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Mathieu Preteseille27/03/14
Comportement à la fatigue mécanique des sols traités aux liants hydrauliques dans les plates‐formes des structures ferroviaires pour LGV.
Modélisations numérique et expérimentale de leur comportement.
Directeur de thèse: Pierre HornychEncadrant: Thomas Lenoir
Thierry Dubreucq
Référents RFF: Olivier CazierAlain Ducreau
Présentation du contexte
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Carte de France des projets ferroviaires (2013)
Objectif: rationnaliser le cout économique et environnemental
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Caractéristiques d’une plate‐forme LGV
Profil en travers type LGV (IN3278)
Transposition de la démarche routière au ferroviaire?
Les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ?
Emploi des sols traités pour la couche de forme des LGV
Approche routière (1/2)
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Ligne d'influence de la contraintelongitudinale au point A (Dac Chi, 1981)
kr,kd,kc et ks: coefficients de calage et d’ajustement
NE: nombre d’essieu équivalent6 : contrainte conduisant à la rupture en traction par flexion pour un million de cycles de chargement ;b : exposant de la loi de fatigue.
Critère de dimensionnement en fatigue
Deux méthodes pour déterminer 6 et b
Approche routière (2/2)
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NF‐P98‐232‐4
39 éprouvettes2 mois d’essai
NR f
log1
6 = 0.95*Rtb: valeur forfaitaire (‐1/15)
Courbe de fatigue pour un sable traité (Dac Chi, 1981)
METHODE FORFAITAIRE
METHODE EXPERIMENTALE
Problématique et plan de travail
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1. Connaître l’état de contrainte de la couche de forme
• Choix de la loi de comportement et de ses paramètres pour les sols traités.
• Modélisations numériques (CESAR‐LCPC et ViscoRoute© 2.0)
3. Connaître les performances à long terme des sols traités
Réalisation d’essais de fatigue sur des sols traités
2. Choix de l’essai pour reproduire cet état de contrainte
Comparaison des chemins de contrainte dans la couche de forme et ceux induits par des essais de laboratoire
Structure et chargement différents
Durée de vie de cent ans 6 8
Etat de contrainte différent30 Hz
Transposition de la démarche routière au ferroviaire?
Les performances en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ?
Performances mécaniques statiques des sols traités
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Compression simple
Traction indirecte
Matériau évolutif au cours du temps; Résistance à la compression de plusieurs MPa et une résistance à la traction 5 à 10 fois inférieures
= 0.2 à 0.3
Comportement mécanique des sols traités
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Comportement mécanique proche de l’élasticité linéaire à faible niveau de contrainte
Graphique contrainte‐déformation en compression pour une argile traitée à 20% de cendres volantes(Kolias et al., 2005).
Module d’élasticité compris entre 1000 et 10 000 MPa
argile + 20% de cendres volantes
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Couplage des modélisations?ETUDE PARAMETRIQUE
7 modules: 100, 500, 1000, 2000, 5000, 7000 et 10 000 MPa
Pour la couche de forme:
Modélisation du rail et des traverses impossible avec
ViscoRoute© 2.0
Répartition des charges sous les traverses avec un modèle éléments finis
CESAR‐LCPC
Etude des contraintes dans la structure avec
ViscoRoute© 2.0 pour l’ensemble des cas
OPTIMISER L’EPAISSEUR DE LA COUCHE DE FORME
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Paramètres de la modélisation éléments finis (CESAR‐LCPC)
Approche statique basée sur les travaux de Al Shaer
30 et 4
040 cm ‐ str130 cm ‐ str3
(Shaer, A.A., et al., 2008)
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Cas de chargement (CESAR‐LCPC)
Coefficient dynamique de 1.5 pour V = 300 km.h‐1
(Eisenmann 1977; Riessberger 1995)
Cas de chargement le plus défavorable (CESAR‐LCPC)
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Compression
Traction
L’application de la charge au centre d’une traverse est donc le cas le plus défavorable.Pour la suite seul le cas de chargement au centre de la traverse est étudié.
Répartition de la contrainte longitudinale xx dans la couche de forme
Sur la traverse Entre deux traverses
eCDF = 40 cmECDF = 5000 MPa
0.240 MPa 0.233 MPaContrainte de traction maximale
Répartition des contraintes sous les traverses (CESAR‐LCPC)
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Distribution de la charge sur les traverses Répartition de la charge sous les traverses les plus sollicitées dans le sens latéral
Z
X
Z
Y
Z
X
Y
Paramètres du modèle semi‐analytique (ViscoRoute© 2.0)
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Application de la répartitionde la charge déterminéeprécédemment directementà la surface du ballast
Comparaison des résultats des deux modèles
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Faible différence entre les deux modèles au niveau de la contrainte maximale
Le modèle ViscoRoute © 2.0 peut être utilisé pour étudier l’état de contrainte dans la
couche de forme
eCDF = 40 cmECDF = 10 000 MPa
La contrainte maximale est localisée au centre de la
traverse à la base de la couche de forme
Répartition des contraintes au droit du point de la contrainte maximale (ViscoRoute© 2.0)
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La valeur de la contrainte maximale est liée au module et son ordre de grandeur est comprise entre 0.1 à 0.4 MPa pour des modules allant de 1000 à 10 000 MPa
Abaque de la contrainte en fond couche en fonction du module et de l’épaisseur de la couche (ViscoRoute© 2.0)
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Chemins de contrainte dans la structure
a=1.49
18
eCDF = 40 cm ECDF = 5000 MPa
Chemin de contrainte indépendant du module et de l’épaisseur de la couche
de forme
Quel essai de laboratoire permet de reproduire ce chemin de contrainte?
Chemins de contrainte pour différents essais
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Flexion trapézoïdale
Flexion 3 et 4 points
Ces essais sont uni‐axiaux et ne permettent pas de
reproduire les chemins de contrainte dans la LGV
Il faut un essai bi‐axial
Matériaux traitésNF‐P98‐232‐4
ESSAIS NORMALISES
Mélanges bitumineuxNF‐EN 12697‐24
Chemin de contrainte pour l’essai de flexion bi‐axial
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L’essai BFT permet de reproduire les chemins de contrainte dans la LGV
(Kim et al., 2013)
Quels essais pour caractériser le comportement en fatigue ?
21
Essai normaliséEssai disponible
Plus proche de l’état de contrainte réel
APPROCHE ROUTIERE MODELISATION
Caractérisation géotechnique des matériaux
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Banc d’essai dédié à l’étude du béton
23
Eprouvette
Le banc d’essai doit être adapté aux sols traités
Liaison souplee = 7 mm
Capteur de force
Capteur de déplacement
Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (2/3)
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Premier problèmeConfection des éprouvettes
Moule pour la confection des éprouvettes
Gradient de densité pour une éprouvette de sol CSG
Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3)
25
Deuxième problèmeApplication de l’effort
Etude de la liaison souple
Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3)
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SolutionRedimensionnement de la lame souple
e = 1.5 mm
E = 1000 MPa
Deuxième problèmeApplication de l’effort
Béton Sol traité
Configuration de l’essai de flexion deux‐points adaptée aux sols traités
27Validation des modifications
Eprouvetteprotégée
Liaison souplee = 1.5 mm
Capteur de force Capteur de
déplacementAccéléromètre
CONFIGURATION ESSAI CYCLIQUE
Validation expérimentale de l’essai de flexion trapézoïdale
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Cas monotone:Chargement jusqu’à 50 daN à 10 N/s
Cas cyclique:Chargement sinusoïdale à 42 daN à 30 Hz
PROTOCOLE DE VALIDATION
Eprouvette de référence (E = 3300 MPa)
Validation expérimentale du cas monotone
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Module réel:E = 3300 MPaModule expérimentale:E = 3360 MPa
Répartition des contraintes conforme à l’analytique
Différence de ‐2.3%
Différence de 1.1%
Détermination du module d’élasticité avec précision
Validation expérimentale du cas cyclique
30
Module réel:E = 3300 MPaModule expérimentale:E = 3277 MPa
Répartition des contraintes conforme à l’analytique
Différence de 1.2% sur J3et de ‐6.0% sur J8
Différence de ‐0.7%
Détermination du module d’élasticité en cyclique avec
précision
Régime transitoire
Régime permanent
Courbes de fatigue en flexion deux‐points
31
CSG
Sol CSG Sol AD Sol ASE9/25 éprouvettes 10/18 éprouvettes 16/16 éprouvettesRf = 1.10 MPa Rf = 0.71 MPa Rf = 1.13 MPa E = 5704 MPa E = 4230 MPa E = 5068 MPa = 0.0291 = 0.0275 = 0.0305
8 = 0.53 MPa 8 = 0.29 MPa 8 = 0.49 MPa
Epaisseur de la couche de forme pour les trois sols traités
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6 = 0.95*Rt ?Sol CSG 6 = 1.74* RtSol AD 6 = 0.94* RtSol ASE 6 = 1.35* Rt
Dimensionnement de l’essai bi‐axial (contrainte)
33
ASTM 2009
Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959
DL /2 = 70 mm
Valeur pour r < DL/2
r (mm)
Dispositif d’essai pour l’essai bi‐axial
34
Etude expérimentale pour valider les hypothèses de calcul
Eprouvetteprotégée
Capteur de force + Accéléromètre
Capteurs de déplacement
Dispositif(s) d’appui
Validation expérimentale de l’essai bi‐axial
35
Cas monotone:Chargement‐déchargement de 0 à ‐1.5 kN
pour a = 0 et a =/4
Cas cyclique:Chargement sinusoïdale de ‐0.2 à ‐1.5 kN
à 5 Hz
PROTOCOLE DE VALIDATION
Dispositifs d’appuis:1. Aucun dispositif (référence)
2. Téflon‐néoprène (1.6 mm)‐Téflon (Kim et al., 2013)3. Néoprène (ASTM 2009)4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Validation expérimentale du cas monotone de l’essai bi‐axial (contrainte)
36
1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Cas 1 et 2 satisfaisant
Analytique: 62.8 µdefNumérique: 62.6 µdef
Cas Moyenne(µdef) Ecart type Différence
1 58 6.4 ‐7.6%
2 65.6 6.2 4.4%
3 65.6 27.3 4.4%
4 59.7 14.2 ‐4.6%
5 60.3 9.4 ‐4.0%
Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (contrainte)
37
1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Cas 1 correct Test d’autres dispositifs d’appuis
Analytique: 54.4 µdefNumérique: 54.3 µdef
Cas Moyenne(µdef) Ecart type Différence
1 46.7 2.2 ‐14.2%
2 50.6 8.9 ‐7.0%
4 50.2 6.2 ‐7.7%
5 46.9 6.3 ‐13.8%
Rupture des éprouvettes des essais monotones sur le sol CSG
38
Avec néoprène et téflon
Aucun dispositif
RfBFT = 1.05 MPa RfBFT = 1.21 MPa
Résultats des essais monotones
39
Rft = 1.13 MPa (0.05)
RfBFT = 0.96 MPa (0.11)
RfBFT = 0.85 Rft
Essai bi‐axial:
Trapèze:
ASE
Résultat en contradiction avec la littérature sur le béton et les céramiques
Courbe de fatigue pour le sol CSG
40
8 = 0.55 MPa
CSG
Conclusions
41
I°) Modélisation d’une structure ferroviaire
II°) Etude des chemins de contrainte
III°) Réalisation des campagnes expérimentales
A l’échelle du laboratoire les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont compatibles avec la
pérennité des ouvrages pour LGV
Perspectives
42
A court terme:
Perspectives
43
A court terme:
?
Perspectives
44
A court terme:
Extrait du GTR
6 ou 8 = Rt
Forfaitaire VS Expérimental
Perspectives
45
A moyen et long termes: "FABAC" (Fatigue du Béton Armé Continu)
46
MERCI DE VOTRE ATTENTION
Synthèse des essais mécaniques
47
Influence de l’évolution des caractéristiques mécaniques sur la contrainte en fond de couche de forme (approche empirique)
48
Méthodologie routière:6 = 0.8*0.95*Rit
Etude de la déflexion, définition des paramètres
49
Avec : n nombre d’éprouvettes testées en cyclique
Etude de la déflexion initiale
50
AD
ASE
CSG
Etude de la déflexion en fonction du nombre de cycle à la rupture
51
AD ASE
CSG CSG
52
Chemins de contrainte pour différents essais
53
Compression simple (UCS); Traction Directe (DTS); Compression diamétrale (IDTS)
Triaxial
54
Courbes de fatigue en flexion deux‐points
55
Rf = 1.10 MPa E = 5704 MPa8 = 0.53 MPa
AD ASE
CSG
Rf = 0.71 MPa E = 4230 MPa8 = 0.29 MPa
Rf = 1.13 MPa E = 4230 MPa8 = 0.49 MPa
Comparaison des approches empiriques et expérimentales
56
Rf = 1.10 MPa6 = 0.66 MPa‐1/ = 14.9
AD
ASE
CSG
Rf = 0.71 MPa6 = 0.44 MPa‐1/ = 15.8
Rf = 1.13 MPa6 = 0.65 MPa‐1/ = 14.2
METHODE EMPIRIQUE
METHODE EXPERIMENTALE
Rf = 1.8 à 2 * Rt6 = 0.95 * Rt‐1/ = 12
Rf = 0.68 à 0.76 MPa6 = 0.36 MPa
‐1/ = 12
Rf = 0.85 à 0.94 MPa6 = 0.45 MPa
‐1/ = 12
Rf = 0.86 à 0.96 MPa6 = 0.46 MPa
‐1/ = 12
Rf = 2.9 * Rt6 = 1.74 * Rt
Rf = 1.5 * Rt6 = 0.94 * Rt
Rf = 2.35 * Rt6 = 1.35 * Rt
RAPPORTSREELS
Rt = 0.38 MPa
Rt = 0.47 MPa
Rt = 0.48 MPa
La méthode empirique est très conservatrice
Cure différente pour le sol CSG
Répartition des contraintes dans la structure (ViscoRoute© 2.0)
57
eCDF = 40 cmECDF = 5000 MPa
Profondeur
La contrainte maximale est localisée au centre de la traverse à la base de la couche de forme
Dimensionnement de l’essai bi‐axial (déflexion)
58
ASTM 2009
Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959
DL = 140 mm
Valeur au centre de l’éprouvette
r (mm)
Validation expérimentale du cas monotone de l’essai de bi‐axial (déflexion)
59
1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Cas 1 et 5 satisfaisant
Moyenne
Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial (déflexion)
60
1. Aucun dispositif2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Aucun cas satisfaisant
Moyenne
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