route. La notion de qualité d’usage de la route est définie par PSI (Present Serviceability Index) qui varie de zéro à six. Les données de trafic sont converties en nombre d’essieux standards W18.correspondant à 18 kips ou 80 kN Pour une structure de chaussée choisie, un no mbre structural SN (Structural Number) est calculé et comparé à sa v aleur minimale. Cette valeur minimale correspond à l a somme pondérée des épaisseurs des différentes couches, et tient compte de la nature des matériaux et  des conditions de drainage de chaque couche. Le dimensionnement à partir de cette méthode répond aux étapes suivantes: • Calcul du nombre structural, • Résolution de l’équation AASHTO, • Répartition des épaisseurs

Table des matières

Résumé
Introduction
Chapitre 1. – Généralités sur les structures routières
1. – Constitution d’une chaussée
2. – Différents types de chaussées
Chapitre 2. – Evolution du dimensionnement routier
1. – Historique du dimensionnement routier
2. – Méthodes de dimensionnement
Chapitre 3. – Etats de l’art sur le dimensionnement routier
1. – Exigences du CPT sur les différentes couches
2. – Dimensionnement par les méthodes empiriques
3. – Dimensionnement par la méthode « dite rationnelle »
4. – Dimensionnement des différentes familles de chaussées
5. – Méthode mécanistique de dimensionnement
Chapitre 4. – Problèmes et perspectives du dimensionnement routier
1. – Problèmes liés aux méthodes
2. – Problèmes liés aux matériaux et au mode de conception
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques

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