Science Ferroviaire

Milieux granulaires

Comportement du Ballast

Problématique

Depuis les débuts du ferroviaire, les voies ballastées sont très largement employées en raison de leur flexibilité pour la construction et la maintenance mais également pour leur capacité à répondre aux exigences mécaniques fixées par le transport de lourdes charges sur une grande distance. Il est capital pour la SNCF de conserver une bonne qualité de voie pour assurer le confort et la sécurité des circulations. Or, en dépit de l'expérience acquise sur les infrastructures ferroviaires, la durée de vie d'une voie ferrée reste difficile à estimer et les mécanismes à l'origine de sa dégradation sont mal connus. Les réponses aux questions posées proviennent essentiellement de l'expérience terrain ou d'une approche empirique.

Objectif

Une des activités de recherche de la SNCF est donc d'étudier le comportement de la voie de manière à intégrer ces connaissances dans une stratégie de maîtrise des coûts pour la conception et la maintenance préventive, en particulier le renouvellement de la voie ferrée.

Axes de recherche

Un des axes de recherche abordé concerne le comportement du ballast : le ballast est un des éléments support de la voie. Il est composé d'une couche de roches concassées et assure entre autre fonction l'ancrage latéral et longitudinal de la voie. Il permet la transmission et la répartition des charges statiques et dynamiques du rail vers la plate-forme ainsi que le drainage des eaux pluviales. Une fonction environnementale de plus en plus reconnue est due à de moindres émissions acoustiques qu'une voie sur dalle et à un amortissement des vibrations engendrées par les circulations. Le ballast présente un avantage supplémentaire en raison de sa flexibilité du point de vue de sa mise en oeuvre et de la maintenance ainsi que son plus faible coût de construction par rapport à une voie sur dalle classique. La dégradation de la qualité du ballast et/ou de ses interfaces peut conduire à accélérer considérablement le rythme des opérations de maintenance, d'où la nécessité de mieux comprendre son fonctionnement et ainsi mieux appréhender les mécanismes à l'origine de l'apparition de défauts de voies.

Le développement de logiciels par la recherche SNCF sur les milieux granulaires permet à l'heure actuelle de modéliser le ballast grain par grain, avec des formes proches de grains réels. Ces outils numériques permettent d'étudier le comportement du ballast soumis aux circulations à grandes vitesses, aux opérations de maintenance telles que le bourrage ou la stabilisation ou bien caractériser le phénomène d'envol de ballast.

Démarche

Le travail réalisé à la SNCF en collaboration avec le LMGC (Laboratoire de Mécanique et de Génie Civil de l'université de Montpellier) porte sur le développement d'un code granulaire ou code par éléments discrets (bidimensionnel et tridimensionnel) en vue d'une application au ballast. Après avoir valider les simulations numériques par des confrontations avec des résultats expérimentaux, des outils d'analyses spécifiques aux matériaux granulaires ont été développées afin d'exploiter les résultats des simulations pour des applications ferroviaires.

 

Applications

Les applications ferroviaires sont multiples :

• l'étude du bourrage, opération de correction géométrique de la voie couramment utilisée pour la maintenance. Une première étude visant à identifier le rôle des différentes phases du bourrage (plongée, serrage et retrait) a été réalisée, et des investigations supplémentaires sont en cours afin de mesurer l'impact des différents paramètres sur la compaction du ballast et la tenue de la voie,

• la résistance latérale de la voie a été étudiée en reproduisant des expériences réalisées au sein de la Direction de l'Ingénierie de la SNCF,

• l’étude de la stabilisation dynamique de la voie a été initiée afin d'évaluer l'impact du temps de stabilisation sur la résistance latérale de la voie,

• le comportement du ballast sous chargement cyclique a permis d'identifier des comportements de type structure. Ce travail se poursuit afin de déterminer l'influence de défaut court sur le comportement du ballast et de proposer une loi de comportement.
  

Contact : Gilles Saussine