1 - JTR 2014

JTR2014
Journées Techniques Routes 2014
Nantes – 11 & 12 février 2014
Stabilité géométrique des couches de ballast des
Lignes ferroviaires à Grande Vitesse
Antoine Martin (IFSTTAR, MAST, LAMES, doctorant)
Jean-Michel Piau (IFSTTAR, MAST, LAMES)
Olivier Chupin (IFSTTAR, MAST, LAMES)
Stabilité géométrique des couches de ballast des Lignes ferroviaires à Grande Vitesse
JTR2014
Contexte de l’étude
• Constat RFF-SNCF : aggravation des problèmes de
stabilité des couches de ballast relatifs à l’ des vitesses
d’exploitation des LGV (de 270 à >300 km/h)
Evolution plus rapide des désordres géométriques  besoin
d’interventions fréquentes  coûts directs et indirects importants
• Lancement en 2010 à l’IFSTTAR de l’OR VIF (Voies
d’Infrastructures Ferroviaires), en concertation avec RFFSNCF
–Thèse A. Martin (2011-2014)
Comité de suivi : P.-Y. Hicher (ECN, directeur de thèse), A. Robinet
(SNCF), F. Radjai (Univ. Montpellier 2), O. Chupin, J.-M. Piau
(IFSTTAR)
Antoine Martin, Jean-Michel Piau, Olivier Chupin
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Stabilité géométrique des couches de ballast des Lignes ferroviaires à Grande Vitesse
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Hypothèse directrice de la thèse
• Rôle important des accélérations verticales z dans la
couche de ballast au passage des trains
– Avéré à travers cas extrême du bourrage et travaux antérieurs
(ENPC, LCPC, Univ. Montpellier, …)  Lois de tassement
– A priori, effet particulièrement défavorable des z dirigées vers le
bas à travers déconfinement du ballast (de courte durée) :
cf. effet de poids volumique apparent (cas extrême = chute libre)
sur la charge limite de fondation sur massif pesant, frottant sans
cohésion :
Antoine Martin, Jean-Michel Piau, Olivier Chupin
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Stabilité géométrique des couches de ballast des Lignes ferroviaires à Grande Vitesse
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Objectifs de la thèse
• Développer un outil de calcul rapide pour l’étude de la
réponse dynamique réversible de la voie (en section
courante) soumise au passage de trains
– Analyse des effets combinés des zz et des z dans la couche de
ballast
– Réalisation d’études paramétriques
– Recherche de dispositions constructives permettant de minimiser
les z dans le ballast  retrouver une marge de sécurité pour
vitesses élevées
• Modélisation du ballast : examen de l’hypothèse approche
continue vs approche discrète
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Code de calcul Viscorail
• Point de départ : ViscoRoute© 2.0 - Outil de calcul de la réponse
dynamique réversible des chaussées routières sous charges roulantes
– Multicouches viscoélastiques 3D (approche continue)
– Méthode semi-analytique
• Viscorail
F
Ressort
Rail
2a
2b
– Extension de ViscoRoute© 2.0
au domaine ferroviaire par couplage
avec RDM
– Prise en compte du chargement
appliqué via système d’armement
Couches
rails/blochets (appuis discrets)
élastiques ou
– Sorties : déplacements, vitesses, viscoélastiques
accélérations, contraintes,
déformations
Modélisation de structure avec GB
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Profil type de z à mi-hauteur de ballast
(V = 270 km/h)
F
-4
Max z = -3.46 (haut)
-3
F
z vers le haut
-2
z (m/s²)
-1
0
1
Max z = 2.1 (bas) 2
Position des traverses
z vers le bas
3
-3
-2
-1
0
1
2
x (m)
3
4
5
6
 Sous les roues : z dirigées vers le haut
 De part et d’autre : z dirigées vers le bas avec faibles contraintes
• Premières validations avec données terrain sur base biblio
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Etude paramétrique en vue de  les z
(variations autour cas de référence V = 270 km/h)
Ratio
zparam. / zréf.
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
 0.33
Augmentation
de 𝛾𝑧
2
1
1
500
 1.67
 0.2
Inertie rail Irail
(réf =
310-5
120
m4)
Rigidité appui
rail/bal. kpad
(réf = 5107 N/m)
Diminution
de 𝛾𝑧
5000
Module souscouche ESC
(MPa)
• Approx. pratique pour recherche dispositions constructives :
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Ex. disposition constructive : SC en EB
-8
-6
z pic réf. (haut)
z à T = 15 ºC
0.15 m
100
-2
0
2
V = 342 km/h
z pic réf. (bas)
6
-0,06 -0,045 -0,03 -0,015
t (s)
•
120
Εtrans. (10-6 def)
z (m/s2)
-4
4
εtrans. pour HEB = 15 cm
0.05 m
0
0,015
0,03
0 °C
30 °C
15 °C
45 °C
0
0,03
80
60
40
20
0
-0,06
-0,03
t (s)
Pour le critère z (15 ºC) :
20 SC + 15 EB + 30 bal. (342 km/h) ≈ 70 SC + 30 bal. (270 km/h)
•
Critère en fatigue de EB sous déformations répétées à prendre
également en compte  A étudier sur base routière
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Comportement réversible du ballast sur
SC : discret vs continu
• 2 voies d’analyse :
– Essais triaxiaux sur échantillon de ballast reposant sur tapis
d’élastomère (ECN)
– Modélisation 2D d’essais de compression œdométrique et bi-axiale par
approche discrète + EF couche élastique (LMGC90, Univ. Montpellier 2)
LMGC 90
élastomère
Mise en place de
l’échantillon de ballast sous vide
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Ex. de résultats de modélisation discrète
1+9 cycles
Déf. verticale apparente couche granulaire (déf.)
Contrainte verticale macro = F/S
(kPa)
Mise en évidence d’un comportement réversible faiblement
hystérétique de l’ensemble des grains après quelques cycles
Contrainte verticale macro = F/S
(kPa)
•
Zoom
Déf. verticale apparente couche granulaire (déf.)
Approximation raisonnable du comportement réversible du ballast par
l’approche continue EL (en compression)  valeur du module ?
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Module apparent en fonction du module
de SC
•
Anisotropie marquée sur support rigide : effet décroissant avec
souplesse de la SC
•
Rigidité apparente décroissante en fonction de la souplesse du
support
Support (MPa)
e = 2.5 cm
Rigide
9
3
1
E plaque équivalent
(MPa)
Infini
270
90
30
Module apparent
vertical (MPa)
800
130
60
35
•
A compléter par calculs discrets 3D
•
Confrontation expérimentale (essais triaxiaux)
Antoine Martin, Jean-Michel Piau, Olivier Chupin
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Merci de votre attention
Antoine Martin, Jean-Michel Piau, Olivier Chupin
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