La voie, un ensemble complexe

Projet 3
Dans l’intimité du ballast
Rail & Recherche n°32 - juillet/août/septembre 2004

Des grains de quelques centimètres de diamètre mobilisent depuis quelques années la direction Innovation et Recherche de la SNCF et plusieurs équipes de recherche dont le LMGC* de Montpellier.

Près de 15 000 trains circulent chaque jour. Sous les traverses, une couche de ballast composée de roches concassées assure la tenue de la voie : elle supporte les efforts provenant des passages répétés des essieux. Les circulations à grande vitesse sont à l’origine d’une dégradation des qualités géométriques de la voie. Le remède ? Une maintenance régulière du ballast, voire un renouvellement partiel ou total de certaines portions de voies. Le coût de cette maintenance est élevé. Analyser le comportement du ballast, son évolution dans le temps en fonction des sollicitations extérieures, permettrait de mieux évaluer le rythme de ce type d’opération. C’est l’un des objectifs que s’est fixé l’équipe qui traite ce sujet. “Sous chaque traverse, l’épaisseur du ballast avoisine 30 cm, le nombre de grains sous un blochet** n’est donc pas très important”, explique Catherine Cholet, à la tête du projet à la Recherche SNCF. Les chercheurs ont donc opté pour l’approche “granulaire” : chaque grain de ballast est traité comme une entité à part entière. Les logiciels de calcul granulaire ou par éléments discrets donnent alors accès à son mouvement, à sa vitesse et aux efforts qu’il supporte.

Pour sa thèse à la direction de la Recherche, Gilles Saussine a développé des codes afin de simuler les interactions entre corps rigides bidimensionnels ou tridimensionnels (voir : Le ballast au grain près ). L’étape suivante, la validation, est toujours en cours. Elle consiste à comparer les résultats des simulations aux données réelles obtenues sur des expériences dédiées ou préexistantes. Ce n’est qu’au terme de ce long travail de vérification que pourra débuter la phase d’application industrielle.

* LMGC : Laboratoire de mécanique et de génie civil.
** Blochet : partie de la traverse supportant le rail.

Confronter le modèle théorique à la réalité

Dans un premier temps, les résultats théoriques d’une simulation 2D ont donc été confrontés aux valeurs de tassements mesurées dans une expérience dédiée. “Nous avons soumis de vrais prismes pentagonaux, en ciment haute performance, à un chargement cyclique, explique Gilles Saussine. Après 1 000 « passages » d’essieux, l’enfoncement du blochet était bien en conformité avec les résultats de la simulation 2D sur les prismes digitalisés.”

La validation du code 3D, actuellement en cours, est plus délicate car l’équipe ne dispose pas d’expériences dédiées. Cela n’a pas empêché Gilles Saussine de confronter son modèle théorique à la réalité : “Dans un premier temps, j’ai simulé des expériences existantes du génie civil telles que l’effondrement provoqué d’un mur composé d’une centaine de briques en bois ou encore la stabilité d’un dôme sous pesanteur...” Autre validation avant l’étude proprement ferroviaire : vérifier que l’angle au repos d’un tas de grains de ballast dépend peu de leur coefficient de frottement . La pente du milieu granulaire dépend essentiellement de la géométrie des grains.

Pente du milieu granulaire.
Mesure de l’angle au repos d’un tas de ballast avec un tambour tournant.

Fort de ces résultats, le chercheur a pu in fine entamer une étude ferroviaire 3D pour déterminer la résistance qu’exerce le ballast sur un blochet soumis à un effort latéral. Le ballast est là pour assurer une résistance au déplacement latéral de la voie, notamment en cas de dilatation thermique du rail…

“Dans nos simulations 3D, l’échantillon contient environ 30 000 grains et chacun d’eux comporte une quarantaine de facettes, précise Gilles Saussine. Les déplacements obtenus sont physiquement acceptables”. La suite ? “Nous devons maintenant comparer ces données théoriques aux résultats d’essais de résistance latérale réalisés par l’Ingénierie, poursuit Catherine Cholet. Un point délicat réside dans la définition des grandeurs physiques pertinentes pour la validation car si le modèle granulaire permet bien une analyse en finesse, les essais eux ne donnent accès qu’à des grandeurs macroscopiques.” Il restera ensuite à simuler le comportement en résistance latérale d’une traverse complète, ce qui veut dire un échantillon de 4 mètres de long, soit 80 000 grains. “Pour raffiner ce modèle, je souhaite utiliser des grains de ballast plus proches de la réalité, comportant chacun plusieurs milliers de facettes”, ajoute Gilles Saussine.

Lorsque cette étape de validation sera terminée, les logiciels qu’il développe pourront également servir à mieux appréhender différents sujets tels que la résistance latérale de la voie, le bourrage... ce qui permettrait à terme d’optimiser la conception ou la maintenance de la voie.

Informations complémentaires : thèse