La couche de fondation est un élément essentiel de la structure d'une chaussée, assurant la durabilité et la résistance de la route face aux charges et aux conditions environnementales. Cet article explore en détail la composition, les types, les matériaux et les considérations de conception pour les couches de fondation routières.
Introduction
La construction d'une route nécessite une conception minutieuse et une exécution précise pour garantir sa longévité et sa fonctionnalité. La couche de fondation joue un rôle crucial dans ce processus, agissant comme une base stable et résistante pour les couches supérieures de la chaussée. Elle permet de répartir les charges du trafic sur le sol sous-jacent, réduisant ainsi les contraintes et les déformations.
Les caractéristiques d'une route, telles que sa largeur, son épaisseur, son profil en travers et en long, ainsi que la nature de sa structure et de son infrastructure, peuvent être adaptées en fonction de sa nature et de sa destination. Cette flexibilité permet de construire des routes en béton dans presque tous les cas, quel que soit le projet, à un coût compétitif. Cependant, comme pour toute technique routière, la réalisation d'une voirie en béton dans de bonnes conditions et son bon fonctionnement dans le temps nécessitent de respecter certaines règles fondamentales concernant l'infrastructure, l'assainissement, le drainage et les matériaux constituant la chaussée.
Les caractéristiques mécaniques du béton, telles que sa grande rigidité et sa forte résistance, ainsi que ses propriétés physiques spécifiques, permettent des simplifications au niveau de la conception de la structure, du profil en travers et du profil en long, entraînant des économies sur l'investissement et l'entretien.
Structure et Infrastructure
La durabilité d'un revêtement en béton est garantie par sa tenue à la fatigue, tandis que sa grande rigidité assure une bonne répartition des charges sur la plate-forme support. Les structures rigides n'ont donc pas besoin de fondations complexes, ce qui les rend très compétitives, en particulier pour les voiries à faible trafic.
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En fonction des travaux à réaliser, deux cas sont envisagés : la réfection de voiries et la construction d'un revêtement neuf en béton.
Réfection de Voiries
La réfection d'une voirie souple existante consiste à décaisser la structure sur une épaisseur déterminée, correspondant au dimensionnement de la nouvelle structure, et à mettre en œuvre le nouveau revêtement en béton selon les règles de l'art. Pour déterminer l'épaisseur de la nouvelle structure, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de la plate-forme obtenue après décaissement, notamment son degré d'homogénéité et son niveau de portance.
En général, la plate-forme envisagée pour la nouvelle structure présente une bonne homogénéité et un niveau de portance suffisant, supérieur ou égal à PF1, grâce à la protection du support assurée par l'ancien revêtement et à sa consolidation au cours du temps. L'échelle de portance SETRA définit cinq niveaux possibles :
- PF1 : 6 < CBR ≤ 10 ou 20 < EV2 ≤ 50 MPa
- PF2 : 10 < CBR ≤ 15 ou 50 < EV2 ≤ 80 MPa
- PF2qs : 15 < CBR ≤ 20 ou 80 < EV2 ≤ 120 MPa
- PF3 : 20 < CBR ≤ 50 ou 120 < EV2 ≤ 200 MPa
- PF4 : CBR > 50 ou EV2 > 200 MPa
Pour le choix de la portance, on distingue deux cas :
- Existence d'une étude géotechnique préalable : Le géotechnicien peut apprécier l'homogénéité et la portance de la plate-forme envisagée en se basant sur les critères de l'échelle de portance.
- Absence d'étude préalable : On suppose que la portance de la plate-forme envisagée est égale à PF1.
Si une amélioration ponctuelle de la portance de la plate-forme est nécessaire, des travaux de purge doivent être envisagés aux endroits où la portance du support est inférieure à PF1.
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Revêtement Neuf en Béton
La construction d'un revêtement neuf en béton consiste à décaper la terre végétale, à effectuer les travaux de terrassement et à mettre en œuvre la structure de chaussée selon les règles de l'art. Trois cas peuvent se présenter :
- Sol de faible portance : Une solution d'amélioration (couche de forme ou traitement des sols en place) est à prévoir si la portance du sol au niveau de l'arase de terrassement (AR) est AR0 (CBR X 6) ou EV2 ≤ 20 MPa.
- Sol hétérogène et portant : Une couche de réglage, d'une épaisseur de 10 cm, doit être interposée entre le sol support et la structure béton.
- Sol homogène et portant : La structure béton est réalisée directement sur le sol préparé (nivelé et compacté).
Conditions aux Interfaces dans une Structure en Béton
Les chaussées en béton de ciment sont classées en trois catégories :
- Béton de ciment de classe 5 (BC5) sur matériau bitumineux (BAC sur GB3, BAC sur BBSG et BCg sur GB3).
- Béton de ciment de classe 5 (BC5) sur matériau hydraulique (matériaux traités au liant hydraulique ou bétons maigres de classe 2 ou 3).
- Béton de ciment de classe 5 (BC5) sur couche de forme ou couche drainante.
Les conditions de liaison entre les couches sont les suivantes :
- Couche de fondation (ou de base) sur le support de chaussée : interface collée.
- Catégorie « Béton sur Matériau Bitumineux (MB) » :
- BAC / BBSG : interface glissante.
- BAC / GB3 : interface collée pendant 15 ans puis glissante.
- BCg / GB3 : interface semi-collée.
- Catégorie « Béton sur Matériau Traité au Liant Hydraulique (MTLH) » :
- Dalles sur béton maigre ou MTLH : interface glissante.
- BAC sur béton maigre ou MTLH : interface glissante.
- Catégorie « Béton sur couche de forme ou couche drainante » :
- Dalle sur couche de forme non traitée ou couche drainante : interface collée.
- Dalle sur couche de forme traitée : interface collée.
- Catégorie « enrobé ou enduit superficiel d'usure sur béton » : interface collée.
Les structures BCg sur fondation en grave bitume de classe 3 ne peuvent être mises en œuvre que sur des plates-formes de performance au moins égale à PF2qs. L'épaisseur minimale de grave bitume de classe 3 est alors fixée à 0,08 m. Les structures de dalle épaisse sur couche de forme sont admises pour un trafic limité à T1.
Sur-largeurs des Couches de Chaussée
Afin de réduire les sollicitations dans la dalle couche de Base, il est défini une sur-largeur de cette dalle en fonction du trafic. D'autre part, pour assurer des conditions correctes d'exécution, chaque couche de chaussée présente, par rapport à la couche qu'elle supporte, une sur-largeur bien définie. Ainsi, la couche de fondation présente, par rapport à la dalle couche de Base-Roulement, une sur-largeur de :
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- 0,30 m côté droit, pour une fondation en grave traitée aux liants hydrauliques, et 0,10 m pour du béton maigre ou grave bitume.
- 0,10 m côté Terre-Plein Central (TPC).
Épaisseur Minimale de la Couche de Fondation
Pour les chaussées à fondation en béton maigre, la couche de fondation a une épaisseur minimale de :
- 0,21 m si la plate-forme support est de niveau PF1
- 0,18 m en PF2
- 0,16 m en PF2qs
- 0,15 m en PF3
- 0,12 m en PF4
Pour les chaussées à fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques, la couche de fondation a une épaisseur minimale de :
- 0,22 m en PF1
- 0,20 m en PF2
- 0,19 m en PF2qs
- 0,18 m en PF3
- 0,15 m en PF4
Les structures BAC sur fondation en grave bitume de classe 3 ou en BBSG ne peuvent être mises en œuvre que sur des plates-formes PF3 ou PF4. L'épaisseur minimale de grave bitume de classe 3 est alors fixée à 0,08 m et celle de BBSG à 0,05 m.
Drainage
L'eau est un ennemi majeur de la route, accélérant la dégradation des structures de chaussées. La présence d'eau dans les chaussées rigides est due à :
- L'infiltration par les joints et les abords de la chaussée.
- La remontée des eaux de la plate-forme (déblais, nappes affleurantes, points singuliers, etc.).
- La concentration des eaux sous le revêtement en période de dégel (eau remontant par succion en période de gel).
Pour éviter les accumulations d'eau sous le revêtement en béton et les accotements, des dispositions constructives sont adoptées.
Collecte et Évacuation des Eaux Superficielles
Pour assurer la sécurité et le confort des usagers, il faut évacuer rapidement l'eau de la surface de la chaussée. Un profil en travers adapté, avec dévers d'au moins 2 %, canalisera l'eau soit au milieu de la chaussée, soit latéralement. L'eau sera ensuite évacuée de façon classique par des caniveaux et des avaloirs judicieusement placés.
Remplissage des Joints
Cette disposition doit être modulée en fonction du type de la voirie, du trafic et des conditions climatiques. Elle consiste à introduire dans les joints sciés transversaux et longitudinaux, un produit imperméable, déformable, résistant et adhérent aux deux bords de la réserve. Les produits de remplissage les plus utilisés sont les produits coulés à chaud, constitués essentiellement de bitume adapté.
Dispositifs de Drainage
Il existe deux types de dispositifs de drainage :
- Dispositifs de drainage de la plate-forme : Ces dispositifs sont à prévoir quelle que soit la classe de trafic de la voirie et sont utilisés à des endroits singuliers tels que les points bas du profil en long, les purges localisées de la plate-forme et les pentes accentuées du profil en long sur une grande longueur.
- Dispositifs de drainage de l'eau due aux infiltrations superficielles : L'eau qui a pu s'infiltrer dans la chaussée est acheminée vers les côtés et évacuée par des drains et des exutoires. À l'interface de la structure béton-plate-forme support, la circulation de l'eau est assurée, soit par gravité, soit à l'aide d'un complexe associant des géotextiles filtrants et drainants.
Profils en Travers Types
Le projet d'une voirie à faible trafic en béton doit être conçu en tenant compte des avantages du matériau Béton. En effet, grâce à sa moulabilité et sa forte résistance aux diverses sollicitations extérieures, en particulier à l'érosion, il permet une grande variété de profils (en travers et en long), car c'est la chaussée, elle-même, qui peut-être utilisée pour assurer le ruissellement des eaux pluviales et donc participer à l'assainissement.
Route à Deux Voies de Circulation
Seul le béton permet de réaliser simplement et économiquement des profils en travers en toit inversé (ou en forme de V). Les eaux pluviales sont alors collectées au milieu du chemin et évacuées par des ouvrages d'assainissement judicieusement placés. D'autres profils en travers peuvent être utilisés, comme par exemple, le profil en toit.
Route à Une Voie de Circulation
Différentes formes de profil en travers sont possibles.
- Profil à écoulement central : Les profils en forme de « V », sont surtout utilisés lorsque le projet suit la pente naturelle du terrain. Les eaux pluviales sont alors collectées au milieu du chemin et évacuées par des ouvrages d'assainissement judicieusement placés. Ce profil est particulièrement adapté aux routes agricoles, viticoles et forestières.
- Profil à écoulement latéral : À une seule pente, ces profils sont surtout utilisés lorsque les routes se trouvent à flanc de coteau. La pente transversale renvoie l'eau du côté amont du terrain naturel.
Joints
Le joint a pour but de localiser la fissuration de retrait du béton de manière précise et de réduire les sollicitations dues au retrait et au gradient thermique. Il est réalisé en créant dans le revêtement une discontinuité totale ou une entaille qui matérialise un plan de faiblesse. La réalisation correcte des joints est donc une condition essentielle à la pérennité de la voirie.
Différents Types de Joints
On distingue trois grandes familles de joints : les joints transversaux, les joints longitudinaux et les joints de dilatation.
Joints Transversaux
Ils sont perpendiculaires à l'axe de la route et sont classés en trois catégories :
- Les joints de retrait / flexion
- Les joints de retrait / flexion goujonnés
- Les joints de construction
a) Joints de retrait/flexion : Leur rôle est de réduire les sollicitations dues au retrait du béton et au gradient de température. Ils sont réalisés en créant une saignée ou une entaille à la partie supérieure du revêtement. Ces joints doivent avoir une profondeur comprise entre un quart et un tiers de l'épaisseur du revêtement et une largeur comprise entre 3 et 5 mm. L'espacement optimal des joints dépend du retrait du béton, des caractéristiques de friction de l'infrastructure et de l'épaisseur du revêtement. Le tableau 5 présente les espacements recommandés en fonction des épaisseurs de la dalle.
b) Joints de retrait/flexion goujonnés : Les goujons ont pour rôle d'améliorer le transfert des charges aux droits des joints de retrait/flexion. Les goujons sont conformes à la norme NF EN 138…
Caractéristiques Générales des Chaussées
Les caractéristiques générales des chaussées reposent sur le trafic, élément essentiel de leur dimensionnement. Le poids des véhicules est transmis à la chaussée, sous forme de pressions, par l'intermédiaire des pneumatiques. Seul le camion est pris en compte pour déterminer les classes de trafic. La méthode de dimensionnement ne prend en compte que les poids lourds définis dans la norme NF P 98-082 dont le poids total autorisé en charge (PTAC) est supérieur ou égal à 35 kN (3,5 tonnes). Le trafic est caractérisé par les paramètres suivants :
- TMJA (Trafic Moyen Journalier Annuel) : Il est égal au trafic total de l'année, par sens de circulation, divisé par 365.
- Ti : Classe de trafic déterminée par le TMJA et décomposée en dix classes (t7 ; t6 ; t5 ; t4 ; t3- ; t3+; T3; T2; T1 et T0).
- NPL : Nombre de poids lourds cumulé pendant la durée de service choisie.
- NE : Nombre équivalent d’essieux de référence à prendre en compte pour le dimensionnement.
Différentes Classes de Trafic
Les classes de trafic sont définies par le trafic moyen journalier des Poids Lourds (Poids Total Autorisé en Charge supérieur à 3,5 Tonnes) qui circulent sur la chaussée. On obtient ainsi :
- Classe t7 : de 0 à 2 PL/j
- Classe t6 : de 3 à 10 PL/j
- Classe t5 : de 11 à 25 PL/j
- Classe t4 : de 26 à 50 PL/j
- Classe t3- : de 51 à 85 PL/j
- Classe t3+ : de 86 à 150 PL/j
- Classe T3 : de 51 à 150 PL/j
- Classe T2 : de 151 à 300 PL/j
- Classe T1 : de 301 à 750 PL/j
- Classe T0 : de 751 à 2 000 PL/j
Ces classes de trafic définissent deux grandes catégories de routes : les voiries à faible trafic (t7 à t3+) et les voiries à moyen et fort trafics (T3 à T0).
Voirie à Faible Trafic
Une voirie est dite à faible trafic lorsque le nombre de véhicules qui y circulent est inférieur à l'équivalent de 150 poids lourds par jour, soit environ 1500 véhicules par jour et par sens, tous modèles confondus. Cette appellation recouvre un très grand nombre de routes, notamment les routes départementales, communales, agricoles, forestières, viticoles, de lotissement, les aires de trafic industrielles et les aires de stationnement.
Caractéristiques Géométriques
Les caractéristiques géométriques d'une route sont illustrées par le profil en travers, le profil en long et le tracé en plan.
Profil en Travers
Il illustre la largeur de la chaussée et celle des accotements, ainsi que les pentes transversales.
Terminologie :
- EMPRISE : Partie du terrain appartenant à la collectivité et affectée à la route et à ses dépendances.
- ASSIETTE : Surface du terrain réellement occupée par la route.
- PLATE-FORME : Surface de la route comprenant la chaussée et les accotements.
- CHAUSSÉE : Surface aménagée de la route sur laquelle circulent les véhicules.
- ACCOTEMENTS : Zones latérales de la PLATE-FORME bordant extérieurement la chaussée.
Profil en Long
Il indique la valeur des pentes et des rampes, ainsi que les rayons des sommets des côtes et des points bas.
Tracé en Plan
Il met en évidence les longueurs des sections rectilignes et la valeur des rayons de courbure dans les virages.
Routes à Deux Voies de Circulation
Les caractéristiques géométriques respectent les critères liés à la sécurité et au confort des usagers. Les caractéristiques géométriques extrêmes des routes à deux voies de circulation sont les suivantes :
- Largeur de la chaussée : 5,50 à 6,00 mètres
- Dévers : 2 à 3%
- Rayon de courbure d’un point bas : 700 mètres (min.)
- Rayon de courbure d’un point haut : 500 mètres (min.)
- Pentes et rampes : 8 à 10 % (maxi)
- Rayon de courbure (en plan) : 30 mètres (min.)
Routes à Une Voie de Circulation
Les caractéristiques géométriques respectent les données suivantes : le profil en long épouse au mieux le profil du terrain naturel, et le profil en travers présente en général une pente transversale unique orientée de façon à permettre l’écoulement des eaux. Les caractéristiques géométriques extrêmes des routes à une voie de circulation sont les suivantes :
- Largeur de la chaussée : de 3 à 5 mètres
- Dévers: de 2 à 3 %
- Rayon de courbure d’un point bas : 100 mètres (min.)
- Rayon de courbure d’un point haut : 30 mètres (min.)
- Rayon de courbure (en plan) : 15 mètres (min.)
- Pentes maxi. profil en long : 15 % (maxi)
Constitution des Chaussées : Les Différentes Couches
Pourquoi la Chaussée est-elle Formée de Plusieurs Couches ?
Le rôle d’une chaussée est de reporter sur le sol support, en les répartissant convenablement, les efforts dus au trafic. La chaussée doit avoir une épaisseur telle que la pression verticale transmise au sol soit suffisamment faible afin que celui-ci puisse la supporter sans dégradation. Comme la pression dans la couche granulaire décroît régulièrement en profondeur, on peut constituer une chaussée par la superposition de couches de caractéristiques mécaniques croissantes. En général, on rencontre les couches suivantes à partir du sol : couche de forme, couche de fondation, couche de base et couche de surface.
Pourquoi la Couche de Surface ?
La couche de base est recouverte par une couche de surface pour :
- Résister aux efforts horizontaux des pneumatiques (accélération, mise en rotation des roues, freinage).
- S’opposer à la pénétration de l’eau (qui délite les granulats et ramollit les sols fins).
Faut-il une Couche de Forme ?
Afin d’améliorer et d’uniformiser la portance du sol, on est amené à interposer, entre le sol support et les couches de chaussée, un élément de transition appelé couche de forme. Il peut être constitué soit de matériaux grenus roulés ou concassés, soit de matériaux traités aux liants hydrauliques.
Différentes Structures de Chaussées
Selon le fonctionnement mécanique de la chaussée, on distingue généralement les trois différents types de structures suivants : chaussées souples, chaussées semi-rigides et chaussées rigides.
Chaussées Souples
C’est une structure de chaussée dans laquelle l’ensemble des couches liées qui la constituent, sont traitées aux liants hydrocarbonés. La couche de fondation et/ou la couche de base peuvent être constituées de grave non traitée.
Chaussées Semi-Rigides
Elles comportent une couche de surface bitumineuse reposant sur une assise en matériaux traités aux liants hydrauliques disposés en une couche (base) ou deux couches (base et fondation).
Chaussées Rigides
Une chaussée rigide est constituée d’un revêtement en béton de ciment pervibré ou fluide. En règle générale, une chaussée en béton comporte une couche de forme, une couche de fondation et une couche de roulement en béton de ciment. Dans le cas d’une chaussée neuve à faible trafic, la couche de fondation n’est pas nécessaire. La dalle en béton de ciment peut ainsi être réalisée directement sur l’arase terrassement (avec une couche de réglage éventuelle) ou sur la plate-forme support de chaussée.
Dimensionnement de la Chaussée
Le dimensionnement d’une chaussée neuve ou l’élargissement d’une voie fait intervenir la vocation de la voie, le trafic poids lourds (PL), l’agressivité du trafic PL et le coefficient d’agressivité, la durée de service, le classement géotechnique des sols naturels, l’état hydrique du sol support sensible à l’eau, le type d’hiver et l’indice de gel, la vérification au gel/dégel.
L’objectif premier des méthodes de dimensionnement des chaussées est de fixer les règles qualitatives et quantitatives permettant de choisir et concevoir le profil vertical des structures de chaussée, compte tenu des données des projets (durée de vie, trafic annuel, climat, contraintes de réalisation, etc.) et de la politique économique des maîtres d’ouvrage (investissement initial, budget d’entretien/renforcement).
Paramètres de Dimensionnement
Le trafic constitue un élément essentiel du dimensionnement des chaussées. A chaque passage de véhicules, le poids des véhicules est transmis à la chaussée, sous forme de pressions, par l’intermédiaire des pneumatiques. Le calcul de dimensionnement fait donc intervenir le trafic cumulé qui circule sur la chaussée durant la période de service prévue. Les poids lourds sont les seuls véhicules pris en considération pour décrire et quantifier le trafic dans les opérations de conception et de dimensionnement de la chaussée. La classe d’un trafic est exprimée en moyenne journalière annuelle (MJA) à l’année de mise en service, par sens de circulation et pour la voie la plus large.
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