Etude du comportement mécanique d’interface entre couches bitumineuses dans les chaussées : approche expérimentale sur la base d’essais en vraie grandeur et modélisation par éléments finis

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR qui débutera en avril 2025. Ce projet intitulé INTERFACE (ANR-25-CE22-5319-01) sera mené en collaboration avec l’Université Laval à Québec (Canada) et portera sur la compréhension du comportement des interfaces entre couches d’enrobés bitumineux (EB) dans les chaussées. Le comportement de ces interfaces influence directement les distributions de contraintes et de déformations dans les couches d’EB sous charges de trafic et joue ainsi un rôle déterminant dans l’évaluation de la durabilité d’une structure. Cet aspect est particulièrement critique pour les couches de surface qui, selon les conditions d’interface, peuvent être soumises à des contraintes de traction et/ou des déformations d’extension alors qu’elles ne sont pas dimensionnées à cet effet. Cela conduit alors à un endommagement prématuré de ces couches. Une meilleure maîtrise du comportement d’interface permettra d’identifier des solutions visant à prévenir ces dégradations précoces et à réduire les coûts de réhabilitation associés. De fait, les méthodes actuelles de dimensionnement des chaussées considèrent l’interface entre couches d’EB comme parfaitement collée, même s’il est maintenant reconnu que la réalité est bien plus complexe. Le sujet de thèse proposé porte donc sur l’étude approfondie du comportement d’interface entre couches d’EB dans les chaussées. Il s’articule autour de deux axes principaux : (i) l’analyse de données existantes issues d’un essai de fatigue accélérée en grandeur réelle effectué sur une chaussée instrumentée à l’Université Gustave Eiffel (UGE) et (ii) le développement d’une loi de comportement d’interface réaliste, ainsi que son implémentation dans un code de calcul par éléments finis (EF). Ces deux axes sont étroitement complémentaires. Le premier axe s’appuiera sur un essai effectué sur le manège de fatigue des structures routières de l’UGE, dont l’objectif est l’analyse du comportement mécanique de l’interface entre couches d’EB (entre couche de surface et couche de base). Pour cela, une structure de chaussée expérimentale a été instrumentée à l’aide de divers capteurs (jauges de déformation longitudinale et transversale, capteurs à fibre optique, sondes de température, etc.), notamment à proximité de l’interface étudiée, puis soumise à des chargements roulants répétés représentatifs d’essieux de poids lourds. Une analyse préliminaire des données recueillies met en évidence un comportement complexe de l’interface, dépendant notamment de la température et de la contrainte normale appliquée. Des phénomènes de rupture d’interface ont également été observés après un certain nombre de cycles de chargement et des conditions thermiques sévères. A ce stade, l’exploitation des données reste toutefois limitée et devra être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes gouvernant le fonctionnement de l’interface, qu’il soit réversible ou non. Dans cette optique, une base de données regroupant les conditions d’essai et les mesures associées sera constituée. Celle-ci servira également de support à la calibration et à l’orientation du développement d’une loi de comportement d’interface ad hoc . Le second axe consistera à développer cette loi d’interface. Conformément aux mesures analysées jusqu’à présent, ce modèle reposera sur des mécanismes de contact avec frottement. Le point de départ pourra être une loi plastique de type Coulomb, qui est déjà intégrée dans un code de calcul EF (2D) permettant de simuler la réponse d’une chaussée soumise à des charges de trafic, développé à l’UGE. Cette loi devra toutefois être adaptée pour bien prendre en compte les effets de température sur le comportement de l’interface. Une composante viscoélastique pourra, par exemple, être ajoutée à cette loi, en complément du comportement viscoélastique déjà avéré des couches d’EB elles-mêmes. La nouvelle loi d’interface sera implémentée dans le code de calcul existant qui repose sur une procédure incrémentale associée à un algorithme de Uzawa pour la gestion des conditions de contact (problème non linéaire). Le développement d’une version quasi-stationnaire de ce code est également envisagée. Cette version sera limitée à des problèmes homogènes dans la direction de roulement mais sera mieux adaptée à des études paramétriques ou à des applications d’ingénierie. Elle aura également l’avantage de conduire à des temps de calcul réduits et permettra une implémentation 3D plus aisée. Enfin, la partie modélisation abordera également l’étude de critères de rupture des interfaces, a priori de type monotone ou à faibles nombres de cycles de chargement, plutôt que des ruptures par fatigue. Mais cela reste à déterminer. Les travaux de thèse bénéficieront des recherches menées en parallèle à l’Université Laval. Des déplacements sont prévus pour favoriser les échanges (voir ci-dessous). École doctorale : Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes Direction : Jul