Soutenance de la thèse présentée par Mathieu Preteseille le 27 mars 2014 à l'Ifsttar de Nantes

1. hydrauliques dans les plates‐formes des structures ferroviaires pour LGV.
Modélisations numérique et expérimentale de leur comportement.
1
Comportement à la fatigue mécanique des sols traités aux liants
Mathieu Preteseille
27/03/14
Directeur de thèse: Pierre Hornych
Encadrant: Thomas Lenoir
Thierry Dubreucq
Référents RFF: Olivier Cazier
Alain Ducreau

2. Présentation du contexte
2
Carte de France des projets ferroviaires (2013)
Objectif: rationnaliser le cout économique et environnemental

3. 3
Caractéristiques d’une plate‐forme LGV
Profil en travers type LGV (IN3278)
Emploi des sols traités pour la couche de forme des LGV
Les performances mécaniques en fatigue des sols traités sont elles
compatibles avec la pérennité des ouvrages pour LGV ?
Transposition de la démarche routière au ferroviaire?

4. Approche routière (1/2)
Critère de dimensionnement en fatigue
NE: nombre d’essieu équivalent
6 : contrainte conduisant à la rupture en
traction par flexion pour un million de cycles
de chargement ;
b : exposant de la loi de fatigue.
4
Ligne d'influence de la contrainte
longitudinale au point A (Dac Chi, 1981)
kr,kd,kc et ks: coefficients de calage et
d’ajustement
Deux méthodes pour déterminer 6 et b

5. Approche routière (2/2)
5
METHODE EXPERIMENTALE
NF‐P98‐232‐4
39 éprouvettes
2 mois d’essai
N
Rf
1  log

 
Courbe de fatigue pour un sable traité (Dac Chi, 1981)
6 = 0.95*Rt
b: valeur forfaitaire (‐1/15)
METHODE FORFAITAIRE

6. Problématique et plan de travail
6
Transposition de la démarche routière au ferroviaire?
Etat de contrainte différent
Structure et chargement différents
Durée de vie de cent ans 6 8
Les performances en fatigue des sols traités sont elles compatibles avec la
pérennité des ouvrages pour LGV ?
1. Connaître l’état de contrainte de la couche de forme
30 Hz
• Choix de la loi de comportement et de ses paramètres pour les
sols traités.
• Modélisations numériques (CESAR‐LCPC et ViscoRoute© 2.0)
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
3. Connaître les performances à long terme des sols traités
Réalisation d’essais de fatigue sur des sols traités

7. Performances mécaniques statiques des sols traités
7
Compression simple
Traction indirecte
 = 0.2 à 0.3
Matériau évolutif au cours du temps; Résistance à la compression de
plusieurs MPa et une résistance à la traction 5 à 10 fois inférieures

8. Comportement mécanique des sols traités
8
argile + 20% de
cendres volantes
Graphique contrainte‐déformation en compression pour une argile traitée à 20% de cendres volantes
(Kolias et al., 2005).
Comportement mécanique
proche de l’élasticité linéaire à
faible niveau de contrainte
Module d’élasticité compris
entre 1000 et 10 000 MPa

9. 9
Couplage des modélisations?
ETUDE PARAMETRIQUE
Pour la couche de forme:
7 modules: 100, 500, 1000, 2000, 5000, 7000 et 10 000 MPa
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

10. 10
Paramètres de la modélisation éléments finis (CESAR‐LCPC)
Approche statique basée
sur les travaux de Al Shaer
30 et 40
40 cm ‐ str1
30 cm ‐ str3
(Shaer, A.A., et al., 2008)

11. 11
Cas de chargement (CESAR‐LCPC)
Coefficient dynamique de
1.5 pour V = 300 km.h‐1
(Eisenmann 1977; Riessberger 1995)

12. Cas de chargement le plus défavorable (CESAR‐LCPC)
12
Répartition de la contrainte longitudinale xx dans la couche de forme
Compression
Traction
eCDF = 40 cm
ECDF = 5000 MPa
Sur la traverse Entre deux traverses
Contrainte de traction 0.240 MPa 0.233 MPa
maximale
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.

13. Répartition des contraintes sous les traverses (CESAR‐LCPC)
13
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

14. Paramètres du modèle semi‐analytique (ViscoRoute© 2.0)
14
Application de la répartition
de la charge déterminée
précédemment directement
à la surface du ballast

15. Comparaison des résultats des deux modèles
eCDF = 40 cm
ECDF = 10 000 MPa
Faible différence entre les
deux modèles au niveau de
la contrainte maximale
La contrainte maximale est
localisée au centre de la
traverse à la base de la couche
de forme
Le modèle ViscoRoute © 2.0
peut être utilisé pour étudier
l’état de contrainte dans la
15
couche de forme

16. Répartition des contraintes au droit du point de la contrainte
maximale (ViscoRoute© 2.0)
16
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

17. Abaque de la contrainte en fond couche en fonction du module et
de l’épaisseur de la couche (ViscoRoute© 2.0)
17

18. 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?

19. Chemins de contrainte pour différents essais
19
Flexion trapézoïdale
Flexion 3 et 4 points
ESSAIS NORMALISES
Matériaux traités
NF‐P98‐232‐4
Mélanges bitumineux
NF‐EN 12697‐24
Ces essais sont uni‐axiaux et
ne permettent pas de
reproduire les chemins de
contrainte dans la LGV
Il faut un essai bi‐axial

20. Chemin de contrainte pour l’essai de flexion bi‐axial
20
(Kim et al., 2013)
L’essai BFT permet de reproduire les chemins de contrainte dans la LGV

21. Quels essais pour caractériser le comportement en fatigue ?
21
APPROCHE ROUTIERE MODELISATION
Essai normalisé
Essai disponible
Plus proche de l’état de
contrainte réel

22. Caractérisation géotechnique des matériaux
22

23. Banc d’essai dédié à l’étude du béton
23
Liaison souple
e = 7 mm
Eprouvette
Capteur de
force
Capteur de
déplacement
Le banc d’essai doit être adapté aux sols traités

24. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (2/3)
24
Premier problème
Confection des éprouvettes
Moule pour la confection
des éprouvettes
Gradient de densité pour une
éprouvette de sol CSG

25. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3)
25
Deuxième problème
Application de l’effort
Etude de la liaison souple

26. Adaptations de l’essai de flexion deux‐points aux sols traités (3/3)
26
Solution
Redimensionnement de la lame souple
e = 1.5 mm
E = 1000 MPa
Deuxième problème
Application de l’effort
Béton Sol traité

27. Configuration de l’essai de flexion deux‐points adaptée aux sols
traités
Liaison souple
e = 1.5 mm
Capteur de
force Capteur de
Eprouvette
protégée
Accéléromètre déplacement
CONFIGURATION ESSAI CYCLIQUE
Validation des modifications 27

28. Validation expérimentale de l’essai de flexion trapézoïdale
28
Cas monotone:
PROTOCOLE DE VALIDATION
Chargement jusqu’à 50 daN à 10 N/s
Cas cyclique:
Chargement sinusoïdale à 42 daN à 30 Hz
Eprouvette de référence (E = 3300 MPa)

29. Validation expérimentale du cas monotone
Différence de ‐2.3%
Répartition des contraintes
conforme à l’analytique
29
Module réel:
E = 3300 MPa
Module expérimentale:
E = 3360 MPa
Différence de 1.1%
Détermination du module
d’élasticité avec précision

30. Validation expérimentale du cas cyclique
Différence de 1.2% sur J3
et de ‐6.0% sur J8
Répartition des contraintes
conforme à l’analytique
30
Module réel:
E = 3300 MPa
Module expérimentale:
E = 3277 MPa
Différence de ‐0.7%
Détermination du module
d’élasticité en cyclique avec
précision
Régime
permanent
Régime
transitoire

31. Courbes de fatigue en flexion deux‐points
31
CSG
Sol CSG Sol AD Sol ASE
9/25 éprouvettes 10/18 éprouvettes 16/16 éprouvettes
Rf = 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

32. Epaisseur de la couche de forme pour les trois sols traités
32
6 = 0.95*Rt ?
Sol CSG 6 = 1.74* Rt
Sol AD 6 = 0.94* Rt
Sol ASE 6 = 1.35* Rt

33. Dimensionnement de l’essai bi‐axial (contrainte)
33
Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959
ASTM 2009
DL /2 = 70 mm
Valeur pour r < DL/2
r (mm)

34. Dispositif d’essai pour l’essai bi‐axial
Capteur de force
+ Accéléromètre
Eprouvette
protégée
34
Capteurs de
déplacement
Dispositif(s)
d’appui
Etude expérimentale pour valider
les hypothèses de calcul

35. 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

36. Validation expérimentale du cas monotone de l’essai bi‐axial
(contrainte)
(μdef) Ecart type Différence
36
1. Aucun dispositif
2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène
4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Analytique: 62.8 μdef
Numérique: 62.6 μdef
Cas Moyenne
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%
Cas 1 et 2 satisfaisant

37. Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial
(contrainte)
(μdef) Ecart type Différence
37
1. Aucun dispositif
2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène
4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Analytique: 54.4 μdef
Numérique: 54.3 μdef
Cas Moyenne
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%
Cas 1 correct
Test d’autres dispositifs d’appuis

38. Rupture des éprouvettes des essais monotones sur le sol CSG
38
RfBFT = 1.05 MPa RfBFT = 1.21 MPa
Avec néoprène et téflon
Aucun dispositif

39. Résultats des essais monotones
39
RfBFT = 0.96 MPa (0.11)
Rft = 1.13 MPa (0.05)
RfBFT = 0.85 Rft
Essai bi‐axial:
Trapèze:
ASE
Résultat en contradiction
avec la littérature sur le
béton et les céramiques

40. Courbe de fatigue pour le sol CSG
40
CSG
8 = 0.55 MPa

41. 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

42. Perspectives
42
A court terme:

43. Perspectives
43
A court terme:
?

44. Perspectives
44
A court terme:
Forfaitaire VS Expérimental
6 ou 8 =  Rt
Extrait du GTR

45. Perspectives
45
A moyen et long termes: "FABAC" (Fatigue du Béton Armé Continu)

46. 46
MERCI DE VOTRE ATTENTION

47. Synthèse des essais mécaniques
47

48. 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

49. Etude de la déflexion, définition des paramètres
49
Avec : n nombre d’éprouvettes testées en cyclique

50. Etude de la déflexion initiale
50
AD
ASE
CSG

51. Etude de la déflexion en fonction du nombre de cycle à la
rupture
51
CSG CSG
AD ASE

52. 52

53. Chemins de contrainte pour différents essais
53
Compression simple (UCS); Traction Directe (DTS); Compression diamétrale (IDTS)
Triaxial

54. 54

55. Courbes de fatigue en flexion deux‐points
55
Rf = 1.10 MPa E = 5704 MPa
8 = 0.53 MPa
CSG
Rf = 0.71 MPa E = 4230 MPa
8 = 0.29 MPa
AD ASE
Rf = 1.13 MPa E = 4230 MPa
8 = 0.49 MPa

56. Comparaison des approches empiriques et expérimentales
56
Rf = 1.10 MPa
6 = 0.66 MPa
‐1/ = 14.9
CSG
AD
ASE
Rf = 0.71 MPa
6 = 0.44 MPa
‐1/ = 15.8
Rf = 1.13 MPa
6 = 0.65 MPa
‐1/ = 14.2
METHODE
EMPIRIQUE
METHODE
EXPERIMENTALE
Rf = 1.8 à 2 * Rt
6 = 0.95 * Rt
‐1/ = 12
Rf = 0.68 à 0.76 MPa
6 = 0.36 MPa
‐1/ = 12
Rf = 0.85 à 0.94 MPa
6 = 0.45 MPa
‐1/ = 12
Rf = 0.86 à 0.96 MPa
6 = 0.46 MPa
‐1/ = 12
RAPPORTS
REELS
Rf = 2.9 * Rt
6 = 1.74 * Rt
Rf = 1.5 * Rt
6 = 0.94 * Rt
Rf = 2.35 * Rt
6 = 1.35 * Rt
Rt = 0.38 MPa
Rt = 0.47 MPa
Rt = 0.48 MPa
La méthode empirique est très conservatrice
Cure différente
pour le sol CSG

57. Répartition des contraintes dans la structure (ViscoRoute© 2.0)
eCDF = 40 cm
ECDF = 5000 MPa
57
Profondeur
La contrainte maximale est localisée au centre de la traverse à
la base de la couche de forme

58. Dimensionnement de l’essai bi‐axial (déflexion)
58
Timoshenko and Woinowsky‐Krieger 1959
ASTM 2009
DL = 140 mm
Valeur au centre de l’éprouvette
r (mm)

59. Validation expérimentale du cas monotone de l’essai de bi‐axial
(déflexion)
59
1. Aucun dispositif
2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène
4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Cas 1 et 5 satisfaisant
Moyenne

60. Validation expérimentale du cas cyclique de l’essai bi‐axial
(déflexion)
60
1. Aucun dispositif
2. Téflon‐néoprène‐Téflon
3. Néoprène
4. Téflon‐carton‐Téflon
5. Téflon
Aucun cas satisfaisant
Moyenne