Dissertations / Theses on the topic 'Dégradations des chaussées'

L'apparition récente de nouveaux matériaux dans les structures de chaussée associée à une diminution de l'épaisseur des couches de surface et une augmentation du chargement des poids lourds et de leur fréquence de passage a entrainé de nouvelles pathologies de dégradation. Outre les problèmes d'orniérage bien connus, apparaissent désormais des fissures descendantes (top down cracking) ainsi que des problèmes de décohésion aux interfaces. Ces nouvelles pathologies entrainent des dépenses considérables sur l'ensemble du réseau (environ 15 milliards d'euros par an), particulièrement en zones urbanisées plus sujettes aux dégradations de surface et ne permettent pas d'estimer convenablement les durées de vie de la chaussée, le plus souvent surestimée dans les méthodes de dimensionnement actuelles. Ce travail de doctorat propose une nouvelle approche du contact pneu-chaussée permettant de mieux appréhender les contraintes principales et résiduelles dans une structure de chaussée bitumineuse. A l'aide d'un outil numérique rapide de calcul basé sur une approche semi-analytique (« Semi-Analytical Methods » (SAM)), la géométrie précise du pneumatique est intégrée afin d'obtenir une répartition de pression de contact ainsi qu'un cisaillement surfacique réelle sur la chaussée. Dans un premier temps, un modèle de contact roulant tractif élastique est implémenté pour des cas théoriques simples et validé par des résultats analytiques et numériques de la littérature. Ensuite, ce modèle est étendu pour prendre en compte le comportement élasto-plastique des corps en contact. Ce dernier est comparé à un résultat numérique basé sur la méthode des éléments finis issu de la littérature. Les résultats, pour une application contact pneu-chaussée, montrent une répartition non homogène des contraintes dans la structure et principalement dans les premiers centimètres sous la surface avec des niveaux beaucoup plus importants que peuvent le prédire les modèles actuels qui utilisent une charge uniformément répartie. La pression de contact est comparée aux mesures effectuées par un système nommé TekScan et les champs mécaniques en sous couches sont comparés à ceux d'Alizé-LCPC dans le cas d'une structure simple. Les cisaillements surfaciques sont déterminés dans le cas du roulement tractif. Une application est effectuée sur la modélisation des dégradations des chaussées en surface. Dans un premier temps, des analyses sur le comportement de la chaussée en surface sont effectuées pour une couche de béton bitumineux semi grenu (BBSG) semi-infinie supposée élastique, homogène sous conditions d'accélération, de freinage et de virage. Pour des études sur le top down cracking, des déformations et directions principales sont déterminées et analysées. Ensuite, le modèle de contact élasto-plastique est appliqué sur une couche semi-infinie de grave bitume GB3. Des déformations et contraintes résiduelles générées dans la structure sont déterminées en vue d'une analyse sur les ornières d'instabilité. Une fois validés, ces résultats permettront d'estimer plus fidèlement la durée de vie résiduelle des chaussées mais également de comprendre et d'éviter les mécanismes de dégradation en surface ou proche de la surface
The recent appearance of new materials in road structures associated with surface layers thickness decreasing and the increasing of trucks loading and their passage frequency has led to new pathologies of degradation. In addition to the well-known rutting problems, top down cracking is now appearing as well as problems of decohesion at the interfaces. These new pathologies led to considerable expenditure on the entire network (around 15 billion euros per year), particularly in urbanized areas that are more prone to surface damage and do not make it possible to adequately estimate the lifetimes of the roadway, most often overestimated in current design methods. This doctoral work proposes a new approach of the tire-road contact allowing for better apprehend of the main and residual stresses in a bituminous pavement structure. Using a fast numerical tool based on a semi-analytical approach ("Semi-Analytical Methods" (SAM)), the precise geometry of the tire is integrated in order to obtain a real contact pressure distribution as well as surface shear on the pavement surface. Initially, an elastic tractive rolling contact model is implemented for simple theoretical cases and validated by analytical and numerical results from the literature.Then, this model is extended to take into account the elastoplastic behavior of the bodies in contact. This is compared to a numerical result based on the nite element method from the literature. The application for tire-pavement contact results, show a non-uniform distribution of stresses in the structure and mainly in the rst centimeters below the surface with much higher levels than can be predicted by current models that use a uniformly distributed load. The contact pressure is compared to the measurements made by a system called TekScan and the mechanical elds in sublayers are compared to those of Alizé-LCPC in the case of a simple structure. The surface shears are determined in the case of tractive rolling. An application is carried out on the modeling of surface pavement damage. Firstly, analyzes of the behavior of the surface pavement are carried out for a semi-innite semi-grit asphalt concrete layer supposed to be elastic, homogeneous under conditions of acceleration, braking and turning. For studies on top down cracking, principals deformations and directions are determined and analyzed. Then, the elastoplastic contact model is applied on a semi-innite asphalt agragate layer. Deformations and residuals stresses generated in the structure are determined for an analysis on the instability ruts. Once validated, these results will make it possible to more accurately estimate the residual life of pavements but also to understand and avoid surface or near surfacedegradation mechanisms

Les sollicitations répétées sur une chaussée provoquent sa fatigue. Le comportement en fatigue d'une chaussée conditionne son dimensionnement. Du point de vue matériau, la durée de vie en fatigue est déterminée en laboratoire. L'essai de fatigue normalisé sur enrobés bitumineux consiste à déterminer la durée de vie en fatigue d'une éprouvette trapézoïdale sous un signal sinusoïdal continu. Il permet d'écrire une relation liant la durée de vie en fatigue au niveau de déformation. Les signaux de chargements réels auxquels une structure de chaussée est soumise sont plus complexes. Des paramètres supplémentaires caractérisant le signal de chargement réel peuvent avoir de l'influence sur la durée de vie en fatigue. Une démarche visant une meilleure évaluation de la durée de vie en fatigue des chaussées est présentée. Elle couple une approche structure et une approche matériau. L'approche structure consiste en une caractérisation paramétrique de signaux de chargements mesurés sur une chaussée expérimentale dans le but de déterminer les paramètres indépendants caractérisant un signal de chargement. Ces paramètres sont les variables d'un plan d'expérience d'essais de fatigue de laboratoire avec signaux complexes (approche matériau). Un modèle de fatigue est établi à partir des résultats expérimentaux. Il donne la durée de vie en fatigue en fonction des paramètres de forme indépendants caractérisant un signal de chargement réel. Le couplage du modèle de fatigue établi avec un modèle de calcul de chaussées permet de déterminer la durée de vie en fatigue d'une chaussée et de comparer les agressivités de différents poids lourds
The fatigue damage of a pavement under repeated trac loadings is a key issue for pavement design. At the material scale, the fatigue life of asphalt mixtures is computed in the laboratory. The standard fatigue test consists of the application of a continuous sinusoidal signal on the specimens and enables to write the fatigue life as a function of the strain level. Real loading signals measured at an experimental pavement are more complex. Additional parameters may therefore have an influence on the fatigue life. A method whose aim is a better computation of the fatigue life of asphalt pavements is presented. This method couples a structural approach and a material-based approach. The structural approach consists of a parametrical characterization of real loading signals measured at an experimental pavement in order to compute the independent parameters that describe a real loading signal. The independent parameters are the variables of an experimental plan of laboratory fatigue tests with complex loading signals. The results of the laboratory fatigue tests enabled the computation of a multi-linear fatigue model that writes the fatigue life as a function of the independent shape parameters characterizing the loading signal. Coupling this fatigue model with a pavement model enables the computation of the fatigue life of a pavement under different loading conditions and the comparison of the aggressiveness of dierent truck con

L’objectif de la thèse est de développer un modèle de prédiction de l’uni des chaussées flexibles. La réalisation de cet objectif a impliqué quatre principales étapes. Premièrement, une revue de connaissance relative à la thématique a été faite. Il ressort de cette étude que l’Indice de Rugosité Internationale (IRI) est l’indice qui représente le mieux le phénomène d’uni. Cependant, la prédiction de celui-ci est encore essentiellement faite par des modèles empiriques. Deuxièmement, les deux principales dégradations des chaussées qui peuvent être les sources de problème d’uni pendant leur durée de vie utile sont notamment la déformation permanente différentielle (ornière) et le soulèvement différentiel. Ils ont été analysés et la nécessité de leur prédiction a été établie. Les modèles de prédiction recherchés doivent intégrer dans leur structure mathématique les paramètres géotechniques de sol qui sont les sources de la variabilité le long d’un tracé. Pour le soulèvement au gel, le modèle de Konrad (1981 et 2005) a été jugé approprié pour être intégré dans le modèle de prédiction de l’uni. Cependant, pour la déformation permanente, un nouveau modèle a été développé pour les besoins du projet. Troisièmement, un modèle mathématique de prédiction de l’uni des chaussées flexibles en termes d’IRI a été dérivé. Il a été bâti sur les hypothèses rigoureuses et comporte les paramètres complexes suivants : la déformation permanente ( ε p ), le soulèvement au gel (S), la fissuration transversale ( Ft ) et le coefficient représentant l’effet d’amplification ou d’atténuation des longueurs d’onde (K). Quatrièmement, le modèle dérivé a été étalonné et validé avec de données obtenues sur des chaussées réelles. Pour l’étalonnage, les données des bases de données du LTTP et du MTQ, d’une part, et, d’autre part, les données de la cueillette des paramètres géotechniques issus des essais de caractérisations des échantillons prélevés à chaque 5 m le long de 5 différents sites au Québec, ont été utilisées. Les coefficients d’étalonnage requis ont été déterminés avec succès. Pour la validation du modèle, par manque de paramètres géotechniques à chaque 5 m le long des sections identifiées pour réaliser cet objectif, le principe de niveau d’utilisation du modèle d’uni a été développé. Trois niveaux d’utilisation du modèle ont été développés et le modèle a été validé au troisième niveau d’utilisation avec un niveau de succès acceptable.
The objective of the thesis is to develop a model of prediction of the flexible pavements roughness. This goal was achieved through a rigorous process that involved four steps. First, a review of knowledge was made. It appears from this study that the International Roughness Index (IRI) is the index that better represents the roughness phenomenon, but the prediction is still empirical. Second, the two main pavement degradations that could cause roughness problems during the useful life are the permanent deformation and frost heave. After analysis of the existing models the need of the prediction model was established. The desired prediction models should have in their mathematical structure the geotechnical parameters of soil, which are the origin of variability along a road. For frost heave, the Konrad model (1981 and 2005) was found to be appropriate. However, for permanent deformation there was no adequate model. Thus, a permanent deformation model was developed. Third, a mathematical model for the prediction of pavements roughness in terms of IRI was derived. It has been built on rigorous assumptions and includes the following parameters: permanent deformation ( ε p ), frost heave (S), transverse crack ( Ft ) and coefficient representing the effect of amplification or attenuation of wavelengths (K). Fourth, the derived model was calibrated and validated with data obtained on actual pavements. For calibration, data from the LTTP and MTQ databases and the geotechnical parameters resulting from the characterization tests of the samples, taken at every 5 m along 5 different sites in Quebec Province were used. The required calibration coefficients have been determined successfully. For the validation of the model, due to lack of geotechnical parameters at every 5 m along the identified sections to achieve this objective, the principle of the model use level has been developed. Three levels of the model use were developed and the model was validated at the third level with an acceptable level of success.

La texture image des surfaces de chaussées peut se définir comme un ensemble d'objets lumineux, de taille et de forme variées, posés sur un fond sombre plus ou moins apparent. Il s'agit de textures à forte granularité et ne possédant aucune périodicité. La nature de ces textures rend difficile toute utilisation directe de techniques classiques d'analyse. La méthode originale, présentée dans ce mémoire, met en œuvre une décomposition pyramidale dont le processus de transformation a été élaboré dans le but de mettre en évidence une caractéristique de la texture chaussée. L'étude de l'évolution de la texture entre deux résolutions successives de la pyramide s'effectue par une matrice de conccurrence inter-niveau. L'analyse fine de la répartition des données matricielle permet l'extraction d'un vecteur d'attributs, qui constitue l'espace de représentation nécessaire au schéma de classification. Ce dernier est ensuite éprouvé sur la base d'une banque d'images conséquente
Texture image of surface of roadways can be defined as a set of luminous objects of different size and different form, posed on a more and less apparent bottom. These textures are characterized by a strong granularity and none periodicity. Then, any direct use of traditional technics is unsatisfactory, as shown by a comparative and critical study. The original method, presented in this memory, introduces a pyramidal decomposition based on a transformation process elaborated in order to improve a certain characteristic of the texture. The evolution between two successive resolutions of the pyramid is done with an inter-level co-occurrence matrix. Fine analysis of the data contained in this matrix allows us to construct a parameters vector used during the classification step. This tool is then validated on a large image database. This one consists in the acquisition of roadways with various scales and under various illuminations. Moreover, each image is compressed with different JPEG rates

La circulation des poids lourds dans les points singuliers du réseau routier (particulièrement dans les zones urbaines) engendre des dégradations de surface par arrachement de granulat. Ces dégradations posent quelques soucis aux gestionnaires routiers pour maintenir à la fois la durabilité des revêtements et la sécurité de conduite pour les usagers. Actuellement, la question de l’évaluation de la durabilité des couches de roulement dans les points singuliers à partir d’un essai de laboratoire ne semble pas complètement résolue. Dans ce travail, on propose une nouvelle approche basée sur un nouveau moyen d’essai capable de reproduire les dégradations de surface par arrachement de granulat en tenant compte des phénomènes locaux dans la zone de contact (indentation, glissement, etc. ). Nous avons pris en compte à la fois la mécanique du contact et le comportement des matériaux pour une description précise de ce type de dégradation. La première partie de notre travail consiste en une caractérisation du contact par la mesure du coefficient de frottement apparent et par l’évaluation de la distribution de la pression locale de contact. Le protocole d’essai optimisé à partir de l’étude de caractérisation permet d’évaluer la résistance des revêtements bitumineux aux arrachements. On présente les résultats d’essais sur différents types de liants et différentes granulométries. Enfin, nous proposons deux modèles paramétriques, l’un permettant de relier la résistance aux arrachements de granulats d’un BBTM 0/10 aux performances des liants bitumineux obtenues à partir des essais de rupture et l’autre modèle visant à prédire la résistance aux arrachements en fonction de la granulométrie
Heavy traffic at intersections (especially in urban areas) poses a particularly difficult challenge to traffic engineers interested in durable and safe wearing courses. At such places, heavy traffic causes damage to the road surface by aggregates loss and horizontal displacement of the bituminous surfacing, due to application of high shear stresses by truck tyres. Currently, the question of the assessment of the durability of bituminous surfacings in zones with high shear stresses in the laboratory does not seem completely resolved. In this work, we propose an approach based on a new experimental apparatus to simulate the surface damage by loss of aggregates. Taking in account the local phenomenon, an important advantage of the new device is that it permits to maintain a constant vertical loading whatever the level of surface deterioration. The first stage of this work is concerned with the characterization of the mechanical contact. The friction and the distribution of pressure are given for different loading conditions. The experimental procedure has been optimized in vertical force control in order to ensure a contact with a high friction between the materials. We present the results performed with different binders and with different aggregate gradations. Before the appearance of surface damage, aggregates displacements are systematically observed on the surface of the sample before the first departure of aggregates. At last, we propose two parametric models; the first model gives a link between the resistance to the tangential force and the performance of binders measured from fracture tests. The second one gives a prediction from aggregate gradation

Nous nous intéressons à la modélisation des lois d’évolutions des dégradations de chaussées entretenues. Pour cela, cette thèse fait une revue des modèles et outils de modélisation, notamment l’analyse des données de survie (MADS) qui a fait l’objet développements importants au LCPC. Pour tirer parti du fait que les bases de données comportent, aujourd’hui, des séries d’observations sur chaque section routière, elle propose une autre approche fondée sur la mise en œuvre de modèles non linéaires mixtes. En procédant à une comparaison des capacités d’ajustement et de prédiction de ces modèles, d’abord sur des bases de données artificielles, non bruitées et bruitées, puis sur une base de données provenant d’un programme de suivi de section test, et enfin sur une base de données issue du suivi périodique d’un réseau routier réel, la thèse permet de tirer des conclusions claires sur les conditions et le domaine d’application des modèles
Road transportation has a direct impact on a country's economy. Infrastructures, particularly pavements, deteriorate under the effect of traffic and climate. As a result, they most constantly undergo maintenance which often requires expensive works. The optimization of maintenance strategies and the scheduling of works necessarily pass by a study that makes use of deterioration evolution laws and accounts for the effect of maintenance on these laws. In this respect, numerous theoretical and experimental works ranging linear and nonlinear regressions to more sophisticated methods such as Markov chain have been conducted. The thesis presents a survey of models and methods and focuses on the analysis of survival data (MADS), an analysis which constituted the objective of important works at LCPC. In order to acount for the fact that current databases contain repeated measurements of each pavement section, the thesis proposes a different approach based on the use of nonlinear mixed-effects models (NLME). First, it carries out a comparison between the NLME and MADS models on different databases in terms of the goodness of fit and prediction capability. The comparison then allows to draw conclusions about the applicability of the two models

Ce travail a pour objet d'étude l'évolution de l'adhérence des chaussées routières. Son but est, à l'aide d'essais effectués principalement en laboratoire, de développer un modèle de prédiction de cette évolution, basé sur le modèle de Tang, et tenant compte de la nature et de l'intensité du trafic, du vieillissement du liant et des variations saisonnières. Expérimentalement, on utilise la machine Wehner et Schulze pour distinguer le rôle des poids lourds et des véhicules légers. L'appareil Weatherometer permet d'appliquer un vieillissement accéléré, que l'on compare au vieillissement naturel d'éprouvettes exposées aux intempéries. Enfin, l'influence de la température et des sédiments routiers est étudiée en laboratoire ou sur la piste de glissance du LCPC. En parallèle, des chaussées routières in situ sont suivies dans le temps avec la machine DFTester et la remorque ADHERA. Pour la construction du modèle amélioré, deux voies sont empruntées. Dans la première, un modèle incrémental, intégrant les trois phénomènes, est construit. L'autre voie consiste à simplifier la fonction d'usure du granulat en utilisant un modèle logarithmique. Les modèles permettent de reproduire les résultats de laboratoire, et de prédire les mesures in situ. Outils de compréhension, ils peuvent également permettre à l'ingénieur de choisir la formulation de la couche de roulement, de prévoir l'évolution de l'adhérence avant la construction d'une route, ou de gérer l'entretien de chaussée pendant la durée de service.

Dans un contexte climatique rigoureux comme celui du Québec, l’interaction entre la charge et le climat a une grande influence sur la performance des structures de chaussées flexibles (Doré et Zubeck, 2009). Pendant le dégel printanier, avec la fonte de la glace, la chaussée s’affaiblit et cet affaiblissement la rend vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd ce qui accélère divers phénomènes de dégradation, notamment l’endommagement par fatigue et l’orniérage structural (Farcette, 2010). Afin de minimiser les effets des charges lourdes sur une chaussée affaiblie lors du printemps, les administrations routières choisissent souvent de limiter les charges par essieu ou par véhicule lors du dégel. L’objectif de ce projet est de développer un outil d’aide pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données recueillies par les stations de météo routière. Deux sections expérimentales composées des mêmes matériaux mais avec des épaisseurs d’enrobés bitumineux différentes situées au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) ont été utilisées pour ce projet. Pour bien interpréter le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des jauges de contraintes, des jauges de teneur en eau et des thermistances ont été installées dans chaque couche. Pour solliciter mécaniquement la chaussée, un déflectomètre à masse tombante (FWD) a été utilisé. Les résultats obtenus ont permis de de bien comprendre les mécanismes d’affaiblissement de la chaussée durant la période de dégel. Ils ont aussi montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Néanmoins, pour une meilleure gestion du réseau routier, de nouveaux critères pour mieux déterminer la période de restriction de charges sont proposés.
In strict climatic conditions such as in Quebec, the interaction between load and climate has a great influence on the performance of flexible pavement structures (Doré and Zubeck, 2009). During the spring thaw, when ice melts, the weakening of the pavement makes it vulnerable to solicitation by heavy traffic, speeding various phenomena of degradation, including fatigue damage and structural rutting (Farcette, 2010). In order to minimize the effects of heavy loads on a pavement weakened by the spring, road authorities often choose to limit axle loads or vehicle upon thawing. The purpose of this project is to develop a tool for load restrictions management in thaw period based on data gathered by the road weather stations. Two experimental sections built with the same material but with different thicknesses of asphalt concrete located at Laval University Experimental Road Site (SERUL) were used for this project. Each layer of the tested sections was instrumented with strain, stress, moisture, and temperature sensors. A falling weight deflectometer (FWD) was used to simulate heavy loads. The results obtained made it possible to understand the mechanisms of pavement weakening during the thaw. They also showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. Nevertheless, for better management of the road network, new criteria to better determine the load restriction period are proposed.

Dans les pays tropicaux, les enrobés bitumineux périssent rapidement par pénétration de l'eau et par désenrobage (rupture de liaison entre granulats et film de bitume. La plus part des essais traditionnels sont destructifs et nécessitent de nombreuses éprouvettes. Ce travail cherche à comprendre l'évolution des caractéristiques mécaniques des mélanges sous l'effet de l'eau par un essai non destructif qui permet de définir l'intensité de la dégradation. L'étude classique de la variation de la rigidité met en évidence l'incidence de la nature minéralogique du squelette granulaire et de la teneur en bitume (formulation). L'essai de module complexe permet un suivi original des caractéristiques mécaniques. Il apparaît plus homogène et produit des résultats plus cohérents. Sa modélisation permet de définir un facteur d'endommagement (D) dont l'interprétation apporte des informations sur la connaissance de la tenue à l'eau
Moisture and stripping (debonding of bitumen and aggregate) are a key element in the distress of bituminous mixtures in the tropical countries. Most of the laboratory testing procedures are destructive and require many specimens. This study aims at understanding the mechanical characteristics evolution for compacted bitumen-aggregate mixtures, using a non-destructive test. The classical study of stiffness evolution highlights the effect of the mineralogical nature of the aggregate skeleton and the bitumen content. The evolution of complex modulus appears to be relevant in evaluating moisture damage, showing the consistent results. It's modelling allows to determine a factor (D) related to moisture-induced damage

La gestion des structures en béton armé dans le but d’assurer leur sécurité et leur durabilité est devenu un challenge économique d’importance notable. La réponse à ce challenge tient en partie dans la recherche d’un plan d’inspection, de maintenance et de réparation (IMR) optimisé en fonction de contraintes de sureté. Ce travail est placé dans un cadre de maintenance préventive, où les dégradations du béton considérées peuvent amener à la corrosion des armatures, non à la défaillance structurelle. Les modèles de dégradation concernés sont placés dans un cadre probabiliste où la variabilité spatiale de l’exposition environnementale et des propriétés matériaux du béton sont prises en comptes. Sur la base de ces prédictions, un plan d’expérience adaptatif permet d’identifier, à une date donnée, où il est intéressant d’inspecter la structure pour évaluer son état qui conditionnera la décision de maintenance ou de réparation. Un arbre de décision permet ensuite de prédire l’évolution probabiliste de cet état incluant les effets des maintenances et réparations. Ce modèle est enfin utilisé dans une procédure d’optimisation qui vise à déterminer quand et avec quel outil cette structure doit être inspectée pour optimiser l’espérance du budget de suivi d’une structure ou d’un parc ainsi que les incertitudes associées liées aux erreurs de mesure, tout en prenant en compte les diverses contraintes spécifiques des gestionnaires d’ouvrages
The development of modern societies has seen the construction of several structures and infrastructures built in reinforced concrete. The management of those structures, potentially large and subjected to important pathologies, aiming at ensuring and guaranteeing their safety and durability has become a true economical challenge. Looking for an optimal inspection, maintenance and repair plan according to safety constraints is one of the possible solutions to address this challenge. This work is bounded by a preventive maintenance context where the concrete degradations may lead to the corrosion of the reinforcements and not to structural failure. The corresponding degradation models are put in an uncertainty context where the spatial variability of the environmental exposure and the concrete properties are accounted for. Based on such predictions, an adaptive design of experiments helps to identify, at a given time, where the structure should be inspected in order to evaluate its degradation state which will indicate the need for maintenance or a repair action. A decision tree therefore allows to predict the probabilistic evolution of the structure state, including the effect of maintenance and repairs. This tree is then used in an optimisation process which aims at finding where and with which inspection technique the structure is to be inspected to minimise both the expectation of the exploitation costs and the associated uncertainties due to the measurement errors, accounting for the stakeholder’s constraints

La performance à long terme du réseau routier au Québec est fortement influencée par le climat et les conditions météorologiques (Doré et Zubeck, 2008). Parmi ces facteurs, des niveaux élevés de saturation dans les sols et les matériaux de chaussée peuvent être une cause importante de la détérioration des routes. Selon des scénarios de changements climatiques établis par Ouranos, le sud du Québec subira des augmentations de précipitations moyennes mensuelles de -0,1 % à 8,45 % sur un horizon de 2010 à 2039. Le but de ce projet est de quantifier l’effet de ces futures augmentations sur le comportement mécanique des structures de chaussées et des sols. Basé sur les données collectées dans des sections de routes instrumentées, une relation entre les précipitations et l’augmentation du niveau de saturation des couches de chaussée est proposée. Afin de déterminer la relation entre les propriétés mécaniques et la teneur en eau, les comportements en module réversible et en déformation permanente (quatre différents sols) ont été déterminés avec des essais triaxiaux et ont été validés avec un simulateur de charge routier. Une analyse d’endommagement est effectuée afin de quantifier la diminution de la durée de vie utile causée par les changements climatiques. Il a été montré que les augmentations de précipitations, prévues au Québec, auront un impact significatif sur la performance des chaussées. Ainsi, certaines techniques de mitigation seront proposées pour pallier la diminution de la vie utile des chaussées.
The long-term performance of the road network of the province of Quebec (Canada) is strongly influenced by the climate and the weather conditions. Amongst other factors, high levels of saturation in soils and pavement materials are believed to be an important cause of pavement deterioration. According to the climate change scenarios established by Ouranos (2010), the North and South of Quebec will undergo an average precipitation increase from -0.1% to 8.45% in a future horizon of 2010-2039. The purpose of this project is to quantify the effect of these expected precipitation increases on the mechanical behavior of road structures, materials and soils. Based on literature and on data collected on instrumented road sections, a relationship between precipitation increase and saturation level of pavement layers is proposed. The resilient modulus and permanent deformation behavior for various water contents and four different subgrade soils was determined using triaxial tests, which were validated using small-scale heavy vehicle simulator, in order to determine the existing relationship between mechanical properties and moisture contents. Using the precipitation increase scenarios and the preset models, a damage analysis is performed to quantify the decrease of pavements service life caused by climate change. It is found that climate change, and more precisely the increase of precipitation expected in the Province of Quebec, will have a significant impact on pavement performance and that adapted pavement structures and materials, such as improved drainage, increased structural capacity or materials with reduced sensitivity to water, are possible options to reduce the loss of pavement life associated with climate change.

L'objectif principal de ce travail était de définir une méthode d'analyse pour l'évaluation des dommages aux chaussées sous l'action des véhicules à très lourdes charges (SHL). L'indicateur proposé est une expression mathématique permettant de calculer le taux de déformation permanente en fonction des états de contrainte décrits par le passage d'un véhicule SHL, ce qui permet à la fois de définir la charge maximale acceptable sur les matériaux de la chaussée, sur la base d'un critère de service, et de quantifier les dommages et l'impact du véhicule non standard par rapport au trafic lourd classique. La première partie des travaux (chapitres 1 et 2), a consisté à définir la manière dont l'évaluation de la détérioration de la chaussée sera effectuée. A cet effet, un paramètre de quantification de la détérioration a été choisi sur la base de la déformation permanente accumulée pendant le transit d'un véhicule SHL, pour les couches granulaires et de fondation. Ce qui précède est basé sur les informations disponibles dans la littérature, où il est reconnu que la déformation permanente dans la structure de la chaussée est l'une des détériorations les plus probables, en raison de l'ampleur et de la forme de la distribution des contraintes induites par les véhicules SHL. La deuxième partie du travail (chapitres 3 à 5) a consisté à développer, calibrer et valider le modèle proposé, en utilisant des tests en laboratoire, l'analyse de modèles par éléments finis, ainsi que des tests de charge accélérés et des tests sur le terrain avec des véhicules SHL en conditions réelles. A l'issue de cette phase, la procédure de calibrage du modèle en laboratoire et de son application aux conditions de terrain a été obtenue. Cette phase comprend la définition de valeurs seuils (maximales) pour la détérioration par déformation permanente dans des conditions SHL. Dans la dernière phase des travaux (chapitres 6 et 7), une méthodologie complète a été proposée pour l'application du modèle de taux de déformation dans les cas des véhicules SHL, et elle a été comparée aux méthodologies actuelles.
This work's main objective was to define an analysis method for evaluating the damage in pavements under the actions of vehicles with super heavy loads (SHL). The proposed indicator is a mathematical expression to calculate the permanent deformation rate as a function of the stress states described by an SHL vehicle's passage. This indicator allows both to define the maximum acceptable load on the pavement materials based on a serviceability criterion and quantify the damage and impact of the non-standard vehicle compared to conventional heavy traffic. The first part of the work (Chapters 1 and 2) defines how the assessment of the pavement's deterioration will be carried out. For this purpose, a damage quantification parameter has been selected based on the permanent deformation accumulated during an SHL vehicle's transit in granular layers and subgrade. The above is based on the information available in the literature. It is recognized that permanent deformation in the pavement structure is one of the most probable deteriorations due to the magnitude and form of distribution of stresses induced by SHL vehicles. The second part of the work (Chapters 3 to 5) has consisted of developing, calibrating and validating the proposed model, using laboratory tests, finite element model analysis, and accelerated load tests and field tests with SHL vehicles under real conditions. As a result of this phase, a procedure for calibrating the laboratory model and its application to field conditions has been obtained. This phase includes the definition of threshold values (maximum) for deterioration by permanent deformation under SHL conditions. In the last phase of the work (Chapters 6 and 7), a complete methodology has been proposed to apply the deformation rate model in SHL vehicles' cases, and it has been compared with the current methodologies.

Le réseau routier subit des dégradations sous l’effet du trafic et des conditions climatiques. Le relevé dans les images de différents types de défauts de surface permet d’évaluer l’état du réseau et de programmer des opérations de maintenance nécessaires. Le but de cette thèse est ainsi de développer des méthodes non-supervisées dédiées à l'analyse des images 2D et 3D. Nous nous focalisons sur la détection de dégradations du marquage routier et la détection des fissures sur la chaussée. Dans le cadre de la signalisation horizontale, notre objectif est de réaliser un algorithme capable de détecter, reconnaitre, géolocaliser et quantifier l’état du marquage routier à l’aide d’un système d’imagerie panoramique. Le traitement d’images effectué utilise une méthode de segmentation couleur pour faciliter la phase d’extraction des zones de marquages routiers. Ensuite, une technique de perspective inverse est appliquée pour faciliter l’identification des objets détectés. L’état du marquage est établi à partir des variations des caractéristiques géométriques (longueur, largeur, etc.) et colorimétriques (niveau de couleur blanche) des objets identifiés dans l’image. Dans le cadre de la détection des fissures, notre aspiration consiste à extraire automatiquement les fissures en surface de chaussée, en supposant que celles-ci sont des structures fines et sombres dans l’image. Parmi les nombreuses méthodes existantes, nos approches retenues suivent un schéma classique composé de trois phases principales, à savoir une phase de pré-traitement pour réduire la quantité d’information à traiter, une phase de traitement pour extraire les points ayant une forte vraisemblance d’appartenir à une fissure et une phase de post-traitement pour estimer la gravité du matériel. Les performances de nos algorithmes sont évaluées sur des images réelles 2D et 3D issues de 3 capteurs différents (VIAPIX®, LCMS et Aigle-RN)
The road network is subject to degradations due to traffic and weather conditions. The detection of surface defects within pavement images is used to evaluate the road network and to schedule the necessary maintenance operations. The goal of this thesis is to develop unsupervised processing techniques for the analysis of 2D and 3D pavement images, which originate from imaging systems operating in the field of road engineering. We focus on the detection of road marking damage and the detection of cracks on the pavement. In the context of road marking, our objective is to realize an algorithm for detecting, recognizing, geo-locating and monitoring the wearing conditions of road marking using a panoramic imaging system. The performed image processing uses a color segmentation method to facilitate the extraction phase of the road marking zones. Then, an inverse perspective technique is applied to ease the identification of detected objects.The wearing conditions of road marking is established from the variations in the geometric (length, width, etc.) and colorimetric (white color level) characteristics of the objects identified in the image.In the context of road crack detection, our aspiration is the automatic segmentation of cracks within pavement images, assuming that they represent fine and dark features in the image. Among the many existing methods, our chosen approaches follow a classical scheme composed of three main phases, namely, a pre-processing phase to reduce the amount of information to be processed in the image, a processing phase to extract the points having a high likelihood of belonging to a crack on the road and a post-processing phase to estimate the severity and the damage level of the pavement. The performances of our proposed algorithms are evaluated on 2D and 3D real images, coming from 3 types of existing imaging devices for road engineering (VIAPIX®, LCMS and Aigle-RN)

Les essais accélérés sur chaussées (APT) ont été de plus en plus utilisés au cours de ces dernières années pour évaluer le comportement des structures de chaussées et leurs durées de vie. Ceci est principalement dû à leur capacité à simuler en vraie grandeur l’effet des charges du trafic et des conditions climatiques sur les chaussées, dans un court laps de temps, et à suivre le comportement des chaussées jusqu'à la fin de leur durée de vie. Ces essais permettent d’évaluer les méthodes de conception des chaussées ou l'utilisation de matériaux et structures de chaussée innovants. Cependant, les mesures réalisées au cours desessais accélérés sur chaussées sont nombreuses et variées, et il n’existe pas une démarche commune pour évaluer le comportement des chaussées étudiées. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie pour analyser lecomportement des chaussées, dans les essais accélérés, depuis leurs conditions initiales jusqu'à leur niveau de dégradation final. Cette approche est appliquée à une expérimentation réalisée à l’Université Gustave Eiffel, dans le cadre du projet ANR SolDuGri, qui visait à comparer les performances d’une structure de chaussée bitumineuse traditionnelle avec des structures renforcées par des grilles en fibre de verre. A partir de ces analyses, une approche de dimensionnement de chaussées probabiliste, visant à étendre l'approche française de dimensionnement des chaussées, afin de mieux prendre en compte les variations de certains paramètres de dimensionnement, pour prédire la durée de vie des chaussées est proposée, et appliquée à l’analyse d’essais accélérés sur chaussées
Accelerated pavement tests (APT) have been increasingly used in recent years to assess the behaviour of pavement structures and their lifetimes. This is mainly due to their ability to simulate the full-scale effect of traffic loads and climatic conditions on pavements, in ashort period of time, and to follow the behaviour of the pavements until the end of their service life. These tests make it possible to evaluate pavement design methods or the use of innovative pavement materials and structures. However, the measurements made during accelerated pavement tests are numerous and varied, and there is no common approach to assess the behaviour of the studied pavements. The main objective of this thesis is to develop a methodology to analyse the behaviour of pavements, in accelerated tests, from their initial conditions to their final level of deterioration. This approach is applied to an experiment carried out at Université GustaveEiffel, as part of the ANR SolDuGri project, which aimed to compare the performance of a traditional bituminous pavement structure withstructures reinforced by fiberglass grids. From these analyses, a probabilistic pavement design approach, aiming to extend the Frenchpavement design approach, in order to better take into account the variations of certain design parameters, to predict the service life ofpavements is proposed, and applied to the analysis of accelerated tests on pavements

Des techniques adaptées aux contextes routiers sont nécessaires pour maintenir et réhabiliter des chaussées construites sur pergélisol ou en contexte de gel saisonnier. Plusieurs problématiques peuvent engendrer une augmentation des coûts de réparation et entretien, une diminution de la durée de vie des chaussées et des problèmes reliés à la sécurité des usagers de la route. L’objectif du projet consiste donc à élaborer un outil d’aide à la décision, qui contribuerait à localiser les zones sensibles au gel saisonnier et à la dégradation du pergélisol, à discerner les causes de dégradation des chaussées dues au gel saisonnier et à sélectionner les meilleures stratégies d’atténuation et de réfection à moindre coût. Le projet de recherche est divisé en deux volets distincts. Le premier volet traite des problématiques de gel de chaussées en contexte de gel saisonnier. Actuellement, il existe des méthodes de diagnostic qui permettent de détecter les endroits où un problème de gélivité est susceptible d’être présent. Par contre, ces méthodes ne permettent pas de discerner si le problème de gel est en profondeur ou en surface de la chaussée; en d’autres mots si le problème est lié à un soulèvement différentiel du sol ou à un soulèvement de fissures. De plus, les méthodes utilisées ne sont pas adaptées aux chaussées en contexte municipal. Selon les problématiques connues de certains sites, il a été possible de développer un abaque permettant de différencier si la problématique de gel se situe en surface ou en profondeur dans une chaussée. Puis, une analyse d’imagerie 3D a été réalisée pour complémenter l’abaque créé. À l’aide de cette technologie, une nouvelle méthode sera mise au point pour détecter des problématiques de gel grâce aux profils transversaux. Le deuxième volet porte sur les chaussées construites sur pergélisol. Les méthodes actuelles de détection de la dégradation du pergélisol sous les chaussées manquent de précision et ont besoin d’être raffinées, surtout dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Pour ce faire, trois sites d’essais ont été étudiés sur l’Alaska Highway au Yukon. En fonction de différentes analyses telles que des analyses de profils longitudinaux, de la densité spectrale et de longueurs d’onde, des tendances ont été décelées pour caractériser l’instabilité du pergélisol.
Methods adapted to road condition are needed to maintain and rehabilitate roads built on permafrost or in context of seasonal frost. Several issues can lead to increase repair and maintenance costs, decrease the pavement’s lifetime and increase problems related to the safety of road users. The project objective is to develop a profile analysis tool, which would help to locate thaw and frost sensitive zones, diagnose the causes of degradation and select proper mitigation strategies. The research project is divided into two parts. The first section is related to frost heaves on pavements in context of seasonal frost. Currently, there are diagnosis methods for detecting areas where frost susceptibility is present. These methods do not allow to determine whether the freezing problem is under or at the surface of the road; in other words if the problem is related to differential heave or uplift cracks. Moreover, the methods used are not adapted to municipal roads. According to the known problems of some sites, it was possible to develop a chart used to differentiate if the frost problem is in surface layers or deep in the road subgrade. Then, a 3D analysis was done to complement the chart. Using this technology, a new method will be developed to detect freezing problems through the transverse profiles. The second part focuses on the pavements built on permafrost. Current methods for detecting the degradation of permafrost under roads are unclear and need to be refined. Three test sites were studied on the Alaska Highway in Yukon. Depending on various analysis, such as analysis of longitudinal profiles, the spectral density and wavelength, trends analysis were found to characterize the instability of permafrost.

Les itinéraires routiers supportant un nombre élevé de véhicules lourds ont habituellement des structures de chaussées épaisses et peu déformables. A ce jour, l’évaluation de l’état structurel réalisée au moyen d’appareils de mesure de déflexion (déflectographe ou curviamètre) et les relevés de dégradation sont souvent insuffisants pour détecter le début d’endommagement des structures épaisses. Afin de mesurer de façon plus précise et en continue, la réponse mécanique de la chaussée, des sections autoroutières ont été instrumentées au moyen de capteurs spécifiques (jauges, sondes de température et géophones) qui constituent un moyen d’auscultation complémentaire. L’exploitation des mesures sous trafic réel génère cependant une grande quantité des données et une variabilité des mesures qui conduisent à proposer une procédure originale de tri des signaux. Le traitement des mesures des jauges permet d’analyser les variations réelles des déformations en prenant en compte les variations journalières et saisonnières des paramètres environnementaux. Une modélisation avec différentes hypothèses de comportement aux interfaces des différentes couches de la chaussée est ensuite proposée, ce qui permet d’améliorer la compréhension du comportement mécanique de la chaussée sous trafic réel. Le traitement des mesures des géophones permet de remonter à la mesure de la déflexion qui représente la capacité portante de la chaussée. L’utilisation des différents géophones permet également d’identifier les silhouettes des poids-lourds et d’estimer leur vitesse ainsi que leur position latérale. Ces travaux répondent à une demande très actuelle des gestionnaires d’ouvrages, qui souhaitent disposer d’outils pour le monitoring dans le temps de leurs infrastructures
Recently, the roads supporting a great number of heavy vehicles usually have a thick and little deformable structure. To evaluate the pavement performances, deflection measurement devices have been used. However, these measurements are not accurate and the degradation detection is not enough to detect the start of pavement damage.In order to obtain more accurate and continuous mechanical pavement measurements, highway sections were instrumented with specific sensors (temperature probes, strain gages, geophones). However, the measurements analysis under real traffic generates a great number of data and a variability of measurements. Therefore, this problem requires an original signal sorting process. The study of strain measurements allows analyzing real strain variations which take in account the daily and seasonal variations of environment parameters.Modelling calculations with different assumptions were carried out afterward in order to obtain the best prediction for the mechanical pavement behavior. The study of geophone measurements allows measuring pavement deflections which represent pavement bearing capacity. In addition, different geophones were used to characterize heavy vehicle silhouettes, vehicle speeds and their lateral positions. The thesis work meets the expected requirement of construction managers to monitor continuously their infrastructures under real traffic

Si, pour les matériaux composites élaborés, de nombreuses études expérimentales ainsi que des modèles locaux de comportement ont été développés, la maîtrise du comportement des interfaces entre couches de surface ou d’assise de chaussées est actuellement un réel verrou scientifique. La méthode de dimensionnement française actuelle ne prend en compte, aux interfaces, que des conditions conventionnelles de collage ou de glissement parfait. Afin d’appréhender le comportement local de l’interphase\interface, les outils de la photomécanique apparaissent incontournables. La présente thèse propose une modélisation de l’interface rugueuse et endommageable par un modèle de zone cohésive en mode mixte. Ce manuscrit de thèse comporte trois chapitres. D’abord, le chapitre I présente un état de l’art sur les interfaces dans les matériaux et les structures et en particulier dans les couches de chaussées. Ensuite dans le chapitre II, une identification expérimentale des paramètres mécaniques et géométriques du modèle d’interface est proposée à travers des essais de traction et de cisaillement et des mesures de la texture (PMT et projections de franges). Les résultats obtenus (adhésion, rugosité,…) seront les paramètres d’entrée d’un modèle d’endommagement d’interface. Enfin, le chapitre III aborde la modélisation des interfaces entre couches de chaussées sous l’angle des modèles de zones cohésives avec la prise en compte de la rugosité géométrique. A l’issu de cette étude, une loi est proposée permettant de prendre en compte l’effet de la rugosité à une échelle locale dans une interface lisse équivalente à l’échelle globale
Interface between bituminous layers is an important parameter for the pavement computational design.New pathologies in pavement structure require today rational methods taking into account theinterfaces behavior. Due to these concerns, the current study is based on a damage cohesive zonemodel (CZM) in mixed mode of the rough interfaces. The model was initially proposed by Allix-Ladevèze. This thesis presents a comprehensive interface modeling including delay effect, based ondamage energy release rate. The process of the present study is presented in three chapters. The firstchapter present the stat of art of interfaces. The second devoted to identify the parameters of theinterface model and material properties through advanced optical method as Digital Image Correlation(DIC) and (H-DIC). In the third chapter, a study of the influence of the elastic normal and tangentialstiffness and coupling parameters in the mixed mode on the debonding interfacial energy is presented.An analytical model provides relations between the interfaces stiffness, the coupling parameter of theCZM and the interfacial roughness. Then, a parametric numerical analysis is conducted to study theroughness effect on the interface constitutive law. Results show clearly the roughness influence in thiskind of structures. The damage behaviours predicted by the proposed model for pure mode I, puremode II and for mixed mode with taking into account of roughness are found in good agreement withexperimental results

L'orniérage, dû à l'accumulation des déformations permanentes des matériaux non liés, sous les passages répétés des charges roulantes, est le principal mode de dégradation des chaussées à assises non traitées. Ces chaussées dites souples présentent un comportement fortement non linéaire, mal pris en compte dans la méthode française de dimensionnement. Afin d'améliorer la prédiction du comportement à long terme de ces chaussées, nous proposons une méthode de calcul de l'orniérage, permettant de prendre en compte le comportement non linéaire des matériaux non traités et des conditions de chargement réalistes. Basée sur l'hypothèse de découplage des comportements réversible et irréversible des graves non traitées sous le passage d'une charge, la méthode de calcul utilise à la fois