VERS UNE NOUVELLE APPROCHE DE DIMENSIONNEMENT DES STRUCTURES D’ASSISE FERROVIAIRES

Analyse du comportement mécanique de la couche intermédiaire

L’analyse du comportement mécanique de la couche intermédiaire est basée sur la vérification du comportement mécanique de celle-ci à l’aide du logiciel de dimensionnement routier Alizé (LCPC, 1998). Le choix de ce logiciel, validé dans le domaine routier, pour déterminer les propriétés de la couche intermédiaire (module de Young, épaisseur) nécessaire pour accepter un trafic donné, a été fait car il permet de tenir compte du trafic, mais également de la nature des matériaux mis en œuvre. Ce logiciel permet d’avoir une approche rationnelle du dimensionnement à la différence d’autres méthodes utilisées dans le mode qui privilégie une approche empirique. Nous pouvons par exemple citer la méthode anglaise DMRB (Design Manual for Road and Bridges) qui est basée sur la valeur CBR (Californian Bearing Ratio) ; la méthode américaine AASHO (Américan Association of State Highway Officials) qui base son dimensionnement sur la qualité de service, perçue par les usagés. Ces méthodes atteignent rapidement leurs limites du fait de l’impossibilité de réaliser des dimensionnements  pour des matériaux ou configurations qui n’entrent pas dans le cadre de retour d’expérience préalablement effectué. C’est pour cela que la modélisation mécanique répond aux problèmes soulevés dans le cadre de ce mémoire. Il est à noter également que ce logiciel Alizé a déjà été utilisé par la SNCF pour dimensionner des structures ferroviaires. Les résultats de modélisations obtenus, ont été comparés aux résultats de modélisations 3D (CESAR LCPC). L’écart de résultats obtenu entre ces deux logiciels a été considéré comme acceptable pour que Alizé soit utilisé en ingénierie ferroviaire. De plus, la faible quantité de données d’entrée nécessaires au dimensionnement (module de Young, trafic) et le temps de calcul permettent d’obtenir des informations fiables rapidement, ce qui est bien adapté aux besoins d’ingénierie. 

Approche de dimensionnement Alizé

Le logiciel Alizé permet de déterminer les contraintes engendrées dans la chaussée par une charge. Ce logiciel se base sur le modèle multicouches de Burmister (Perret, 2004) qui décrit la structure de chaussée comme étant une superposition de couches à comportement élastique linéaire, homogène, isotrope, d’épaisseur donnée et dont les interfaces sont soit collées, soit décollées, soit glissantes. Ces couches surmontent une couche de sol d’épaisseur infinie (Figure VI.1). La charge appliquée à la surface de la structure est modélisée par disque de rayon r exerçant une pression uniforme q. Figure VI.1 : Modèle de Burmister (Perret, 2004) Le modèle restitue ainsi les tenseurs de contrainte et de déformation à l’intérieur des couches modélisées, qui sont comparés aux contraintes et déformations maximales admissibles par la structure de chaussée. Ces données sont obtenues après avoir caractérisé le trafic équivalent circulant annuellement (trafic moyen journalier TMJ) sur la structure et la durée de vie souhaitée de la chaussée étudiée (Chap. I.3.a). Dans le cas des matériaux non traités, la vérification porte sur le comportement « Rôle de la couche intermédiaire dans le potentiel de la voie ferrée »  de deux matériaux non traités, la couche intermédiaire et le sol support. Dans ce cas, le dimensionnement de la structure de chaussée est réalisé vis-à-vis du risque d’orniérage du support, en limitant sa déformation verticale εz (SETRA, 1994). Ainsi, au vu des paramètres nécessaires au dimensionnement des structures de chaussée, il convient de connaître le module de Young (E) de la couche intermédiaire ainsi que son épaisseur. Seul ces deux paramètres sont nécessaires étant donné que la classe de portance du sol support est donnée par la qualité de sol définie par les référentiels SNCF à savoir Si. a. Apport des nouveaux outils dans la caractérisation mécanique de la CI Comme nous avons vu précédemment, la détermination des épaisseurs de couche et de son module élastique est essentielle pour appréhender le comportement de la couche intermédiaire à la déformation permanente et ainsi sa capacité à accepter un trafic donné. Pour ce faire, il est nécessaire d’utiliser des outils de faible encombrement permettant d’obtenir ces informations sans avoir à déposer la voie pour minimiser l’impact des reconnaissances sur l’exploitation commerciale. Depuis les années 2010, la SNCF a travaillé au développement d’un nouveau dispositif permettant de diagnostiquer la structure d’assise. Le choix s’est porté sur l’utilisation couplée du géoradar et du Panda-endoscope pour caractériser l’état de la structure d’assise. Le géoradar de surface renseigne sur l’état du ballast et de la plateforme en continu, et le Panda-Endoscope caractérise les épaisseurs des couches en présence ainsi que la résistance de pointe (qd) des matériaux traversés. L’essai PANDA, pénétromètre dynamique à énergie variable, est réalisé conformément à la norme XP P 94 – 105 (AFNOR – 2000b). Il consiste à enfoncer au marteau, dans le sol, un train de tiges terminé par une pointe. A chaque battage, le PANDA mesure l’énergie de frappe apportée au système et la profondeur d’enfoncement de la pointe. Ces deux paramètres permettent de calculer la résistance du sol à l’aide de la formule des Hollandais (Équation VI-1) : ed = ] K %q′$K + ‘ Équation VI-1 Avec : qd est la résistance de pointe ; E l’énergie apportée ; M la masse frappante ; A la section de la pointe en m² ; e’ l’enfoncement ; P la masse de la tête de battage + tige + pointe. Les conditions permettant de rendre cette formule applicable sont: le sol est considéré comme ayant un comportement plastique parfait ; le frottement latéral le long de la tige est négligeable ; enfin toute l’énergie est transmise à la pointe par le dispositif de battage. 

Analyse des données de géométrie de la voie

Dans le chapitre précédent, on a analysé, par le biais de l’approche de dimensionnement routier, les caractéristiques mécaniques nécessaires à la couche intermédiaire pour que celle-ci puisse être en capacité de rependre un trafic défini. Dans le cadre d’une opération de renouvellement de voie, il est primordial de connaître l’état de la voie, c’est-à-dire, si le tronçon à renouveler fait l’objet d’une maintenance plus importante que ce que les standards de la ligne définissent. Il convient donc de décider ce qu’est le standard de maintenance pour un groupe de ligne donné. 1. Détermination de la loi théorique Historiquement, Maumy-Cochet (1979) avaient défini le coefficient d’entretien des assises k (chapitre I) comme étant la relation entre la longueur bourrée sur le tronçon, rapportée à la longueur théorique (k=L/Lm). Ce paramètre devait permettre, en fonction de l’âge de la voie et du standard de maintenance que l’on visait, de déterminer le nombre de bourrages nécessaires pour maintenir le tronçon et d’une loi théorique. Cette approche a été définie pour des standards de maintenance qui étaient la norme à la fin des années 70. En effet, le réseau était encore constitué de barres normales qui nécessitaient une   maintenance particulière et les opérations de soufflage étaient également présentes. L’avènement du LRS a modifié les pratiques de maintenance, il est donc légitime de regarder son effet sur le coefficient k. Cette partie a pour objectif de déterminer si la loi telle que déterminée par Maumy-Cochet est toujours valide ou s’il est nécessaire d’en déterminer une nouvelle. Pour ce faire, on a utilisé les nouveaux outils disponibles à savoir la base de données Timon2. Cette base concatène de façon quasi exhaustive l’ensemble des opérations de maintenance réalisées au cours de la vie de la voie. L’objectif de cette partie est d’étudier sur les groupes UIC 3 et 4 l’effort de maintenance moyen permettant de statuer sur l’état du tronçon pour adapter les opérations de maintenance/régénération au juste besoin. d. Détermination des informations pertinentes Comme on a vu en introduction, il est nécessaire de déterminer l’état de maintenance du tronçon par rapport au standard commun. Le principal problème réside dans le fait qu’actuellement on ne connait pas réellement l’effort de maintenance moyen réalisé pour un groupe de lignes donné. Il est donc nécessaire de le définir pour pouvoir mener à bien cette analyse. Les évolutions de la technique et de la maintenance font que la SNCF dispose depuis la fin des années 1990 d’une base de données de maintenance TIMON 2. Ce logiciel recense sur l’ensemble des lignes du RFN, pour la partie infrastructure, l’ensemble des opérations réalisées sur les voies, qu’elles soient d’ordre de renouvellement de composant (ballast, traverse, rail) ou liées à la maintenance (bourrage, meulage, etc.). Il est à noter toutefois que les opérations intégrées dans cette base de données sont du ressort du personnel réalisant les travaux. Il est ainsi possible que certaines opérations (principalement ponctuelles) soient réalisées sans que le logiciel ne soit renseigné faussant ainsi légèrement les résultats. Le travail réalisé consiste à analyser, pour l’ensemble des tronçons d’un groupe UIC donné, d’une longueur minimale de 1 500 m, l’effort de maintenance depuis le dernier RVB. Cette longueur de tronçon est considéré comme étant suffisamment représentative, avec 2 500 échantillons (représentant en cumulé 50% du linéaire de voie des groupes UIC 2 à 6). De plus, cette longueur suffisante permet d’avoir sur un même renouvellement des configurations de voie différentes (déblai/remblai, courbe/alignement, rampe/pente, etc.) mais également une homogénéité dans la méthodologie de travail (travaux mécanisés dits « suite rapide »). Ainsi, on peut considérer les informations comme fiables, à la réserve près mentionnée ci-dessus, depuis les années 1998-99. Il est donc nécessaire de n’intégrer les données qu’à partir de cette date lors de l’analyse. De ce fait, il n’est pas possible de prendre en compte l’ensemble des informations.