Comportement hydromécanique de matériaux constitutifs de plateformes ferroviaires anciennes

Dans un contexte amenant à l’accroissement du trafic et à l’augmentation des vitesses de circulation sur les voies ferrées classiques qui représentent 94% (environ 30 000 km) des lignes ferroviaires exploitées sur le Réseau Ferré National, de nombreuses voies anciennes ont été modernisées, réparées ou remises en état. Les enquêtes préliminaires (Robinet, 2008) effectuées sur les voies anciennes en France ont montré que l’insuffisance de drainage est la cause principale de la dégradation des voies. Sous l’effet des sollicitations répétées des circulations, les eaux piégées provoquent le ramollissement progressif et irréversible des plates-formes ferroviaires; elles contribuent donc à la réduction de la portance qui se manifeste par l’altération du nivellement puis par des remontées boueuses. Afin de diminuer le degré de saturation et le temps de saturation des couches constitutives des plates formes ferroviaires, il est nécessaire de mettre en place systématiquement un système de drainage en déblai lors de l’amélioration des voies (SNCF, 2006) bien que ce système implique un investissement coûteux avec une recherche d’exutoire qui n’est pas toujours disponible et que la mise en œuvre de ces dispositifs amène d’importantes perturbations sur l’exploitation ferroviaire. Cependant, certaines plateformes anciennes en déblai sont dépourvues de dispositif de drainage et ne présentent pas pour autant de problèmes de stabilité et/ou de déformations préjudiciables aux circulations ferroviaires.

Sur les lignes classiques, une couche intermédiaire s’est naturellement mise en place pendant le processus de l’exploitation de la voie par l’interpénétration entre le sol support et le ballast sous l’action des circulations. Les rôles remplis par cette couche sont similaires à ceux attribués à la sous-couche mise en œuvre sur les lignes nouvelles (lignes à grandes vitesses – LGV) qui est construite d’après les caractéristiques définies dans les normes, les référentiels, les spécifications techniques de la SNCF (SNCF, 1995; SNCF, 1996b; SNCF, 2006). Pourtant, jusqu’à présent, on a encore très peu de connaissances sur la granulométrie, le comportement mécanique et hydraulique de cette couche ainsi que sur son influence sur le fonctionnement des plates-formes ferroviaires anciennes.

La SNCF exploite actuellement environ 32 000 km (SNCF, 2009a) de ligne ferroviaire dont presque 94% de lignes dites « classiques » et 6% seulement de lignes dites « nouvelles » ou Lignes à Grande Vitesse (LGV).

Les lignes classiques ou les voies anciennes, construites avant les années 1980, permettent une vitesse maximale de circulation de 220 km/h. Lors de leur construction, une couche de ballast a été posée directement sur le sol support ou sur une couche de fondation utilisant les matériaux régionaux. On dispose de peu d’informations concernant les caractéristiques des constituants des plates-formes des ces lignes.

Les LGV sont des lignes ferroviaires construites pour permettre la circulation de trains à grande vitesse, supérieure à 220 km/h. Notons qu’à l’origine, la notion de grande vitesse était donnée pour des vitesses au-delà de 200 km/h. La première ligne de ce type a été mise en service au Japon en 1964. En France, la première ligne (Paris – Lyon) a été construite en 1974 et inaugurée en 1981. Les règles de dimensionnement ainsi que les caractéristiques requises pour les différents constituants ont été mis au point pour la construction des LGV.

Chaque constituant de la voie joue un rôle primordial dans la stabilité de la voie. Les rails assurent le support vertical des roues des véhicules et guide les roues dans le sens transversal. Il est soumis à diverses sollicitations : charges statiques et dynamiques, chocs produits au franchissement des joints ou de défauts géométriques, efforts longitudinaux par les accélérations ou par les freinages, efforts thermiques. Le rail est fixé sur les blochets des traverses par l’intermédiaire des attaches .

Le système d’attache rail-traverse assure la fixation du rail sur la traverse. Il assure une élasticité aussi bien dans le sens vertical que dans le sens horizontal. Une semelle d’élastomère cannelée de 9 mm d’épaisseur est posée entre le rail et la traverse afin de permettre l’absorption des vibrations dans le rail.

Les traverses permettent la transmission des charges du rail au ballast, le maintien de l’écartement des deux files de rails et le maintien de l’inclinaison au 1/20 du rail. Les traverses en bois originelles sont à présent remplacées par les traverses en béton armé (monobloc ou bi-blocs) pour des raisons de coût, de performance et de durée de vie. La distance entre deux traverses consécutives est de 0,6 m.

La couche de ballast est une couche d’agrégats minéraux grossiers concassés répondant à des critères de qualité portant essentiellement sur la pétrographie, la morphologie des grains ainsi que la dureté, la propreté et les propriétés d’altérabilité. Par le passé, on a pu utiliser d’autres matériaux plus friables comme le calcaire ou des matériaux roulés. Au début de l’exploitation des premières lignes à grande vitesse, les normes de dureté et de résistance à la fragmentation ont été renforcées pour limiter la détérioration du ballast (AFNOR, 2003; Cholet et al., 2006).

D’après SNCF (2007), les fonctions de la couche de ballast sont :
– la répartition des charges et l’amortissement des efforts dynamiques engendrés par les circulations ;
– la stabilité longitudinale et transversale de la voie ;
– le drainage et l’évacuation rapide des eaux de pluie.

De plus, le ballast permet la rectification très rapide du nivellement et du tracé des voies au moyen du bourrage-dressage mécanisé. La classe du ballast neuf est de 31,5/50 (anciennement 25/50). L’épaisseur de la couche de ballast, comprise entre 150 mm et 350 mm, dépend du type de traverse, de la vitesse des trains et du groupe UIC (Union Internationale des Chemins de Fer) de la ligne ferroviaire (SNCF, 2007). Les autres caractéristiques du ballast sont conformes à la norme NF EN 13450 (AFNOR, 2003) et au Référentiel Infrastructure IN0274 (SNCF, 2007). La plate-forme ferroviaire est la structure sur laquelle repose le ballast. La plate-forme ferroviaire des lignes classiques est différente de celle des LGV. Pour les lignes classiques, pendant leur construction, le ballast a été directement posé sur le sol support. Après plusieurs années d’exploitation, les charges répétées des trains, les opérations d’entretien des voies et les variations climatiques ont modifié la plate forme.