Renforcement des voies ferroviaires ballastées : optimisation du procédé de collage du ballast par couplage d’approches numérique et expérimentale

Reinforcement of the ballast railways : optimization of the ballast bonding process by coupling numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Félix Laboup
• Direction : Mathieu Renouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie civil et architecture
• Date : Soutenance le 12/10/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Moulay Saïd El Youssoufi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Renouf, Moulay Saïd El Youssoufi, Gaël Combe, Riccardo Artoni, Claire Silvani, Aurélien Saulot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gaël Combe, Riccardo Artoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cohésion

Transports ferroviaires

Ballast (chemins de fer)

Mots clés libres

Dem

Ballast

Cohésion

Résistance latérale

Dem

Ballast

Cohesion

Lateral resistance

Résumé

Le collage du ballast est un procédé consistant à verser un liant sur l’ensemble d’agrégats rocheux qu’est le ballast afin d’en limiter les déplacements, et par conséquent les opérations de maintenance très coûteuses en temps et en moyens. Pour comprendre et optimiser le procédé de collage du ballast utilisé en exploitation ferroviaire par la SNCF, le développement d’un modèle numérique de colle à ballast est proposé ainsi que son exploitation dans un code de calcul par éléments discrets LMGC90, basé sur l’approche NonSmooth Contact Dynamics. Pour développer ce modèle, une approche combinant expérimentations en laboratoire et expérimentations numériques est proposée, expérimentations menées à différentes échelles. Dans un premier temps, des essais expérimentaux de traction sont réalisés sur des reproductions de contacts entre grains de ballast collés. Ces essais ont fourni des données locales utilisées pour calibrer les deux paramètres d’une première loi de contact cohésive numérique simple, de type Dugdale : la résistance cohésive maximale d’un contact, et la distance de séparation au-delà de laquelle on considère le contact décollé. Un deuxième modèle développé par Venzal, plus précis, a également été paramétré grâce aux essais expérimentaux unitaires. Il est entre autre traduit par une raideur initiale, une contrainte maximale, et un endommagement progressif du contact cohésif. Ces modèles sont ensuite exploités grâce à la plateforme LMGC90 dédiée à la modélisation de milieux divisés pour réaliser des simulations '' modèles '' de caractérisation macroscopique de milieu granulaire collé, puis des simulations appliquées à la problématique ferroviaire. Ainsi, des essais numériques de compression triaxiale effectués sur un milieu granulaire polyédrique cohésif ont mis en évidence l'importance du choix du modèle de cohésion : les simulations réalisées avec la loi Dugdale ne permettent pas de respecter l'application d'une pression isotrope sur les parois de l'échantillon pour les intensités de cohésion élevées, en raison de la forte déformation du milieu. Les essais réalisés avec la loi Venzal restent significatifs, et permettent d'expliquer l'évolution de la résistance du système grâce à l'évolution de l'endommagement des contacts cohésifs. Au départ, l'échantillon s'endommage fortement car la dilatation volumique de l'échantillon nécessite la rupture des contacts intervenant activement dans la résistance du milieu ; sur cette période, la résistance au cisaillement du système augmente drastiquement. Elle finit par baisser pour se stabiliser une fois la détérioration des contacts cohésifs suffisante. Des essais de résistance latérale expérimentaux et numériques ont également été conduits, avec différentes configurations de collage. Les essais expérimentaux, en plus de fournir des données de référence, prouvent que l’ajout de la cohésion dans le massif ballasté en augmente la résistance latérale, et quantifient ce renforcement (jusqu’à atteindre une amélioration de 43% pour un collage de la banquette en profondeur). Un collage surfacique de la banquette propose un renforcement de 22% pour une moindre quantité de colle. Les essais numériques de résistance latérales montrent que la cohésion peut agir sur deux aspects différents : renforcer le réseau de résistance qui s’oppose déjà au mouvement latéral de la traverse, ou ajouter un réseau d’opposition supplémentaire en plus du préexistant. Ces travaux offrent ainsi un outil numérique permettant de répondre à la problématique ferroviaire soulevée et proposent différentes pistes de réflexion.

Ballast gluing is a process that consists in spreading a binder on the ballast as a set of rocky aggregates in order to limit its movements, and consequently the maintenance operations, which are very costly in time and resources. To understand and optimize the ballast gluing process used in railway operations by the SNCF, the development of a numerical model of ballast glue is proposed as well as its exploitation in a discrete element calculation code LMGC90, based on the NonSmooth Contact Dynamics approach.To develop this model, an approach combining laboratory and numerical experiments is proposed, experiments conducted at different scales. In a first step, experimental tensile tests are carried out on reproductions of contacts between bonded ballast grains. These tests provided local data used to calibrate the two parameters of a first simple numerical cohesive contact law, of Dugdale type: the maximum cohesive resistance of a contact, and the separation distance beyond which the detached contact is considered.A second law developped by Venzal, more precise, is also calibrated. It is described by an initial stiffness, a maximal strain and allows the contact to damage.These models are then exploited thanks to the LMGC90 platform dedicated to the modeling of divided media to carry out ''model'' simulations, and then simulations applied to railway issues.Thus, numerical tests of triaxial compression carried out on a cohesive polyhedral granular medium have highlighted the importance of the cohesion law used : simulations executed with Dugdale law and important cohesion intensity cannot respect the application of an isotropic pressure on the sample because of the importance of its strain. Tests realized with Venzal law are meaningful, and link the evolution of sample shearing resistance to the evolution of contact cohesion damage. At first, the sample quickly damage itself, because its volumic expansion breaks the cohesion of contacts which actively take part of the medium resistance ; at the same time, the system shearing resistance increase considerably. It decreases and stabilizes when the cohesion damage is sufficient.Experimental and numerical lateral resistance tests have also been conducted, with different bonding configurations. Experimental tests, in addition to providing reference data, prove that adding cohesion to the ballasted mass increases its lateral strength, and quantify this reinforcement (up to a 43% improvement for deep bench bonding). A surface gluing of the seat offers a 22% reinforcement for a lower quantity of glue. Numerical lateral strength tests show that cohesion can act on two different aspects: reinforcing the resistance network that already opposes the lateral movement of the cross member, or adding an additional opposition network on top of the pre-existing one. This work thus offers a numerical tool to respond to the railway problem raised and proposes various avenues for reflection.