DIMENSIONNEMENT D’UNE STRUCTURE DE CHAUSSÉE DANS LE CONTEXTE CLIMATIQUE DU SÉNÉGAL

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DÉTERMINATION DES PROPRIÉTÉS GÉOTECHNIQUES DES GRAVELEUX LATÉRITIQUES

La caractérisation géotechnique des matériaux routiers comme les graveleux latéritiques permet de les utiliser en remblais, en couches de forme, de fondation et de base. Leurs principales caractéristiques doivent satisfaire aux spécifications.
Ce chapitre présente les emprunts de graveleux latéritiques de Lam-Lam, Mont Rolland et Ngoundiane, ainsi que les résultats des essais d’identification, de comportement et mécaniques effectués sur les différents échantillons.

Présentation des emprunts de Lam-Lam, Mont Rolland et Ngoundiane

Les emprunts de graveleux latéritiques étudiés sont localisés dans la région de Thiès. Leurs coordonnées géographiques approximatives sont respectivement :
– Lam-Lam : 14°54’N Ŕ 16°53’W ;
– Mont Rolland : 14°56’N Ŕ 16°59’W ;
– Ngoundiane : 14°43’ N Ŕ 16°42’W.
Du point de vue géologique, ces emprunts se localisent dans le domaine occidental du bassin sédimentaire sénégalo-mauritanien. Le domaine occidental s’étend à l’Ouest du méridien 16° 30’ W jusqu’à la pente du talus continental, le socle n’étant pas atteint. Il est recouvert par une pile sédimentaire méso-cénozoïque d’épaisseur estimée à 8 000 m à Dakar et de 10 000 – 12 000 m en Basse Casamance (Roger et al, 2009). Les terrains les plus anciens connus en forages au Sud du Cap-Vert datent du Jurassique moyen (Bathonien-Callovien). Il est découpé par des failles méridiennes N 20° E parallèles à la direction du littoral Dakar-Saint-Louis. Les failles délimitent des blocs remontés ou affaissés qui sont interprétés comme des horsts (Dakar et Diass) et des grabens (Rufisque). Ces failles sont souvent associées à du volcanisme survenu entre l’Eocène supérieur et le Quaternaire.
Au Sénégal occidental, la série mésozoïque affleurante se limite aux termes stratigraphiques les plus supérieurs, n’interceptant le Campanien que très marginalement alors que le Maastrichtien est mieux exposé dans le Horst de Diass, malgré la présence d’une puissante cuirasse ferrugineuse (figure 1). Les séries cénozoïques sont plus largement représentées à l’affleurement, exposées dans les falaises côtières de la tête de la presqu’île du Cap-Vert (Dakar) et aussi dans la cuesta localisée à l’Ouest et au Sud de Thiès et marginalement dans le Sine, où elles sont surtout connues en puits. En raison des médiocres qualités d’exposition, dues à l’importance de la cuirasse ferrugineuse pliocène et de la couverture superficielle quaternaire, les plus beaux affleurements se localisent à la marge atlantique et dans la falaise de Thiès.
Sur le plateau de Thiès, la série sédimentaire est masquée par la cuirasse ferrugineuse fini-néogène, qui s’ennoie vers le nord sous les dépôts éoliens quaternaires.
Enfin ces graveleux latéritiques se sont développés sur les sols du plateau de Thiès (figure 1) après une altération chimique des sédiments éocènes (Flicoteaux, 1982 ; Ducasse et al, 1978).
Le substratum de la zone est composé des terrains crétacés et tertiaires d’origine marine du bassin sédimentaire sénégalais, affleurant sous la cuirasse. Un système complexe de failles affecte la zone. Le climat est semi-aride avec une hauteur des précipitations assez faible en 2018.

Essais d’identification

Analyse granulométrique

L’essai est décrit par la norme française NF P 94-056 et consiste à séparer les grains agglomérés  d’une masse connue de matériau par brassage sous l’eau, à fractionner, une fois séché au moyen d’une série de tamis et à peser successivement le refus simple sur chaque tamis. La masse de refus simple sur chaque tamis est rapportée à la masse totale sèche de la prise d’essai.
Les résultats sont exprimés sous forme d’un graphique appelé courbe granulométrique.
Cette courbe est l’un des indicateurs permettant de caractériser la distribution granulométrique du matériau (figures 2 et 3).
Présentation des résultats
 Avant CBR
Graveleux latéritiques de Lam-Lam
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 50 mm est de 100 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 50 mm et 2 mm est de 78,56 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 2 mm et 0,080 mm est égal à 8,94 % ;
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 0,080 mm est égal à 12,50 %.
Graveleux latéritiques de Mont Rolland
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 50 mm est de 100 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 50 mm et 2 mm est de 68,34 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 2 mm et 0,080 mm est égal à 8,84 % ;
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 0,080 mm est égal à 22,82 %.
Graveleux latéritiques de Ngoundiane
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 50 mm est de 95,42 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 50 mm et 2 mm est de 78,2 % ;
• Le pourcentage des éléments compris entre 2 mm et 0,080 mm est égal à 6,8 % ;
• Le pourcentage des éléments inférieurs à 0,080 mm est égal à 10,42 %.

Essais de comportement

Essai Proctor Modifié

Il est décrit par la norme NF P 94 – 093 et a pour but de déterminer au laboratoire les conditions de compactage d’un sol donné en fonction de la teneur en eau et l’énergie de compactage.
À une énergie de compactage donnée, il s’agit de déterminer la teneur en eau optimale (Wopt) et le poids volumique sec maximum (γd max) correspondant.
L’essai s’effectue sur un matériau ne contenant que des éléments inférieurs à 20 mm. Il y a cinq couches par moule et chaque couche reçoit 56 coups de dame Proctor Modifié.
La teneur en eau de l’échantillon est donnée par la formule suivante :
Mémoire de fin de cycle Master II Géosciences présenté par Adama Seck ω = x 100 (%)
ω : teneur en eau (%)
Ww : masse d’eau (g)
Ws : masse des particules solides de l’échantillon (g).
Présentation des résultats
L’essai permet de tracer la courbe de variation du poids volumique sec en fonction de la teneur en eau. Les caractéristiques optimales de compactage de l’échantillon de matériau (tableau 6) sont la teneur en eau optimale (WOPM) et le poids volumique sec maximum (γd max). Les courbes de l’essai Proctor Modifié sont consignées en annexe II.

Essais mécaniques après amélioration au ciment

Essai de résistance à la compression simple (RC)

Cet essai est décrit par la norme NF P 94-077, et s’effectue sur une éprouvette cylindrique placée entre les deux plateaux parallèles d’une presse.
L’essai consiste à imposer une vitesse constante de déformation longitudinale et à mesurer la force axiale appliquée à l’éprouvette. Les éprouvettes confectionnées sont conservées pendant 7 jours à l’air pour la mesure de la résistance en compression simple RC ; elles sont conservées pendant 3 jours à l’air puis immergées pendant 4 jours pour la détermination de la résistance en compression Rc’. La résistance à la compression simple est calculée d’après la formule suivante : RC =0.
Avec :
RC : résistance à la compression uniaxiale ;
Fmax : force uniaxiale appliquée à l’éprouvette ;
A : section initiale de l’éprouvette.

Essai de résistance à la traction (RT)

L’essai de détermination de la résistance à la traction après amélioration du matériau au liant hydraulique est décrit par la norme européenne NF EN 13286-40 (2003). Les éprouvettes confectionnées sont conservées pendant 7 jours à l’air pour la mesure de la résistance en compression simple RT ; elles sont conservées pendant 3 jours à l’air puis immergées pendant 4 jours pour la détermination de la résistance en compression RT’.
En effet l’essai consiste à soumettre une éprouvette de mélange traité au liant hydraulique à une sollicitation de traction jusqu’à sa rupture. La résistance à la traction directe est calculée à partir de la charge de rupture et du diamètre de l’éprouvette en utilisant la formule suivante : RT =0.
Avec :
RT : résistance à la traction directe de l’éprouvette ;
F : force maximale à laquelle l’éprouvette a résisté, exprimée en Newton ;
D : diamètre de l’éprouvette, exprimé en millimètre.
Présentation des résultats des essais mécaniques.
Les essais de résistances mécaniques ont été réalisés sur des échantillons de graveleux latéritiques de Lam-Lam améliorés avec un dosage de 3 % de ciment. Les résultats des essais sont consignés dans le tableau 9.

DIMENSIONNEMENT D’UNE STRUCTURE DE CHAUSSÉE DANS LE CONTEXTE CLIMATIQUE DU SÉNÉGAL

Le dimensionnement d’une chassée routière consiste à déterminer la nature et l’épaisseur des couches qui la constituent afin qu’elle puisse supporter le trafic envisagé et résister aux agressions auxquelles elle sera soumise pendant « sa durée de vie ».
Dans ce chapitre, le contexte climatique du Sénégal est présenté ainsi que les différents types de structures de chaussée et les résultats du dimensionnement d’une structure de chaussée avec le logiciel Alizé 3.

Contexte climatique du Sénégal

Le Sénégal est un pays sahélien qui se situe à l’extrême Ouest du continent africain, avec une façade maritime de 700 km. Il y a des différences climatiques notables entre la zone côtière et les régions de l’intérieur.
La circulation atmosphérique, facilitée par un relief sans obstacles, expose le territoire en partie ou entièrement à l’influence de différents vents dominants.

Vents dominants

Selon le catalogue de l’AGEROUTE (2015), les vents dominants sont principalement les vents :
– du Sud-Ouest (mousson) : vent chaud et humide issu de l’anticyclone de Sainte-Hélène ;
– du Nord-Est (harmattan) : vent très chaud et sec, issu de l’anticyclone libyen ;
– du Nord-Ouest (alizé) : vent froid, issu de l’anticyclone des Açores ;
À Dakar, la vitesse du vent est en moyenne de 4,5 m/s : les plus faibles vitesses sont enregistrées en septembre et les plus fortes en mars.

Types de climat

On peut distinguer quatre climats types au Sénégal, du Nord au Sud : sahélien, soudano-sahélien, soudanien et soudano-guinéen (AGEROUTE, 2015).
Au Sud, il s’agit d’un climat tropical avec alternance de saisons sèches et humides. Au Nord, le climat est semi-aride.

Température

À Dakar, la température annuelle moyenne était de 27 °C en 2018. Elle varie en moyenne mensuelle de 22 °C à 30 °C.
À Tambacounda ou Kaolack, la température moyenne annuelle est plus proche de 30 °C (AGEROUTE, 2015).
Cependant notons que les cycles saisonniers et journaliers de température qui influent sur les caractéristiques mécaniques des matériaux bitumeux peuvent être pris en compte à travers une température équivalente qui est définie dans le « catalogue de structures de chaussée neuves et le guide de dimensionnement des chaussées au Sénégal » (AGEROUTE, 2015). La valeur retenue pour l’ensemble du pays est 34 °C.

Pluviométrie

Selon le catalogue (AGEROUTE, 2015), l’année climatique est divisée en deux saisons principales par critère pluviométrique :
– la saison dite sèche n’est vraiment sèche que dans l’intérieur du pays, tandis que sur le littoral, qui bénéficie d’une humidité relative élevée, la saison est plutôt qualifiée de non pluvieuse ;
– la saison des pluies ou « hivernage » débute au Sud-Est du Sénégal en mai avec l’arrivée de la mousson qui envahit progressivement le reste du pays. Les pluies augmentent d’abord lentement jusqu’au mois d’août où elles culminent ; en
septembre, la diminution est marquée, elle est ensuite très brutale en octobre.
D’une manière générale, les précipitations décroisent du Sud vers le Nord :
– Ziguinchor enregistre 1250 mm de pluie par an (> 800 mm/an)
– Kaolack 610 mm (500 mm à 800 mm/an)
– Linguère 414 mm (250 mm à 500 mm/an)
– Podor 220 mm (< 250 mm/an).
Par ailleurs notons qu’il n’y a pas de différence entre la structure de chaussée d’une zone humide et d’une zone sèche, si tous les autres paramètres restent identiques. L’état hydrique du sol est pris en compte à travers l’arase.
En réalité il faut tout simplement un bon niveau d’entretien (adapté et programmé) et une bonne qualité de drainage (efficace et bien conduit).
Mémoire de fin de cycle Master II Géosciences présenté par Adama Seck

Végétation

Les forêts se situent principalement dans la région de Casamance. La végétation est de type sahélienne (steppe) ou savane (herbacée, arbustive ou arborée pour les trois autres types de climat (AGEROUTE, 2015).

Types de structures de chaussée et description des différentes couches de chaussée

Définition d’une chaussée routière

La chaussée est la partie d’une voie de communication affectée à la circulation des véhicules. Elle assure les déplacements des usagers et des marchandises, quelles que soient les conditions météorologiques, dans des conditions de sécurité et de confort adaptées au type d’itinéraire.
D’un point de vue mécanique, son rôle est de répartir les charges sur le sol support, quelles que soient les conditions environnantes.
Une chaussée routière est en générale constituée de plusieurs couches : couche de fondation, couche de base, couche de roulement et l’ensemble repose sur le sol par l’intermédiaire d’une couche de forme dont l’épaisseur peut être importante si la portance du terrain est faible. Cependant il existe plusieurs types de chaussées routières.

Type de chaussée

Il existe six types de chaussées (souple, bitumeuse épaisse, semi-rigide, rigide, mixte et inverse) mais le « catalogue de structures de chaussées neuves et le guide de dimensionnement des chaussées au Sénégal » (AGEROUTE, 2015) présente quatre familles de structures de chaussées définies selon la norme NF P 98-086 qui sont :
 Chaussée souple
Elle comporte une couverture bitumeuse mince (inférieur à 12 cm), parfois réduit à un enduit superficiel, reposant sur une ou plusieurs couches de matériaux granulaires : grave non traitée (GNT), grave latéritique crue (GL), latérite améliorée au ciment (GLa), latérite litho-stabilisée (GLII). C’est la structure la plus courante au Sénégal pour le moment.
 Chaussée bitumeuse épaisse
Elle se compose d’une couche de surface bitumeuse sur une assise en matériaux traités au liant hydrocarboné : grave-bitume de classe 2 ou 3 (GB2 ou GB3). L’épaisseur totale des enrobés bitumineux est supérieure à 12 cm. Jusqu’à juin 2015, la grave-bitume de classe 4 n’a été employée que sur l’autoroute Dakar-Diamniadio.
 Chaussée semi-rigide
Elle comprend une couche de surface bitumeuse sur une assise en matériaux traités au liant hydraulique (MTLH) : grave latéritique traitée au ciment (GLc1 ou GLc2 en dépit du faible module de rigidité), banco-coquillage ciment (BQc), grave-ciment de classe 3 (GC-T3), sable traité de classe 2 (SC-T2). À l’heure actuelle, le ciment est le seul liant hydraulique employé au Sénégal.
 Chaussée en béton de ciment
Elle comprend une dalle de béton de ciment (BC5) qui sert également de couche de roulement reposant sur une couche de fondation en béton maigre (BC2). Pour les trafics élevés, la dalle est alors goujonnée (BC5g).

Description des différentes couches de chaussée

La figure 5 montre les différentes couches d’une chaussée routière.
 Couche de forme
Elle constitue la transition entre le sol et le corps de chaussée. Le matériau utilisé en couche de forme doit avoir un indice CBR supérieur ou égal à 15. De nombreux sols peuvent être utilisés, on évitera cependant :
– ceux dont la taille maximum des particules est supérieure à 150 mm ;
– ceux dont le pourcentage de fines est supérieur à 35 ou 45% et l’IP supérieure à 20 ou 30 (CEBTP, 1984).
À court terme, la couche de forme constitue une protection du sol contre les intempéries, une amélioration et une homogénéisation de la portance et également un nivellement pour la circulation de chantier et pour la mise en œuvre de la couche de fondation.
À long terme, elle constitue une amélioration et une homogénéisation de la portance et une protection thermique du sol.
 Couches d’assise (fondation et base)
Elles apportent de la rigidité à la structure, améliorent la diffusion des sollicitations issues du trafic et transmises par les couches de surface pour les rendre admissibles au niveau de la plate-forme.
Selon le guide du CEBTP/1984, les matériaux utilisés pour la couche de fondation doivent avoir un CBR au moins égal à 30 obtenu pour une densité sèche correspondant à 95 % de l’Optimum Proctor Modifié (OPM).
La dimension maximale des éléments n’excédera pas 60 mm.
Il est recommandé d’utiliser des matériaux de moindre granularité pour éviter la ségrégation.
Par ailleurs les matériaux utilisés en couche de base doivent avoir des qualités suffisantes. Plusieurs critères conditionnent leur choix : leur indice portant, leur stabilité, la dureté de leur squelette, la résistance à la traction des couches liées ou rigidifiées.
L’indice portant CBR sera au moins égal à 80 pour une densité sèche correspondant à 95 % de l’OPM. Si le matériau naturel n’atteint pas cette portance, il devra être amélioré ou stabilisé. La déformabilité de la couche de base sera vérifiée à partir de mesures de déflexions ou d’essais de plaque (CEBTP, 1984).
 Couche de surface
Elle est composée éventuellement de deux couches :
-la couche de liaison, repose sur la couche base, assure l’étanchéité, la résistance à l’orniérage, contribue à l’uni longitudinal et à retarder la remontée des fissures. Elle conduit à limiter l’épaisseur de la couche de roulement, limitant ainsi le recours à des granulats d’excellente qualité à la seule couche de roulement.
Par ailleurs, lorsque le trafic est élevé (classe C4 et plus selon AGEROUTE) ; la couche de liaison est recommandée pour améliorer la qualité de l’uni longitudinal et la qualité de réalisation des couches de surface épaisses pour assurer la transition entre la couche de roulement mince ou très mince et l’assise de la structure.
A contrario, si le trafic est moins important, on se limitera à la seule couche de roulement pour éviter d’ajouter une interface, très exposée vue sa position dans la structure (AGEROUTE, 2015).
-La couche de roulement a pour fonction d’offrir des caractéristiques d’usages conformes aux objectifs recherchés (adhérence, bruit, uni, etc.).
Elle protège l’assise des agressions directes du trafic et du climat. Elle assure l’imperméabilisation de la chaussée. En fin le matériau utilisé doit résister au fluage par déformation viscoplastique ainsi qu’au poinçonnement statique et au vieillissement dû aux agents atmosphériques (AGEROUTE, 2015).

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITES SUR LES GRAVELEUX LATÉRITIQUES
1.1-Définition des latérites
1.2 Distribution géographique des formations latéritiques au Sénégal
1.3 Caractères généraux des profils latéritiques et facteurs de mise en place
1.3.1 Le climat
1.3.3. La végétation
1.3.4. La roche mère
1.4 Conditions de formation des sols latéritiques
2.1-Présentation des emprunts de Lam-Lam, Mont Rolland et Ngoundiane
2.2-Essais d’identification
2.2.1-Analyse granulométrique
2.2.2-Détermination des limites d’Atterberg
2.2.3-Essai au bleu de méthylène
2.2.4-Classification géotechnique des graveleux latéritiques
2.3-Essais de comportement
2.3.1-Essai Proctor Modifié
2.4-Amélioration des graveleux latéritiques de Lam-Lam au ciment
2.4.2-Essais mécaniques après amélioration au ciment
2.4.2.1-Essai de résistance à la compression simple (RC)
CHAPITRE 3 : DIMENSIONNEMENT D’UNE STRUCTURE DE CHAUSSÉE DANS LE CONTEXTE CLIMATIQUE DU SÉNÉGAL
3.1-Contexte climatique du Sénégal
3.1.1- Vents dominants
3.1.2-Types de climat
3.1.3-Température
3.1.4-Pluviométrie
3.2.1-Définition d’une chaussée routière
3.2.2-Type de chaussée
3.2.3-Description des différentes couches de chaussée
3.3-Dimentionnement des chaussées par la méthode rationnelle avec le logiciel Alizé 3
3.3.1-Démarches du dimensionnement
a) Le choix du type de structure et des matériaux qui la composent
b) La détermination des sollicitations admissibles dans les différents matériaux
c) La détermination des épaisseurs des différentes couches de matériaux
3.3.2-Paramètres du dimensionnement
3.3.3-Détermination de la classe du trafic (NE)
a) Nombre de poids lourds cumulés
b) Classes de trafic (NE)
c) Coefficient d’agressivité moyenne (CAM)
3.4-Détermination de la classe de plateforme
3.4.1-Généralités sur la plateforme
3.4.2-Classes d’arase de terrassement
3.5-Caractéristiques des matériaux des couches de la chaussée
3.6.-Calcul des contraintes et déformations admissibles
3.7-Résultats du dimensionnement
Le tableau 16 donne les résultats du dimensionnement.
CONCLUSION GENERALE ET RECOMMANDATIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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