Études de cas pratique

EGC

Calcul des Épaisseurs de Chaussée

Calcul des Épaisseurs de Chaussée

Calcul des Épaisseurs de Chaussée

Comprendre le Dimensionnement des Chaussées

Le dimensionnement des chaussées est une étape cruciale dans la conception des infrastructures routières. Il consiste à déterminer les épaisseurs des différentes couches constituant la chaussée (roulement, base, fondation) afin qu'elle puisse résister aux charges du trafic sur une période de service définie, tout en assurant un niveau de service adéquat. Un dimensionnement correct permet de prévenir les dégradations prématurées (orniérage, fissuration) et d'optimiser les coûts de construction et d'entretien.

Données de l'étude

On étudie le dimensionnement d'une nouvelle section de route à 2 voies.

Données de trafic :

  • Trafic Poids Lourds moyen journalier annuel à la mise en service (\(\text{MJA PL}_{\text{initial}}\)) sur la voie la plus chargée : \(150 \text{ PL/jour}\)
  • Taux de croissance annuel du trafic PL (\(t\)) : \(2 \text{ \%}\) (soit \(0.02\))
  • Durée de service de la chaussée (\(n\)) : \(20 \text{ ans}\)
  • Coefficient d'agressivité moyen des essieux (\(\text{CAM}\)) : \(0.8\)

Caractéristiques de la plateforme (support) :

  • La plateforme est de type PF2 (selon la classification française, indiquant une portance moyenne).

Matériaux envisagés pour les couches de chaussée :

  • Couche de roulement : Béton Bitumineux Semi-Grenu (BBSG)
  • Couche de base : Grave-Bitume de classe 3 (GB3)
  • Couche de fondation : Grave Non Traitée de type B (GNT B) 0/31.5 mm

Extrait simplifié d'un catalogue de structures de chaussées (pour plateforme PF2) :

Classe de Trafic Cumulé (\(N_E\)) Nombre d'Essieux Équivalents (\(N_E\)) Couche de Roulement (BBSG) Couche de Base (GB3) Couche de Fondation (GNT B)
TC1 \(1 \cdot 10^5 \le N_E < 2.5 \cdot 10^5\) 6 cm 10 cm 30 cm
TC2 \(2.5 \cdot 10^5 \le N_E < 7.5 \cdot 10^5\) 7 cm 12 cm 35 cm
TC3 \(7.5 \cdot 10^5 \le N_E < 2 \cdot 10^6\) 8 cm 15 cm 40 cm
TC4 \(2 \cdot 10^6 \le N_E < 6 \cdot 10^6\) 9 cm 18 cm 45 cm

Note : \(N_E\) représente le nombre cumulé d'essieux standards de 13 tonnes.

Schéma type d'une structure de chaussée
Couche de Roulement (BBSG) e1 Couche de Base (GB3) e2 Couche de Fondation (GNT B) e3 Plateforme PF2 (Support)

Illustration des différentes couches d'une chaussée.

Questions à traiter

  1. Calculer le nombre cumulé d'essieux standards équivalents (\(N_E\)) sur la durée de service de 20 ans.
  2. Déterminer la classe de trafic (TC) correspondante à partir du \(N_E\) calculé et de l'extrait du catalogue.
  3. En utilisant la classe de trafic déterminée et la qualité de la plateforme (PF2), déduire les épaisseurs des couches de roulement (BBSG), de base (GB3) et de fondation (GNT B) à partir du catalogue.
  4. Calculer l'épaisseur totale de la structure de chaussée (hors plateforme).

Correction : Calcul des Épaisseurs de Chaussée

Question 1 : Calcul du Trafic Cumulé d'Essieux Équivalents (\(N_E\))

Principe :

Le trafic cumulé \(N_E\) représente le nombre total d'essieux standards de référence (généralement 13 tonnes en France) que la chaussée supportera pendant sa durée de service. Il est calculé en prenant en compte le trafic initial, sa croissance, la durée de service et l'agressivité des poids lourds.

Formule(s) utilisée(s) :

Le facteur de cumul de trafic avec croissance \(F_c\) est donné par :

\[F_c = \frac{(1+t)^n - 1}{t}\]

Le nombre cumulé d'essieux équivalents \(N_E\) est :

\[N_E = \text{MJA PL}_{\text{initial}} \times 365 \times \text{CAM} \times F_c\]
Données spécifiques :
  • \(\text{MJA PL}_{\text{initial}} = 150 \text{ PL/jour}\)
  • \(t = 0.02\)
  • \(n = 20 \text{ ans}\)
  • \(\text{CAM} = 0.8\)
Calcul :

Calcul du facteur de cumul de trafic \(F_c\) :

\[ \begin{aligned} F_c &= \frac{(1+0.02)^{20} - 1}{0.02} \\ &= \frac{(1.02)^{20} - 1}{0.02} \\ &= \frac{1.485947396 - 1}{0.02} \\ &= \frac{0.485947396}{0.02} \\ &\approx 24.29737 \end{aligned} \]

Calcul de \(N_E\) :

\[ \begin{aligned} N_E &= 150 \times 365 \times 0.8 \times 24.29737 \\ &= 54750 \times 0.8 \times 24.29737 \\ &= 43800 \times 24.29737 \\ &\approx 1064224.8 \text{ essieux équivalents} \end{aligned} \]

On peut arrondir \(N_E \approx 1.064 \times 10^6\) essieux équivalents.

Résultat Question 1 : Le nombre cumulé d'essieux équivalents est \(N_E \approx 1.064 \times 10^6\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le taux de croissance du trafic (\(t\)) est nul, que devient le facteur de cumul \(F_c\) ?

Question 2 : Détermination de la Classe de Trafic (TC)

Principe :

La classe de trafic est déterminée en comparant le nombre cumulé d'essieux équivalents (\(N_E\)) calculé aux seuils définis dans le catalogue de structures de chaussées.

Données spécifiques :
  • \(N_E \approx 1.064 \times 10^6\) essieux équivalents.
  • Extrait du catalogue (pour plateforme PF2) :
    • TC1 : \(1 \cdot 10^5 \le N_E < 2.5 \cdot 10^5\)
    • TC2 : \(2.5 \cdot 10^5 \le N_E < 7.5 \cdot 10^5\)
    • TC3 : \(7.5 \cdot 10^5 \le N_E < 2 \cdot 10^6\)
    • TC4 : \(2 \cdot 10^6 \le N_E < 6 \cdot 10^6\)
Comparaison :

Nous avons \(N_E \approx 1064225\).

Comparons cette valeur aux plages du catalogue :

\(7.5 \times 10^5 = 750000\)

\(2 \times 10^6 = 2000000\)

On constate que \(750000 \le 1064225 < 2000000\).

Donc, le trafic calculé se situe dans la plage de la classe TC3.

Résultat Question 2 : La classe de trafic est TC3.

Question 3 : Détermination des Épaisseurs des Couches

Principe :

Une fois la classe de trafic et la qualité de la plateforme connues, les épaisseurs des différentes couches de la chaussée sont lues directement dans le catalogue de structures fourni.

Données spécifiques :
  • Classe de trafic : TC3
  • Plateforme : PF2
  • Extrait du catalogue pour TC3 et PF2 :
    • Couche de Roulement (BBSG) : 8 cm
    • Couche de Base (GB3) : 15 cm
    • Couche de Fondation (GNT B) : 40 cm
Lecture dans le catalogue :

Pour une classe de trafic TC3 et une plateforme PF2, le catalogue donne :

  • Épaisseur BBSG = 8 cm
  • Épaisseur GB3 = 15 cm
  • Épaisseur GNT B = 40 cm
Résultat Question 3 : Les épaisseurs des couches sont :
  • Couche de roulement (BBSG) : 8 cm
  • Couche de base (GB3) : 15 cm
  • Couche de fondation (GNT B) : 40 cm

Quiz Intermédiaire 2 : Si la plateforme était de qualité inférieure (par exemple PF1 au lieu de PF2), pour une même classe de trafic, les épaisseurs des couches de chaussée seraient généralement :

Question 4 : Calcul de l'Épaisseur Totale de la Structure

Principe :

L'épaisseur totale de la structure de chaussée est la somme des épaisseurs des différentes couches la constituant (roulement, base, fondation).

Données spécifiques (épaisseurs déterminées à la question 3) :
  • Épaisseur BBSG (\(e_1\)) : 8 cm
  • Épaisseur GB3 (\(e_2\)) : 15 cm
  • Épaisseur GNT B (\(e_3\)) : 40 cm
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Épaisseur totale} &= e_1 + e_2 + e_3 \\ &= 8 \text{ cm} + 15 \text{ cm} + 40 \text{ cm} \\ &= 63 \text{ cm} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : L'épaisseur totale de la structure de chaussée est de 63 cm.

Quiz Intermédiaire 3 : Laquelle de ces couches contribue le plus à la diffusion des contraintes vers la plateforme ?

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Le Coefficient d'Agressivité Moyen (CAM) des poids lourds :

2. Une plateforme de type PF2 est considérée comme ayant une portance :

3. Dans un catalogue de structures de chaussées, si le trafic cumulé \(N_E\) augmente, l'épaisseur totale de la chaussée requise :

Glossaire

Chaussée
Superstructure d'une route, constituée de plusieurs couches de matériaux, destinée à supporter les charges du trafic et à les transmettre au sol support (plateforme).
Dimensionnement des Chaussées
Processus de détermination des types de matériaux et des épaisseurs des couches d'une chaussée pour qu'elle résiste au trafic prévu pendant sa durée de service.
Poids Lourd (PL)
Véhicule routier de transport de marchandises ou de personnes dont le Poids Total Autorisé en Charge (PTAC) est supérieur à 3.5 tonnes.
MJA PL (Moyenne Journalière Annuelle de Poids Lourds)
Nombre moyen de poids lourds circulant par jour sur une section de route, calculé sur une année.
CAM (Coefficient d'Agressivité Moyen)
Facteur qui exprime l'agressivité d'un parc de poids lourds par rapport à un essieu standard de référence (généralement 13 tonnes en France). Il dépend de la charge et du type des essieux.
\(N_E\) (Nombre d'Essieux Équivalents)
Trafic cumulé exprimé en nombre d'essieux standards de référence que la chaussée devra supporter pendant sa durée de service.
Plateforme (PF)
Surface supérieure du terrassement sur laquelle repose la chaussée. Sa qualité (portance) est classée (par exemple, PF1, PF2, PF3, PF4 en France).
Couche de Roulement
Couche supérieure de la chaussée, directement en contact avec les pneumatiques. Elle assure le confort, l'adhérence et l'étanchéité.
Couche de Base
Couche située sous la couche de roulement (et éventuellement de liaison), qui contribue de manière importante à la résistance structurelle de la chaussée.
Couche de Fondation
Couche inférieure de la structure de chaussée, reposant sur la plateforme. Elle répartit les charges sur le sol support et protège la chaussée du gel.
BBSG (Béton Bitumineux Semi-Grenu)
Type d'enrobé bitumineux couramment utilisé pour les couches de roulement.
GB (Grave-Bitume)
Matériau traité aux liants hydrocarbonés (bitume), utilisé pour les couches de base et parfois de fondation.
GNT (Grave Non Traitée)
Matériau granulaire non lié, utilisé pour les couches de fondation et de forme.
Catalogue de Structures de Chaussées
Document de référence proposant des structures types de chaussées (matériaux et épaisseurs) en fonction de la classe de trafic, de la qualité de la plateforme et des conditions climatiques.
Calcul des Épaisseurs de Chaussée

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