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Dimensionnement dune assise de chaussee a` base dun
sol lateritique traite au ciment a` differents dosages
Emmanuel MENGUE, Hussein Mroueh, Laurent Lancelot, Robert
MEDJO
EKO
To cite this version:
Emmanuel Mengue, Hussein Mroueh, Laurent Lancelot, Robert Medjo
Eko. Dimensionnementdune assise de chaussee a` base dun sol
lateritique traite au ciment a` differents dosages. Ren-contres
Universitaires de Genie Civil, May 2015, Bayonne, France.
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Dimensionnement d'une assise de chausse base d'un sol latritique
trait au ciment diffrents dosages
Emmanuel Mengue1, 2
, Hussein Mroueh1, Laurent Lancelot
1, Robert Medjo Eko
2
1 Universit Lille 1, PolytechLille, Laboratoire de Gnie Civil et
Go-Environnement, Lille Nord de France,
Cit Scientifique 59655 Villeneuve d'Ascq Cedex
([email protected], [email protected],
[email protected])
2 Universit de Yaound 1, Facult des Sciences, Laboratoire de
Gologie de lIngnieur et dAlterologie,
BP. 812 Yaound, Cameroun.
([email protected])
RSUM. Cette communication prsente deux approches de
dimensionnement dune structure de chausse. Il sagit de
dimensionner une assise de chausse base dun sol latritique trait
au ciment diffrents dosages (3%, 6% et 9% en
poids sec du sol) par la mthode amricaine de lAASHTO, qui fait
appel une approche empirique couramment utilise
dans le monde et particulirement en Afrique subsaharienne.
Ensuite, les rsultats sont compars avec ceux obtenus laide
de la mthode Franaise du LCPC (qui fait appel une approche
mcaniste-empirique), en utilisant le logiciel Aliz du
LCPC. Enfin, une tude paramtrique est mene afin dobserver
linfluence de lindice CBR, du module dlasticit, du sol
support et du nombre structural sur lpaisseur de la chausse.
ABSTRACT. This paper presents two design approaches a pavement
structure. This is to design a pavement base based on a
lateritic soil treated with cement at different dosages (3%, 6%
and 9% by dry weight of soil), by the American AASHTO
method, which uses an empirical approach commonly used in the
world, especially in sub-Saharan Africa. Then the results
are compared with those obtained using the LCPC-SETRA French
method (which uses a mechanistic-empirical approach),
using the LCPC Aliz software. Finally, a parametric study is
conducted in order to observe the influence of the CBR index,
the elasticity modulus, subgrade soil and the structural number
on the thickness of the pavement.
MOTS-CLS : Dimensionnement, AASHTO, Aliz LCPC, sol latritique,
ciment, assise de chausse.
KEY WORDS: Dimensioning, AASHTO, Aliz LCPC, lateritic soil,
cement, pavement base.
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33mes Rencontres de lAUGC, ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai
2015 2
Introduction
Depuis 1976, dans de nombreuses rgions du monde et
particulirement dans les rgions tropicales,
dnormes volumes de sols latritiques ont t utiliss pour la
construction des routes. Les programmes de
dveloppement des infrastructures dans les rgions tropicales
prvoient la construction ou le renforcement
dimportantes longueurs de voies de communication pour lesquelles
de grandes quantits de ces matriaux seront
ncessaires [BAG 90]. Jusqu' rcemment dans ces rgions tropicales,
singulirement en Afrique subsaharienne,
on utilisait surtout les graveleux latritiques en gotechnique
routire, comme matriaux dassise de chausse.
Avec l'volution des connaissances, des besoins, la rcente prise
en compte des contraintes environnementales et
la raret des graveleux latritiques de bonne qualit, les sols
latritiques fins sont de plus en plus utilis dans
plusieurs domaines du gnie civil [MES 99] et [DEM 06].
Cependant, les sols latritiques fins sont considrs
comme des sols problmes [GID 12]. Ils sont gnralement associs
une forte compressibilit, des taux
levs de fluage, une plasticit leve, causes premires des
dgradations importantes observes sur les structures
routires, ainsi que leur ruine prmature. Pour amliorer les
proprits mcaniques de ces sols problmes ,
et leur rendre aptes tre utilis comme matriaux dassise de
chausse, plusieurs additifs tels que la chaux, le
ciment, des cendres volantes, les fumes de silice et les fibres
vgtales ont t testes [BAG 90], [MIL 08] et
[ABD 09].
La ralisation des diffrents types de chausses passe dabord par
un dimensionnement adquat. Pour cela
diffrentes mthodes ont t proposes suivant deux approches: une
approche empirique et une approche
mcaniste-empirique. En Afrique subsaharienne et quatoriale, la
conception et le dimensionnement des
chausses continuent dtre bass sur une approche empirique [CEB
84]. Cependant, l'approche mcaniste-
empirique est en voie de devenir la plus utilise pour la
conception des chausses. Elle est base sur des modles
mathmatiques dcrivant le comportement de la chausse ainsi que
des rsultats de laboratoire comme donne
dentre [HUA 93].
Cette communication prsente les rsultats d'une tude exhaustive
du dimensionnement dune assise de
chausse de sol latritique trait au ciment. Ce faisant, deux
approches de dimensionnement sont utilises: une
approche empirique et approche mcaniste-empirique. Des relations
liant lpaisseur de la couche dassise aux
paramtres de dimensionnement sont proposes.
1. Sol tudi
L'tude a t ralise sur un sol latritique fin issu de la rgion
forestire de Zotl, situe lextrme sud du
Cameroun, dans le plateau sud-camerounais qui comporte
principalement des sols ferralitiques. Le sol est
mlang diffrents pourcentages de ciment (3 %, 6% et 9%) exprims
en poids sec du sol et compact la
teneur en eau optimale. Le ciment choisi dans cette tude est un
ciment de la marque Holcim (CEM II / BM 32,5
N) produit dans le Nord de la France et ayant sensiblement les
mmes caractristiques que le ciment CPJ 35
couramment utilis au Cameroun. Les caractristiques mcaniques
(ICBR, Rt et E) obtenues lissu des essais
CBR, de traction indirecte et de compression simple sont
reportes dans le Tableau 1.
Sur la base des valeurs estimes de E et Rt, obtenues 360 jours
en utilisant les coefficients empiriques
(Equations 1), le sol trait a t class sur labaque de
classification des matriaux traits aux liants hydrauliques
dans la Figure 1. Les formulations se classent de bons niveaux
dutilisation, car il est recommand une classe
minimale SOL T2, pour l'utilisation des sols traits en couches
dassises [DRE 03]; ce qui est respect pour
toutes les formulations tudies.
Tableau 1. Caractristiques mcaniques du matriau sol-ciment.
Rt360 (MPa) E360 (MPa) ICBR-4j
3% cim 6% cim 9% cim 3% cim 6% cim 9% cim 3% cim 6% cim 9%
cim
0,53 0,82 0,87 353,37 690,26 789,12 131,2 201,5 235
600,
Rt
Rt
360jours
28jours 650,
E
E
360jours
28jourset [ 1 ]
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Dimensionnement dune assise de chausse base dun sol latritique
trait. 3
Figure 1. Classification du sol latritique aprs traitement 360
jours.
2. Dimensionnement d'une assise de chausse
2.1. Principe de dimensionnement
La structure dune chausse routire doit rsister diverses
sollicitations, notamment celles dues au trafic et
elle doit assurer la diffusion des efforts induits par ce mme
trafic dans le sol de fondation. Lapplication dune
charge roulante induit ainsi une dformation en flexion des
couches de la structure (Figure 2). Cette flexion
entrane des sollicitations en compression au droit de la charge
et des sollicitations en traction la base des
couches denrobs.
On distingue six principales familles de structures de chausses
actuellement utilises sur le rseau routier et
autoroutier. Les structures semi-rigides sont celles dont les
assises sont essentiellement constitues de matriaux
traits aux liants hydrauliques. Diffrentes mthodes sont
dveloppes dans la littrature pour le
dimensionnement des structures des chausses.
Figure 2. Schma : (a) structure dune chausse routire et (b)
Sollicitations dans la chausse.
2.2. Mthode de dimensionnement
Il existe plusieurs mthodes de dimensionnement des structures de
chausses proposes dans la littrature.
Celles-ci peuvent tre rsumes suivant deux approches diffrentes
savoir : lapproche empirique et lapproche
mcanistique-empirique ou analytique-empirique. Chacune de ces
mthodes a ses avantages et ses limites par
rapport aux conditions locales de chaque administration. La
mthode empirique amricaine de lAASHTO et la
mthode franaise du LCPC-SETRA, faisant appel une approche
mcaniste-empirique, sont prsentes dans la
suite.
2.2.1. Mthode amricaine de lAASHTO
Daprs [JEU 83], la mthode de lAASHTO (American Association of
State Highway and Transportation
Officials), est lune des plus sduisantes et constitue lessai le
plus important jamais effectu pour confronter les
ides et les faits en matire de technique routire. Cest une
mthode base sur une analyse empirique des
rsultats des essais de lAASHO Road test raliss la fin des annes
1950 sur plus de 500 sections tests de
chausses. Cette mthode a subi une volution importante depuis
1961 jusqu'en 1993 suivant quatre versions.
Son rle est d'tablir une relation entre les caractristiques
structurales de la chausse et l'volution dans le temps
du niveau de qualit des chausses (exprim en indice de viabilit).
La dernire version du guide de
dimensionnement date de fin 2004, mais la version de 1993 reste
encore la plus utilise. Lpaisseur des
diffrentes couches constituant la structure de la chausse est
dtermine partir de lEquation 2 qui exprime le
nombre structural [HUA 93] et [PAP 08].
3% cim 6% cim 9% cim
(a) (b)
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33mes Rencontres de lAUGC, ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai
2015 4
SNn = (D1a1+D2a2m2+D3a3m3++Dnanmn) / 25,4 [ 2 ]
Avec:
- SNn: nombre structural compos pour n couches ; dtermin partir
de labaque AASHTO des nombres
structuraux.
- D1, D2, D3, Dn : paisseur des couches de roulement, de base,
de fondation et de forme respectivement.
- m2, m3, mn : coefficient de drainage des couches de base, de
fondation et de forme respectivement.
- a1, a2, a3, an : coefficients structuraux reprsentatifs de la
couche de roulement, couche de base, couche
de fondation et couche de forme respectivement.
La conception finale correspond un assemblage de couches de
matriaux et dpaisseurs dfinies, comme le
montre la Figure 3 [LAV 03].
Figure 3. Principe dun systme multicouche.
2.2.2. Mthode franaise de dimensionnement de la chausse
La mthode franaise de dimensionnement des chausses est base la
fois sur les calculs thoriques et les
expriences [LCP 94]. La mthode combine en effet :
- lanalyse thorique de la mcanique de chausse, celle-ci est
effectue par le logiciel ALIZE [LCP 94],
qui se base sur le modle lastique linaire de Burmister [BUR
43].
- les rsultats dessai de laboratoire sur le comportement en
fatigue des matriaux de chausse.
- les donnes obtenues par lobservation du fonctionnement des
chausses.
Les paramtres essentiels pour les calculs thoriques de la mthode
franaise de dimensionnement des
chausses sont :
- Le trafic : Il exprime pour une voie de circulation, le nombre
de passages de vhicules dans une priode
dtermine. Cest aussi la combinaison de diffrents types de
vhicules, avec des charges et des
gomtries dessieux trs diffrentes. cette mthode de
dimensionnement utilise un essieu de rfrence
comme un essieu simple roues jumeles exerant une charge totale
de 130 kN (Figure 4). Les voies du
rseau structurant (VRS) et les voies du rseau non structurant
(VRNS) reprsentent les deux catgories
de voie prises en compte lors du dimensionnement.
Figure 4. Massif multicouche et charge de rfrence.
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Dimensionnement dune assise de chausse base dun sol latritique
trait. 5
- Les paramtres de base du calcul : Le choix de ces paramtres
est envisag en termes probabilistes et
associs un objectif conomique. En France, on a adopt, 30 ans
pour les voies du rseau structurant
(VRS) et 20 ans pour les autres voies, dsignes par le sigle
VNRS.
- Paramtres descriptifs du sol support et des matriaux dassise :
Les proprits des matriaux
permettent de calculer les sollicitations admissibles. Elles
permettent galement de dterminer les
contraintes et dformations dans le corps de la chausse grce au
modle thorique choisi. Les
contraintes et les dformations admissibles sont dtermines partir
des rsultats de lessai de fatigue au
laboratoire. Elles sont ensuite values en connaissant le trafic
cumul, le risque de calcul et les donnes
dobservation du comportement des chausses similaires. Les
limites admissibles sont calcules partir
des trois formules gnrales suivantes :
Dformation admissible des matriaux bitumineux
Contrainte admissible des matriaux traits aux liants
hydrauliques
Dformation admissible des matriaux granulaires non lis
Avec :
- tad : allongement admissible la base des couches
bitumineuses.
- tad : contrainte de traction admissible la base des couches
traites aux liants hydrauliques.
- zad : est la dformation verticale admissible la surface du sol
support.
- NE : nombre quivalent dessieux de rfrences correspondant au
trafic poids lourds cumul sur la
dure initiale de calcul retenue.
- 6 et 6 : contrainte et dformation correspondantes 106 cycles
de charge provoquant la rupture.
- B : pente de la droite de fatigue en coordonnes
bi-logarithmiques.
- kr : coefficient tenant compte du risque de calcul.
- kc : coefficient de calage destin ajuster les rsultats du
modle de calcul au comportement
observ de chausses de mme type.
- ks : coefficient minorant tenant compte de leffet dhtrognits
locales de portance dune couche
de faible rigidit supportant les couches lies.
- kd : coefficient introduit pour prendre en compte leffet des
discontinuits pour la couche de base.
- A : paramtre pris gal 0,012 pour les chausses moyen et fort
trafic (T T3) et 0,016 pour le
cas contraire.
Les champs de contraintes et dformations crs par la charge de
rfrence sont dtermins la base de
chaque couche selon le modle multicouche de [BUR 43] en
utilisant le code de calcul ALIZE. Les
valeurs obtenues sont ensuite compares avec celles admissibles
des matriaux constitutifs de la
chausse.
3. Application des mthodes de dimensionnement
Les donnes du trafic pour le dimensionnement se basent sur les
donnes du guide technique pour la
conception et le dimensionnement des structures de chausses. Le
trafic est de type T2 avec une moyenne
journalire annuelle (TMJA) de 200 PL/jour. Cette classe de
trafic correspond la classe T3 du CEBTP [CEB
84]. Le trafic cumul (TC) est de 2 292 200 PL, ce qui donne un
trafic cumul de type TC4. La dure initiale de
vie de la chausse est prise 20 ans correspondant un VRNS. Enfin
le risque de calcul (r) est pris gal 7,5%.
Tous ces paramtres sont donns les guides de dimensionnement des
chausses.
3.1. Application de la mthode empirique de lAASHTO
Les paramtres lis au comportement des matriaux sont choisis
selon les recommandations de lAASHTO
(Tableau 2). Les donnes du trafic permettent de considrer que
nous sommes en prsence des routes principales
trafic lourd [CAB 07] [PAP 08], pour lesquelles la valeur de
viabilit Pt est considre gale 2,5. Le
coefficient structural (a) de la couche de roulement en bton
bitumineux (BB) est de 0,40 ; celui de la couche de
base (LCB) tant de 0,17 et afin celui de la couche de fondation
(LCF) de 0.14. Le coefficient de drainage (m) qui
est pris gal 1 pour les zones tropicales.
kkkNE
cr
b
tad
66 10
kkkkNE
cdr
b
tad
66 10
2220,zad NEA
[ 3 ]
[ 4 ]
[ 5 ]
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33mes Rencontres de lAUGC, ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai
2015 6
Tableau 2. Paramtres de dimensionnement pour la mthode de
lAASHTO.
ICBR-4j (%) SN (mm) E (MPa)
Pf1 Pf2 Pf3 Pf1 Pf2 Pf3 Pf1 Pf2 Pf3
7 13 24 97 83 70 30 75 130
En fonction de la valeur de lICBR-4j de la plateforme (Pf), un
SN total de structure de chausse est choisi sur
labaque de lAASHTO [PAP 08] des nombres structuraux. Ensuite,
une paisseur initiale de la couche de
roulement (D1) est fixe selon l'exprience locale, le trafic et
la littrature existante. Elle a t prise gale 60
mm. A partir de ces valeurs, les diffrentes paisseurs dans la
couche dassise (Couche base et couche de
fondation) sont dtermines.
La Figure 5a prsente les paisseurs de chaque couche (couche de
roulement, couche de base et couche de
fondation) avec diffrentes combinaisons pour un ICBR-4j = 13. La
Figure 5b prsente les paisseurs de la chausse
avec diffrentes combinaisons en fonction de la plateforme
(Pf).
Figure 5. Epaisseurs de la chausse avec diffrentes combinaisons
:(a) paisseurs de chaque couche et (b)
paisseurs de la chausse.
3.2. Application de la mthode franaise
Pour la mthode franaise de dimensionnement, il est important de
connaitre les caractristiques en fatigue
(6 ou 6) du matriau tudi. Dans la prsente tude, les valeurs de 6
utilises dans le calcul du
dimensionnement sont dtermines par la relation ci-dessous [ABD
06]:
En plus des donnes du trafic ci-dessus considres, les valeurs de
la pente de la droite de fatigue (-1/b), de
lcart type de la loi de fatigue (SN), de lcart-type sur les
paisseurs (Sh), du coefficient de calage (Kc) sont
donnes dans le code de calcul ALIZE. Le module de dlasticit est
donn dans le Tableau 2. Le calcul est bas
sur lhypothse des interfaces entre les couches colles.
Les critres qui ont t vrifis sont :
- la contrainte de traction t la base de la couche
latrite-ciment (couche de fondation) doit tre
infrieure la contrainte admissible tad (t < tad) ;
- la dformation verticale z la base de la couche de fondation
(LCF) et la surface du sol support doit
tre infrieure une valeur admissible zad. (z < zad).
Le rsultat du calcul donne une structure constitue comme
lindique la Figure 6. La Figure 6a prsente les
paisseurs de chaque couche (couche de roulement, couche de base
et couche de fondation) avec diffrentes
combinaisons pour E = 75 Mpa. La Figure 6b prsente les paisseurs
de la chausse avec diffrentes
combinaisons en fonction de la plateforme (Pf).
Rt, 9506 [ 6 ]
(a) (b)
(a) (b)
Figure 6. Epaisseurs de la chausse avec diffrentes combinaisons
:(a) paisseurs de
chaque couche et (b) paisseurs de la chausse.
-
Dimensionnement dune assise de chausse base dun sol latritique
trait. 7
4. Etude paramtrique
Au regard des rsultats ci-dessus obtenus, on observe quil existe
trs peu de diffrences entre les paisseurs
dassise de chausse obtenues par la mthode amricaine et celles
obtenues par la mthode franaise. Les Figures
7a-7c montrent lvolution des paisseurs de la couche dassise de
chausse (couche de base + couche de
fondation) en fonction du dosage en ciment sur les trois types
de plateforme (Pf). On observe une mme tendance
dvolution des courbes. On observe que lpaisseur de lassise
diminue proportionnellement avec
laugmentation de la teneur en ciment. Lpaisseur de lassise trait
diminue de 1,5 2 fois, celle dune assise en
graveleux latritique naturel de bonne qualit (E=300Mpa). Ce qui
signifie que le sol trait est plus rsistant que
le sol non trait. Cette rsistance saccrot avec laugmentation de
la teneur en ciment. Les rsultats obtenus
partir de ces deux mthodes sont proches des rsultats obtenus par
la mthode empirique du [CEB 84]; ce qui
montre une similitude entre les mthodes empirique et
mcaniste-empirique.
Les Figures 7d-7f montrent la variation de lpaisseur de lassise
de chausse (D) en fonction lICBR-4j, E et
SN. Sur les Figures 7d et 7e, on observe une diminution de D
avec laugmentation de ICBR-4j et de E
respectivement, et ce pour toutes les combinaisons.
Laugmentation de lICBR-4j ou de E fait diminuer lpaisseur
de la chausse. A titre dexemple, pour une valeur de ICBR-4j =7,
D = 430mm pour une combinaison de 9% de
ciment aussi bien en couche de base et en couche de fondation.
Avec laugmentation de ICBR-4j = 24, D diminue et
est gale 270mm soit prs de la moiti. Ce qui a pour consquence la
diminution du cot de ralisation de
louvrage. Sur la Figure 7f par contre, on observe une
augmentation de D avec laugmentation de SN. Pour
toutes les combinaisons testes, on observe une relation
puissance entre lICBR-4j et D et des relations linaires
entre E et D, SN et D.
Figure 7. Evolution des paisseurs en fonction de : (a, b et c)
dosage dans les diffrentes couches,
(d) ICBR-4j, (e) E et (f) SN
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33mes Rencontres de lAUGC, ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai
2015 8
5. Conclusion
Dans cette communication, nous avons tudi une application de
deux mthodes de dimensionnement dune
assise de chausse routire utilisant des formulations base dun
chantillon de sol latritique trait au ciment.
Les mthodes utilises sont : la mthode empirique amricaine de
lAASHTO et la mthode mcaniste-empirique
franaise par le code de calcul Aliz 1.3 du LCPC.
Ltude montre que les paisseurs dassises obtenues par la mthode
amricaine sont proches des paisseurs
dassises obtenues par la mthode franaise. Bien que lchantillon
de sol latritique utilis soit un matriau fin, il
permet de rduire lpaisseur de lassise de chausse pouvant
atteindre 1,5 2 fois celle dune assise de chausse
base dun graveleux latritique de bonne qualit.
Deux types de relation sont obtenus partir lpaisseur dassise de
chausse et les paramtres de
dimensionnement obtenus des essais de compression simple, de
traction indirecte et dabaque de lAASHTO :
- Une relation puissance entre lindice portant et lpaisseur de
lassise;
- Des relations linaires entre le module dlasticit et le nombre
structural en fonction de lpaisseur de
lassise.
Les perspectives de ce travail sont donc la poursuite de ltude
des sols latritiques fins traits, ainsi que le
dveloppement des mthodes de dimensionnement plus pousses
incluant les paramtres de rsistance au
cisaillement.
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