Rôle de la couche intermédiaire dans le potentiel de la voie ferrée

Aujourd’hui, le réseau ferroviaire exploité en France compte environ 29 100 km de voies anciennes dites « lignes classiques » et 2 020 km de Lignes à Grande Vitesse (LGV). Le Groupe Public Ferroviaire (GPF – Fusion de RFF et SNCF) doit garantir un service efficace et parfaitement sûr de ce réseau tout en faisant face d’une part, à une demande croissante en capacité de charge (charge sur essieu et fréquence des trains) et d’autre part, à une exigence de maîtrise des coûts de fonctionnement. Suite
aux engagements du contrat de performance État — RFF (audit de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2008-2012), le GPF est amené à accroitre le taux annuel de renouvellement pour passer de 400 km/an à près de 1 000 km/an (2016 – dont 550 km traité par suite rapide). Cette modernisation du réseau doit également être accompagnée d’une réduction de 15 % en euros du coût moyen du km de renouvellement des voies sur lignes classiques. Une étude récente menée sur un échantillon de voies renouvelées a montré que la fondation (plateforme) de la voie pouvait être à « l’origine » de dysfonctionnements sur 5 % du linéaire venant d’être renouvelé. Comme le coût de renouvellement d’un kilomètre de voie (ballast, traverse et rail) est d’environ un million d’euros, il est important d’être en capacité de fiabiliser ces travaux afin de rentabiliser l’investissement (cela sans prendre en compte le coût ultérieur de maintenance (bourrage)).

La connaissance de la qualité de la structure d’assise et sa capacité à accepter un chargement donné (identique, augmentation de la charge à l’essieu et/ou de la vitesse) est primordiale pour fiabiliser les opérations de Renouvellement de Voie et Ballast. L’objectif de cette thèse sur travaux est de déterminer « le rôle de la couche intermédiaire dans le potentiel de la voie ferrée ». Pour cela, je m’appuierai sur les travaux de thèses de messieurs Trinh (2011), Duong (2013), Lamas-Lopez (2016) afin de décrire le comportement hydromécanique de la couche intermédiaire. En effet leur travaux ont permis de mettre en lumière les aspects suivant dans le fonctionnement de la couche intermédiaire :
– Trinh (2011) a étudié le comportement hydromécanique de la couche intermédiaire. L’objectif de sa thèse était de caractériser une couche intermédiaire, que l’on rencontre sur les lignes classiques françaises, ne présentant pas de défaut mécanique (portance). Ces travaux ont consisté, dans un premier temps, en la caractérisation d’un matériau de couche intermédiaire prélevé sur une ligne située dans l’Est de la France sur la commune de Sénissiat ; puis dans un second temps, en l’étude du comportement hydro-dynamique du matériau.

Cette thèse a permis de procéder à une identification du matériau de couche intermédiaire pour mieux comprendre son origine et son comportement. Ces essais ont mis en évidence que la couche intermédiaire contenait pour moitié (42/48 %) des éléments de granulométrie assimilable au ballast, une grande part de produit de dégradation (36/42 %) et 16 % de fines. De plus, on a mis en avant qu’une partie des fines contenues dans la couche intermédiaire provenait du sol support, classé A2 d’après la réalisation d’analyses GTR. Ces deux facteurs indiquent que la couche intermédiaire s’est formée par interpénétration entre le ballast et le sol support. Quant aux densités mesurées, on a pu établir en laboratoire que la densité obtenue in situ est comparable à la valeur de densité de compactage demandée lors de chantier à savoir q1 (100% de l’OPM). Enfin ces travaux ont confirmé que la couche intermédiaire remplit les fonctions essentielles qui incombent à la sous-couche sur les voies nouvelles à savoir : assurer la filtration/drainage du sol support vis-à-vis de la plateforme ; protéger le sol support et garantir une meilleure répartition des charges transmises.

– Duong (2013) a réalisé une étude sur le comportement de la couche intermédiaire en faisant varier les paramètres de teneur en eau et de la teneur en fines au sein de massif de sol testé et de déterminer l’impact de ces variables sur le comportement du sol. Cette thèse s’est déroulée en trois parties. La première a consisté en une analyse des défauts de voie sur l’ensemble du réseau pour déterminer l’impact des problèmes de plateforme sur la géométrie de la voie. Cette analyse s’est également basée sur l’étude d’un tronçon de ligne situé dans l’Ouest de la France ayant fait l’objet d’un renouvellement de voie et étant à nouveau sujet à des défauts de géométrie. Puis, Duong a poursuivi les travaux de Trinh sur l’étude du comportement mécanique de la couche intermédiaire, en faisant varier la teneur en fines du milieu et la teneur en eau. En parallèle, la conductivité du milieu a également été analysée en augmentant la quantité de fines. Enfin, Duong a étudié le mécanisme de formation de la couche intermédiaire et le processus mécanique qui gouverne le phénomène de remontée de fines.

– Lamas-Lopez (2016) a réalisé des travaux sur l’effet de la vitesse sur le comportement de la structure d’assise. Pour ce faire, il s’est appuyé sur une instrumentation in-situ près de Vierzon (centre de la France), sur une campagne d’essais réalisée à l’aide d’un train d’essai de l’Agence d’Essai Ferroviaire (AEF) et sur des essais de laboratoire. Les essais réalisés in-situ, ainsi que les trains commerciaux circulant sur le site, ont permis d’obtenir un grand nombre d’informations sur le comportement d’une structure de voie ferrée sollicitée par des convois différents en termes de masse à l’essieu et de vitesse. Les essais de laboratoire avaient pour objectif de solliciter un échantillon de couche intermédiaire témoin à différentes conditions (teneur en eau, confinement…) et de relier le comportement de ce matériau modèle avec celui observé sur le site de Vierzon.

Les travaux réalisés jusqu’à présent ont mis en évidence le fonctionnement intrinsèque de la couche intermédiaire par le biais d’analyses de laboratoire et d’essais in-situ. Cependant, la relation entre le comportement mécanique et celui de la voie ferrée n’avait pu être étudiée dans les travaux de thèse précédemment réalisés. Afin de répondre à cette interrogation qui est de connaître le rôle de la couche intermédiaire, mais au-delà de la structure d’assise, dans le comportement de la voie ferrée, je présenterai dans un premier temps un état des lieux de la voie ferrée en décrivant sa constitution, la méthodologie d’évaluation de sa qualité et enfin en présentant un cas d’étude. Dans un second temps, je m’attacherai à présenter les méthodes de dimensionnement des structures d’assise appliquées à la voie ferrée, ainsi que la constitution de la couche intermédiaire. La partie centrale de ce mémoire présentera le processus de formation de la couche intermédiaire, son fonctionnement hydromécanique, et enfin le comportement de celle-ci face à des sollicitations hétérogènes (masse et/ou vitesse). Enfin, je proposerai une nouvelle approche de dimensionnement de la structure d’assise en prenant en compte le potentiel mécanique de la couche intermédiaire dans un environnement donné afin d’être en capacité de déterminer si les travaux de RVB nécessitent la réfection des structures d’assise afin de rendre pérenne les travaux de voie. Nous entendons ici par pérenne le fait que durant la durée de vie théorique des travaux (40 ans pour la voie) il n’y ait pas d’effort de maintenance plus important que ce que la théorie requière.Pour cela l’approche s’appuiera sur l’utilisation de nouveaux outils de caractérisation de la structure d’assise (géoradar et panda/endoscope) développés au cours de la dernière décennie pour une application ferroviaire dont les investigations sont réalisés préalablement aux travaux de renouvellement de voie, sur une approche mécanique permettant de déterminer le module élastique nécessaire à la couche intermédiaire (en fonction de son épaisseur) pour reprendre un chargement donnée, et sur une étude statistique de l’effort de maintenance moyen sur les lignes UIC 3 & 4. Enfin, pour conclure ces travaux afin d’avoir une approche globale du problème et notamment l’impact des travaux de réfection de structure d’assise sur l’exploitation commerciale des tronçons, je présenterai des solutions permettant d’optimiser l’investissement et de s’assurer de la pérennité des travaux.