La voie, un ensemble complexe

Projet 5
Ballast : un matériau au comportement mystérieux
Rail & Recherche n°24 - juillet/août/septembre 2002

À quoi sert le ballast ? À transmettre et à répartir les charges statiques et dynamiques induites par les circulations ; à assurer un ancrage de la voie dans les trois directions ; à réduire les émissions acoustiques et à amortir les vibrations ; à drainer les eaux pluviales ; à faciliter la maintenance de la voie. Un programme chargé ! Pour améliorer l’efficacité de la maintenance de la voie, pour en optimiser le coût et prévenir les incidents de la circulation, il est donc capital d’étudier le comportement mécanique de ce matériau. Un comportement dont on commence seulement à comprendre à quel point il pourrait se dégrader sous la contrainte de la grande vitesse (lire l'interview du professeur Karam SAB).

“Le passage des essieux d’un train, c’est un peu comme si on donnait deux coups de marteau sur un tas de cailloux posé sur un matelas. Il faut étudier dans quelles conditions s’opère la désorganisation du milieu résultant de ces phénomènes dynamiques et vibratoires”, analyse le professeur Karam Sab, directeur de recherche au Laboratoire central des Ponts et Chaussées de Champs-sur-Marne (LCPC). Une assise de matériau granulaire comme le ballast ne se laisse pas modéliser comme un milieu continu. Explications avec le professeur Jean Jacques Moreau, créateur du Laboratoire de mécanique et génie civil de Montpellier (LMGC) : “Le nombre restreint de couches de cailloux constituant cette assise fait qu’on doit prendre en compte la dynamique individuelle de chacun d’eux ; cela s’appelle une méthode d’éléments discrets. Leur interaction par des contacts frottants et susceptibles de se rompre à tout instant fait entrer l’étude dans le domaine de la “mécanique non régulière” ou “non lisse” (en anglais : non- smooth mechanics), une spécialité montpelliéraine de longue date.” (lire l'interview du professeur Jean Jacques Moreau).

Plusieurs thèses et recherches sur le ballast sont menées par la SNCF en collaboration avec les laboratoires de Montpellier et de Champs-sur-Marne (lire les interviews des professeurs Karam SAB et Jean Jacques Moreau).

Depuis le début de l’année 2001, Catherine Cholet, chargée de recherche à la direction Innovation et Recherche de la SNCF, pilote une étude sur la détérioration de la qualité géométrique du ballast, utilisant les modèles discrets, qui privilégie une double approche numérique et expérimentale.

Une expérience a été développée en laboratoire, reproduisant une portion de voie simplifiée. Les résultats obtenus sont comparés avec un modèle numérique. Gilles Saussine, a commencé une thèse, en collaboration avec le LMGC, en octobre 2001, pour développer un code modélisant le ballast en éléments “discrets” tridimensionnels. Cette étude constituera une “première” scientifique compte tenu de la complexité des formes du ballast.

“De nombreuses voies restent à explorer”, reconnaît Catherine Cholet. Un exemple ? L’étude des mécanismes de détérioration – l’“attrition”, c’est-à-dire réduction en “fine” (poussière) – des granulats.

Informations complémentaires : thèse