Thèse soutenue

Field and laboratory investigation on the dynamic behaviour of conventional railway track-bed materials in the context of traffic upgrade

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Auteur / Autrice : Francisco Lamas-Lopez
Direction : Yu Jun Cui
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Géotechnique
Date : Soutenance le 15/04/2016
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
Jury : Président / Présidente : Antonio Gomès-Correia
Examinateurs / Examinatrices : Yu Jun Cui, Pedro Alves Costa, Jean-Claude Dupla, Jean-François Semblat, Nicolas Calon
Rapporteurs / Rapporteuses : Geert Degrande, Pierre Breul

Résumé

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Comme dans d'autres pays européens, en France, les lignes classiques constituent la plupart du réseau ferroviaire (94%) et elles sont généralement âgées de plus d'un siècle. Aujourd'hui, on est demandé d’améliorer les réseaux pour faire face à une augmentation de la charge du trafic et de la vitesse de service. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement l'influence de la vitesse et de la charge sur le comportement dynamique des matériaux constituant les voies classiques, à travers à la fois le suivi «in-situ» et des essais en laboratoire. Pour les études «in-situ», une section de ligne représentative du réseau classique a été sélectionnée dans le réseau français. Le site choisi a fait l’objet d’une prospection géophysique et géotechnique, ce qui a permis de définir les propriétés géotechniques des différents sols constituant la plateforme. L’impact de la vitesse du train et la charge à l'essieu sur la contrainte verticale, déflection/déformation, et en particulier leurs amplifications ont été évalués avec l’augmentation de la vitesse d’un train d'essai Intercités roulant à des vitesses différentes de 60 km/h à 200 km/h et les différentes charges à l'essieu appliquées par des voitures de passagers et la locomotive. Une analyse statistique est aussi réalisée afin d'évaluer la variabilité de la réponse de la voie et leur amplification dynamique avec la vitesse, en se basant sur les données enregistrées lors des passages de trains commerciaux. On observe que l’'amplification dynamique de la réponse de la voie due à la vitesse des trains est directement liée au rapport entre la vitesse des trains et la vitesse des ondes de surface du site. Un matériau représentative du sol intermédiaire des voies classiques a été préparé et testé dans une cellule triaxiale cyclique pour étudier son comportement mécanique. Deux types de charges, de forme sinusoïdale et de forme M, ont été appliqués et, en outre, deux teneurs en eau ont été examinés. Des variations des paramètres dynamiques des sols tels que le module élastique et le rapport d’amortissement avec le nombre de cycles ont été évalués, et les effets des paramètres de chargement tels que la forme de la charge, l'amplitude de la charge et la fréquence de charge ont été étudiés. L'effet de la teneur en eau a été étudié également. Il a été observé que la réponse de l'énergie développée pendant le chargement cyclique est un paramètre qui gouverne le comportement mécanique des sols à petit et grand nombre de cycles. En outre, la charge en forme sinusoïdale a été trouvée plus agressive que celle en forme de M parce que ce chargement sinusoïdal développe plus d'énergie, engendrant ainsi plus de déformations permanentes du sol à grand nombre de cycles, particulièrement le cas lorsque le sol est saturé. A partir des résultats obtenus sur le terrain et en laboratoire, deux modèles analytiques en 2-D ont été développés permettant de décrire la distribution de contrainte verticale et la propagation des déflections verticales. Certains paramètres mécaniques tels que les modules élastiques des couches de la voie, leurs rapports d'amortissement, leurs épaisseurs, ainsi que la vitesse moyenne des ondes de surface dans la section de voie considérée se sont révélés être les principaux paramètres contrôlant le comportement dynamique de la voie. Une comparaison entre les mesures effectuées sur le terrain et les résultats des essais en laboratoire a été également réalisée. La réponse de la voie sous différents types de trains, TER et TGV avec des charges équivalentes mais avec différentes configurations spatiales des essieux, est présentée. On observe que la réponse en énergie est plus élevée pour TGV que pour TER. Cette plus grande énergie développée suggère une plus grande agressivité vis-à-vis de la structure de la voie. Ainsi, la réponse en énergie est un indicateur important à prendre en compte lors d’un suivi du comportement mécanique d’une voie