La voie, un ensemble complexe
Projet 6
Ballast et sol : une modélisation globale
Rail & Recherche n°24 - juillet/août/septembre 2002
D’avantage de mesures scientifiques, moins d’empirisme : l’amélioration des paramètres de pose, mais aussi d’entretien, du ballast passe par l’élaboration de modèles numériques prenant en compte l’ensemble des composantes de la voie.
“Pour déterminer l’épaisseur de la couche de granulats, on a besoin d’étudier leurs interactions avec la plate-forme au sein d’un système unique qu’il faut modéliser de façon globale”, indique François Quétin, de la direction Innovation et Recherche SNCF.
On a constaté, en effet, que le comportement du ballast n’est pas homogène sur toute la longueur d’une voie, confirmant l’influence du substrat, c’est-à-dire des couches d’assise (couche de forme et sous-couches). Sur la ligne à grande vitesse Paris-Lyon, à certains endroits, le ballast ne “tient” pas : il pénètre les couches d’assise, dont les matériaux se mélangent aux granulats, et ses performances diminuent ; on parle alors de “ballast contaminé ”. Or, l’augmentation de la vitesse commerciale, de la fréquence des circulations et du poids à l’essieu pourraient accélérer l’apparition de ce phénomène et le rendre plus dangereux.
Comment mesurer la raideur verticale de la voie ?
La dégradation de la géométrie de la voie est d’autant plus préjudiciable au confort des passagers que la vitesse est élevée. Or, cette dégradation est notamment liée à la raideur verticale de la voie. Aussi, la surveillance régulière de l’évolution de cette valeur pourrait déboucher sur une maintenance préventive, c’est-à-dire des interventions visant à rétablir les valeurs normales – elles doivent être non seulement correctes mais homogènes – de la voie avant même l’apparition de défauts.
Des essais de mesure ont été effectués par l’Agence d’essais ferroviaires, sur la ligne à grande vitesse Paris-Lille, au moyen de capteurs embarqués à bord d’un véhicule circulant à grande vitesse. Le principe ? Des accéléromètres montés sur les essieux du véhicule mesurent les vibrations générées par un balourd (poids) ajouté sur l’axe de l’essieu et fournissent une estimation de la raideur verticale globale de la voie.
Vers un véritable banc d’essai ferroviaire
Si la modélisation du ballast réclame un modèle granulaire, ou “discret”, pour les sols c’est plutôt le modèle “continu” (généralement par éléments finis*), qui convient. À la direction Innovation et Recherche, Laurent Schmitt a pour mission de construire un tel modèle des couches d’assise. “Cette action de recherche prend place dans le projet de modélisation globale de la voie, explique-t-il. Nous voulons définir les conditions dans lesquelles la modélisation discrète du ballast et la modélisation continue de la plate-forme peuvent être couplées, afin de faire passer les informations d’un modèle à l’autre. Actuellement, on en est à la description des lois de comportement de chacun des deux milieux.” Pour les calculs, la direction Innovation et Recherche a fait appel à un jeune “thésard” du LCPC, Laurent Ricci, dont les travaux ont débuté été 2002. Côté expérimentation, les essais conduits en 1996 par Nathalie Guérin à l’ENPC pour définir une loi de tassement vertical du ballast reposaient sur l’hypothèse que les couches inférieures ne se déforment pas. Pour dépasser cette limite, le projet de modélisation globale prévoit, à partir de 2003, d’inclure les couches d’assise dans les essais. Ainsi, au laboratoire du LCPC de Champs-sur-Marne, le banc d’essai à l’échelle un tiers va être perfectionné par l’incorporation d’une plate-forme (sol, couche de forme et sous-couche) et le passage d’une à trois traverses. À Nantes, il est prévu de construire, en vraie grandeur, une fosse cylindrique composée d’une couche de ballast reposant sur une couche d’assise ferroviaire type, sur lesquels sera appliqué un disque de chargement.
“Ce n’est plus une géométrie ferroviaire, précise Laurent Schmitt, mais les mesures réalisées devraient permettre, d’une part de caler nos modèles, et d’autre part de caractériser les réponses dynamiques de différents sols afin de dimensionner des sols synthétiques équivalents à intégrer dans des essais de géométrie plus réalistes.” Une structure qui n’existe pas encore en France.
*Modèle par éléments finis : permet de résoudre des équations de la mécanique (des sols, des fluides), en décrivant le milieu étudié comme un assemblage de petits volumes élémentaires (les “éléments finis”)
1 question à Marie-Josèphe Poitout, adjointe au chef du département Études de lignes, direction de l’Ingénierie (SNCF).
Rail & Recherche : La direction de l’Ingénierie mène des recherches appliquées sur le ballast, les couches de forme et les sous-couches.
Pourquoi ?
Marie-Josèphe Poitout : Pour faire les relations entre les caractéristiques géotechniques des matériaux et leur comportement, comprendre et apporter une solution d’amélioration à des problèmes ponctuels de tenue d’assise, et pour faire baisser les coûts de construction. Les matériaux que nous employons sont “nobles”, c’est-à-dire coûteux à l’achat et à la mise en oeuvre. Notre premier objectif est donc d’optimiser les caractéristiques et les épaisseurs de ces matériaux. Ensuite, nous devons trouver des réponses à des problèmes récurrents de nivellement. Enfin, il faut envisager le vieillissement des structures d’assise et leur comportement dynamique, préoccupation nouvelle. Parmi les recherches que nous menons, je citerai les tests pour améliorer par traitements le sol naturel sous des assises telles que la craie et le limon et réduire ainsi la couche de forme. Nous soumettons également des structures réelles à des sollicitations cycliques pour évaluer leur évolution. Autre exemple, nous procédons à des essais sur des matériaux géotextiles pour renforcer et réparer les couches d’assise. Avec ces matériaux, on cherche aussi à créer un système de surveillance des déformations d’assise ou d’effondrements : des fils ou nappes métalliques ou des fibres optiques, objet de mesures électriques ou radar, indiqueraient des mouvements du sol. Nos recherches appliquées sont complémentaires de celles, plus théoriques, menées par la direction de la Recherche.