Modélisation numérique du chevêtre du viaduc de Fozière

Présentation de l’ouvrage

Géométrie de l’ouvrage 

Cet ouvrage est un viaduc de type VIPP (Viaduc à travées Indépendantes à Poutres Précontraintes). Il a été construit pendant les années 1980-1981. L’ouvrage fait 121 m de longueur et 13 m de largeur. Il est constitué de trois travées, chaque travée est composée de cinq poutres, longues de 40 m avec un talon de 0.70 m de large. Ce viaduc s’appuie sur deux culées (Nord, Sud) et deux piles (Nord, Sud). La culée Nord est fondée sur un massif de béton, tandis que la culée Sud repose sur le rocher. Les deux piles sont fondées sur semelles. Elles sont composées d’un fût de section polygonale inscrit dans un rectangle de 3,1 x 7,5 m d’une hauteur de 14,5 m pour la pile Nord et de 9,28 m pour la pile Sud. Ces deux fûts sont surmontés par un chevêtre de 14 m de longueur et de 3,5 m de largeur, sur une hauteur qui varie de 1,1 à 2 m (Divet 2001). L’ouvrage ne comporte pas de système d’évacuation des eaux de pluies. Certaines parties d’ouvrage sont donc fortement exposées à un environnement humide. Sur la figure 7-1 nous pouvons voir en premier plan, la pile sud surmontée par son chevêtre et le tablier. Modélisation numérique du chevêtre du viaduc de Fozière 128 Figure 7-1 Vue du viaduc de Fozière Selon le rapport d’inspection détaillée de 1997 (LRPC d’Aix-en-Provence 1997), la partie visiblement la plus endommagée de l’ouvrage est le chevêtre de la pile Sud. Cette partie a donc été choisie pour l’étude. 2) 

Détection des désordres

 Après 9 ans d’exploitation (1989), un réseau de fissures est détecté sur les piles et les chevêtres. Une nouvelle inspection détaillée effectuée en 1997 montre que le réseau de fissures des chevêtres s’est nettement développé et témoigne d’une situation préoccupante pour la pérennité de l’ouvrage. Le chevêtre de la pile Sud présente une fissuration verticale dense sur les deux faces avec une ouverture maximale variant de 0,2 mm à 1,7 mm (figure 7-2 et figure 7-3). Cependant le phénomène apparaît assez localisé puisque l’ouverture maximale des fissures est de 0,3 mm, excepté à l’about Est du chevêtre où l’ouverture atteint 1,7 mm. De plus, dans cette zone, le réseau de fissures est plus dense. 129 Figure 7-2 Réseau de fissures au niveau du chevêtre de la pile sud (Divet 2001) Figure 7-3 Détail d’une fissure observée sur le chevêtre de la pile sud. (Divet 2001) Les fissures du chevêtre de la pile Sud présentent des coulures de calcite indiquant des circulations d’eau au sein du béton. Cette fissuration est plus dense dans la partie Est de la structure que dans la partie Ouest. Cette différence de fissuration semble due à un gradient hydrique entre les deux côtés des l’ouvrage. En effet la partie Est de la structure est soumise à davantage d’humidité en raison du relief alentour ce qui favorise une humidité persistante du coté du versant. Ajoutons à cela la conception du système d’évacuation d’eau, qui permet une stagnation d’eau au dessus de la partie Est du chevêtre, causée par la convexité du tracé en plan de l’ouvrage. Cette bonne corrélation entre les ruissellements et la dégradation du béton confirme l’importance du couplage entre humidité et gonflement. Les relevés de la fissuration, établis en 1989 et 1997 pour le chevêtre de la pile Sud, sont présentés sur la figure 7-4. Ce schéma illustre l’évolution rapide des désordres apparents sur les deux faces de l’ouvrage entre 1989 et 1997. 130 Figure 7-4 Relevé comparatif de fissures sur le chevêtre de la pile Sud en rouge 1997 et Noir 1989 

Diagnostic des désordres 

Composition chimique et minéralogique du béton

 L’étude de la composition chimique a été effectué par (Divet 2001) et (Pavoine 2003), cette étude s’est basée à la fois sur les données recueillies à partir de procès verbaux d’essais de convenance du dossier de l’ouvrage et aussi des analyses réalisées sur carottes. Le ciment utilisé à l’époque est un CPA 55 R. Les granulats utilisés sont silico-calcaires et une fraction de sable calcaire intervient également dans la composition du béton. L’analyse complète du béton a permis d’estimer que les fractions siliceuses et calcaires des granulats représentent respectivement 42 et 33% (en masse) du béton (Divet 2001 ). La formule du béton (tableau 7.1) prévue par le procès-verbal pour les piles et les chevêtres de cet ouvrage, spécifie que le dosage en ciment de ces pièces massives est de 350 kg/m3 pour un rapport E/C de 0,47. Matériaux Dosage en (kg/m3 ) Gravier 10/20 810 Gravier 4/10 395 Sable 0/4 555 Sable 0/3 140 Eau 165 Ciment 350 Tableau 7-1 Formulation théorique du béton du viaduc de Foziére La caractérisation des liants utilisés dans l’ouvrage a été effectuée dans le cadre des travaux de (Divet 2001). La composition chimique du ciment (tableau 7-2) a été obtenue à partir de la base de données du LCPC sur les ciments utilisés en France. La composition potentielle des ciments a été calculée à partir de la formule de Bogue en prenant en compte la silice hydraulique, la chaux libre et le carbonate de calcium présents dans le ciment. Ces résultats sont présentés dans le (tableau7-3). Eléments SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 Na2Oéqui (% massique) 20.5 5.3 2.5 64.5 1.1 0.3 1.2 2.6 1.1 Na2Oéqui=Na2O+0.6 K2O Tableau 7-2 Composition chimique du ciment utilisé pour le du béton du chevêtre du viaduc 131 Minéraux majoritaire du ciment C3S C2S C3A C4AF Gypse Chaux libre Carbonate de calcium Composition chimique du ciment (% massique) 20.5 5.3 2.5 64.5 1.1 0.3 1.2 Tableau 7-3 Composition minéralogique selon la formule de Bogue Le ciment utilisé contient une teneur en alcalins relativement élevée (supérieur à 0.6%) NA2Oeq) par contre les teneurs en SO3 et C3A ne sont pas excessivement élevées (SO3 de l’ordre de 2.6% et C3A de l’ordre de 2.5%). Les granulats et sables (2 catégories) sont issus des mêmes gisements. Les granulats et sable (0/4) proviennent d’une roche à base de gneiss rubané constitué de quartz (30%), de feldspaths (20%), de lits micacés + oxydes (30%) et de matériaux phylliteux (20%). Ces granulats sont non réactifs vis-à-vis de l’alcali-réaction (AFNOR NF P 18-590, 1986). Le sable jaune est calcaire. L’existence de granulats siliceux de type quartz en particulier favorise la formation d’ettringite potentiellement expansive au niveau de l’interface pâte/granulats. 

Suivi de l’ouvrage 

La totalité du chevêtre Sud du viaduc de Fozière a été équipée au cours de l’année 2000 de bases de distancemètrie à fil invar. Vingt plots ont été scellés, les bases ont été implantées dans les trois directions, la longueur entre les bases varie de 0.8 à 14 m. À l’issue d’une période de deux années, seul l’about Est montre une évolution des déformations. Cette évolution est de l’ordre de 0.2 mm/m/an. Les autres zones du chevêtre ne présentent qu’une très faible fissuration et aucune évolution significative des déformations n’est observée.