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Assessment of the relationship between the international roughness index and dynamic loading of heavy vehicles
No full textDue to imperfect surface profiles, heavy vehicles moving at high speed on flexible pavement structures oscillate in the vertical axis. This phenomenon induces dynamic loads, which oscillate at lower and higher values than the average load associated with static load considered with most pavement analysis and design applications. Higher loads applied to flexible pavements are likely to significantly reduce pavement service life. A new multibody dynamic truck model was used to study heavy vehicle wheel load for various pavement profiles of varying international roughness index (IRI). The modelled heavy vehicle wheel load response were used to calculate the dynamic load coefficient, and a relationship with IRI was proposed. On the basis of this relationship, the evolving pavement surface profile, and thus evolving IRI, was used to determine the evolution of dynamic loading with pavement life. A comparison of pavement service life for the classical static loading and for dynamic loading was made for three highway flexible pavement structures. When dynamic loads are considered, it was found that the pavement service life reduction may be reduced of about 29 and 20% for bottom-up fatigue cracking and structural rutting failure criteria
Application de méthodes et d'outils mécaniste-empiriques pour la conception et la réhabilitation des chaussées
No full textLa conception des chaussées urbaines et la conception des chaussées rurales nécessitent l'utilisation de deux approches différentes dues aux vitesses de circulation. L'objectif principal du projet est de développer une méthodologie rationnelle de conception des chaussées adaptée au contexte d'exploitation municipal. La méthode de conception projetée permettra le calcul des épaisseurs des couches de la chaussée en fonction de divers facteurs comme le volume de trafic, le climat et la nature des sols en place. Ces paramètres seront utilisés dans la méthode pour évaluer les déformations de la chaussée sous sollicitations mécaniques et thermodynamiques. La méthode proposée portera principalement sur l'application des modèles viscoélastiques pour la détermination de la réponse mécanique des matériaux de chaussées en fonction du temps d'application de la charge. L'intérêt de cette approche est la possibilité de prendre en considération l'effet de la vitesse de circulation qui est un facteur important à considérer dans un contexte de conception urbain. Après avoir établi une méthode de calcul rigoureuse pour l'évaluation de la réponse mécanique, la recherche s'est portée sur le développement de modèles d'endommagement spécifiques au contexte d'exploitation municipal en prenant notamment en considération les effets saisonniers. Ce rapport porte principalement sur le développement des modèles de comportement mécanique de la chaussée en fonction de la vitesse de circulation. Il fait également état du développement des modèles d'endommagement qui permettront de compléter l'outil de conception proposé
Évaluation des propriétés mécaniques et physiques des matériaux bitumineux recyclés produits par retraitement en place
No full textPour répondre à une demande concernant la réutilisation des matériaux bitumineux, des travaux, réalisés dans le cadre de la chaire de recherche i3C, ont évalué l'effet des granulats bitumineux recyclés (GBR) sur le comportement mécanique de cinq mélanges de matériaux recyclés (0, 30, 50, 60 et 70 % GBR). Les principaux objectifs de ce projet étaient de caractériser le comportement résilient et en déformation permanente de ces matériaux ainsi que d’évaluer la variabilité sur chantier et d’apporter des solutions novatrices aux problèmes. Des essais en laboratoire ont été réalisés sur les cinq mélanges et des essais sur le terrain ont été entrepris sur deux chantiers dans la grande région de Québec et un dans la région de Drummondville. Des essais en laboratoire sous charge roulante ont aussi été réalisés avec le simulateur routier de l’Université Laval (SimUL). Les données recueillies sur le terrain au déflectomètre à charge tombante (LWD) et au pénétromètre dynamique (DCP), ainsi qu’en laboratoire en cellule triaxiale ont permis de documenter les caractéristiques et le comportement mécanique des matériaux retraités. Le projet a permis de montrer que les matériaux à teneur élevée en GBR sont plus sujets à accumuler des déformations permanentes. L'utilisation de matériaux avec plus de 50 % GBR peut donc augmenter les problèmes d'orniérage. Toutefois, dans le but de remédier à ce préjudice, un modèle qui relie le taux de déformation (B) à la teneur en GBR et à la contrainte déviatorique est proposé. Cette nouvelle approche permet de calculer le renforcement des chaussées basé sur un rehaussement de l'épaisseur d’enrobé en vue de diminuer la sensibilité à l’orniérage de couches retraitées.In order to respond to an increasing demand for re-using bituminous materials, this study, carried out under the Research Chair i3C, has evaluated the effect of recycled asphalt pavement (RAP) on the mechanical behavior of a recycled base materials for five different RAP content (0 , 30, 50, 60 and 70% RAP). The main objectives of this project were to characterize the resilient and permanent deformation of these materials as well as assessing their variability on site and provide innovative solutions for the different issues. Laboratory tests were conducted on the five mixtures and field trials were carried out on three sites in the greater Quebec area. Some aspects were also tested in the road simulator apparatus of Laval University (SimUL). The data collected in the field with the light weight deflectometer (LWD) and the dynamic cone penetrometer (DCP) and also the triaxial cell has documented the characteristics and mechanical behavior of recycled base material. The project showed that materials with a higher RAP content are more likely to accumulate permanent deformation. Using base materials with more than 50% RAP can increase rutting problems. However, in order to overcome this prejudice, a model that relates the rate of deformation (B), the RAP content and the deviatoric stress is proposed. This new approach propose to evaluate the enhancement of the asphalt thickness needed to reduce the sensitivity to rutting of a recycled base layer
Estimation du module réversible des matériaux granulaires de chaussées
No full textUn des aspects les plus importants pour la conception et le dimensionnement des chaussées est le module élastique ou réversible (MR) qui permet de caractériser le comportement mécanique des matériaux nécessaire pour le dimensionnement d'une chaussée (AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais 1986). Le module de chacune des couches associé à son épaisseur permet de définir une structure dite multicouche pour laquelle il est possible de modéliser le comportement contrainte-déformation sous charge. Par contre, en considérant la complexité de l'essai de MR et le coût des équipements requis pour le mesurer, le développement de méthodes d'estimation simples, précises et spécifiques au matériau considéré faciliterait la mise en application d'outils de conception mécanistes-empiriques au Canada. Ce projet a donc comme objectif le développement d'un modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires de chaussées adaptés aux matériaux du canadiens. La valeur du MR dépend d'un grand nombre de paramètres. Cette approche de prédiction considère des variables liées à la teneur en eau, la granulométrie et la densité des matériaux granulaires pour l'estimation des constantes C₁ et C₂ du modèle linéaire MR = cls[thêta] + c2s + [delta]MR. Un total de 25 matériaux granulaires de différentes régions de Canada a été considéré pour le développement de ce modèle. En conclusion ce modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires fournit une première approximation statistiquement significative en comparaison aux approximations utilisées actuellement au Québec. De plus, il est possible de trouver le MR à n'importe quel degré de saturation, avec l'inclusion du [delta]MR dans l'équation du MR. Ce modèle de prédiction est une approximation très intéressante et simple, puisque dans le but de trouver la valeur du MR, il permet d'éviter la réalisation d'un essai triaxial cyclique complexe et coûteux en ne réalisant que des essais standards
Effets des changements climatiques sur la performance à long terme des chaussées souples au Québec - Volet 2 : effet de l'augmentation de la température en hiver et d'une hausse du nombre d'épisode de redoux hivernaux
No full textLes changements climatiques attendus pour les prochaines décennies auront des impacts non négligeables sur la performance à long terme des réseaux routiers québécois, notamment durant la période hivernale. Cette étude a pour objectif de quantifier l’effet des changements climatiques attendus en hiver, c’est-à-dire les effets d’une diminution de l’indice de gel et d’une hausse du nombre d’épisodes de redoux hivernaux. Tout d’abord, un adoucissement des températures hivernales aura un impact positif en réduisant l’endommagement des chaussées causé par les phénomènes de soulèvement au gel. Une augmentation de durée de vie relative de 6 à 17 % est attendue pour l’horizon climatique [2011-2040]. De plus, une méthode d’ajustement de l’indice de gel utilisé en conception a également été établie pour adapter les futures chaussées à des hivers moins rigoureux. Par la suite, l’effet d’une augmentation du nombre de redoux hivernaux aura des effets négatifs sur les chaussées en occasionnant une augmentation de l’endommagement par déformation permanente dans la couche de fondation granulaire et par fatigue dans la couche de béton bitumineux. Des essais triaxiaux ont été réalisés pour évaluer la performance en déformation permanente de différents types de MG-20 soumis à une répétition de redoux hivernaux. Ces essais ont ensuite été validés par des essais effectués à l’aide d’un simulateur de charge roulante. Il a été possible de conclure que, pour l’horizon climatique [2011-2040], les chaussées flexibles au Québec subiront une perte de durée de vie relative variant de 7 à 13 % en déformations permanentes. Concernant l’endommagement par fatigue, la perte de durée de vie relative attendue varie de 5 à 8 %. Finalement, certaines méthodes de mitigation sont proposées afin d’adapter les réseaux routiers aux changements climatiques.In the coming decades climate change will have significant impacts on the long-term performance of the road network of Quebec, particularly during winter period. This study quantifies the effect of climate change expected in winter, precisely the effect of a decrease in the freezing index and an increase in the number of episodes of winter thaws. Firstly milder winter temperatures will have a positive impact by reducing pavement damage caused by frost heaves. Increased duration of life of about 6-17% is expected for climate horizon [2011-2040]. In addition, an adjustment of the freezing index has also been established to adapt construction of future pavement structure to less severe winters. Thereafter, the effect of an increase in the number of winter thaws events will have a negative impact on pavements increasing damages by permanent deformation in the granular base and by fatigue in the asphalt concrete layer. Triaxial tests were conducted to evaluate the performance on permanent deformation of different types of MG-20 subjected to repeated winter thaws. These tests were then validated using a small-scale heavy vehicle simulator. It was possible to conclude that, for the climate horizon [2011-2040], flexible pavements in Quebec will suffer a loss of lifetime ranging from 7 to 13% in permanent deformation. Regarding the fatigue damage, we expect a reduction of lifetime from 5 to 8%. Finally, some mitigation methods are proposed to adapt road networks to climate change
Utilisation de revêtements économiques pour les routes locales et les routes d'accès aux ressources
No full textLes revêtements économiques représentent des solutions avantageuses, principalement au niveau fonctionnel, pour les routes locales et les routes d’accès aux ressources. Cependant, il existe peu d’outils pour quantifier leurs effets afin d’appuyer les décisions techniques des gestionnaires. L'objectif du projet est de déterminer qualitativement et quantitativement l'avantage socio-économique de la pose d'un revêtement économique sur une chaussée non revêtue. Les chaussées en question sont les routes à faibles volumes, qui représentent plus des trois quarts du réseau routier canadien. Trois types de revêtements économiques sont étudiés : traitement de surface, enrobé coulé à chaux et microrevêtement. L’augmentation de la rigidité octroyée par l’imperméabilisation de la fondation ainsi que la cohésion de surface est déterminée à la suite de cette étude. La rigidité des fondations est mesurée grâce à des essais in situ réalisés avec le pénétromètre dynamique sous différentes conditions hydriques. Ainsi un allongement relatif de durée de vie est quantifié grâce à une modélisation des déformations par éléments finis avec le logiciel Géostudio couplée avec une méthode de prédiction analyste empirique d’endommagement. Une analyse de ces résultats permet de conclure que la mise en place d’un enrobé économique à base d’émulsion bitumineuse, de 20 millimètres d’épaisseur, permet la diminution de la teneur en eau dans la fondation d’au moins 30% et permet l’augmentation de la durée de vie de la chaussée de 58 % à 75 % selon le type de charge. Une comparaison des coûts de cycle de vie est alors réalisée entre une chaussée revêtue de traitement de surface(couche de granulats enrobéesd’émulsion bitumineuse) et une chaussée non revêtue en utilisant des scénarios d’entretien réalistes et cohérents avec le contexte québécois. En prenant en compte les coûts de construction, d’entretien et d’utilisation de ces chaussées : il est démontré que la mise en œuvre d’un revêtementse traduit par un gain financier. Ce gain dépend de beaucoup de paramètres qui sont détaillés. Dans ce contexted’une vaste province comme le Québec où les ressources sont éloignées, la course au développement impose des techniques efficaces et économiquement viablespour augmenter la mobilité des ressources humaines et matérielles. Cette étude montre que certains revêtements minces permettent d’assurer une rigidité structurelle aux chaussées, allongeant ainsi leur durée de vie tout en diminuant les coûts qui leur sont associés.Economic pavements represent advantageous solutions, especially at the functional level, for local roads and access roads to resources. However, there are few tools to quantify their effects in order to support the technical decisions of managers.The project’s objective is to determine qualitatively and quantitatively the socio-economic advantages of laying an economic pavement on an unpaved roadway. Roads in question are low-volume roads, which represent more than three quarters of Canada’s road network. Three types of economic coatings are studied: chip seal, hot mix asphalt and microsurfacing. The increase of the rigidity granted by the waterproofing of the foundation as well as the surface cohesion is determined as a result of this study. The rigidity of the foundations is measured by in situ tests carried out with the dynamic cone penetrometer under different water conditions. Thus, a relative elongation of a lifetime is quantified by finite element deformation modelling with GeoStudio software coupled with an empirical prediction analyst of damage method. An analysis of these results makes it possible to conclude that the implementation of a bitumen emulsion based economic coating, 20 millimetres thick, allows the reduction of the water content in the foundation by at least 30% and increases the service life of the road from 58% to 75% depending on the type of load. A comparison of life-cycle costs is thus made between a pavement with a chip seal (layer of aggregates coated with bituminous emulsion) and an unpaved surface using realistic maintenance scenarios that are consistent with the Quebec context. Considering the construction’s costs, maintenance and use of these pavements: it is demonstrated that the implementation of a coating results in a financial gain. This gain depends on many parameters that are detailed. In this context of a large Quebec province where resources are far away, the race for development imposes effective and economically viable techniques to increase the mobility of human and material resources. This study shows that certainthin coatings make it possible to ensure structural stiffness of pavements, thus prolonging their service life while reducing the associated costs
Évaluation du bénéfice technico-économique lié à l'utilisation de technologies drainantes géocomposite dans les chaussées flexibles en contexte climatique nordique
No full textL’infiltration de l’eau dans la structure de chaussée peut engendrer des variations importantes dans son comportement mécanique. Cette eau, si en excès, peut engendrer une diminution dans la capacité portante des différentes couches composant la structure de chaussée. Cette diminution dans les propriétés mécaniques de l’infrastructure, se reflèteront à travers l’apparition prématurée de différents mécanismes tels la fissuration de fatigue, l’orniérage, les nids de poules, etc. Il est donc important de prendre les mesures nécessaires afin d’éviter l’accumulation d’eau en excès dans les matériaux granulaires afin d’éviter d’entraîner une diminution dans la durée de vie de l’ouvrage routier. Afin de prévenir ce phénomène, plusieurs techniques de mitigation ont été intégrées aux conceptions routières. L’intégration de technologies drainantes de type géocomposite est l’une de celles-ci. Malgré toutes les recherches qui se sont déroulées au cours des dernières années sur les technologies géocomposites, les décideurs ainsi que la communauté scientifique restent sceptiques face aux gains réels engendrés par l’implantation d’une technologie drainante dans la structure de chaussée. Le but de cette étude était donc de démontrer que l’investissement supplémentaire lié à l’ajout d’une technologie drainante dans la structure de chaussée était reflété par une récupération plus rapide des propriétés mécaniques et ainsi une augmentation dans la durée de vie de l’ouvrage. Pour ce faire, une section de route expérimentale en laboratoire de format réduit et une route expérimentale en format réel ont été produites. Les essais en laboratoire se sont déroulés sur quatre sections présentant des configurations de drainage différentes qui ont aussi été reproduites pour les essais de terrain, en y ajoutant une cinquième configuration. Les résultats des essais de laboratoire ont permis d’observer des améliorations dans le taux de récupération des modules globaux relatifs enregistrés pour les 4 différentes configurations. Les essais de terrain ont aussi permis d’observer des tendances à l’amélioration plus rapide des propriétés mécaniques des chaussées dans les sections présentant des technologies drainantes, mais moins marquées qu’en laboratoire. L’analyse a montré des gains en durée de vie (ÉCAS) de 0,92 à 1,29 % basés sur les données obtenues sur le terrain. Toutefois, l’analyse économique a dévoilé que les gains enregistrés lors d’une seule période de drainage suivant le cycle de dégel n’étaient pas suffisants pour justifier les coûts supplémentaires d’une telle technologie. Néanmoins, il reste plusieurs facteurs qui n’ont pu être considérés dans cette étude et qui pourraient potentiellement contribuer aux gains enregistrés par l’ajout d’une technologie de drainage.Water infiltration in road structures can lead to important changes in its mechanical response. If in excess, the water can induce bearing capacity loss in the different aggregate layers composing the road structure. The diminution in the mechanical properties is likely to reflect itself prematurely through different mechanisms like fatigue cracking, rutting, pot hole, etc.. In order to prevent the loss of service life, it is important to take measures to prevent excess water infiltration in the granular layers of the infrastructure. Many mitigation techniques have been incorporated to road conceptions in order to prevent this phenomenon. Geocomposite drainage systems are among those. Despite all the research that has been conducted on this matter in the last years, decision maker and the scientific community are skeptical as for the actual earnings generated by the installation of a drainage technology in the pavement structure. The purpose of this study is thus to demonstrate that the additional cost generated by the addition of drainage technologies in road structures is reflected by a faster recuperation of the mechanical properties of the infrastructure and an increase of its service life. In order to validate this hypothesis, a small scale experimental road was constructed in laboratory and a full scale experimental road was constructed in the Laval University experimental site. Laboratory tests were conducted on four different drainage configuration that were reproduced in the field were a fifth section was added. Laboratory trails enabled to record noticeable amelioration between the four tested sections in terms of the recuperation rate of normalised modulus. Although the field results were not as pronounced as in laboratory, they enabled to note trend to faster recovery of the mechanical properties. Damage calculations showed gains in service life (ECAS) from 0.92 to 1.29%. However, the economical analysis showed that gains recorded during one drainage period following a thaw cycle was not sufficient to justify the extra costs. Nevertheless, there still are many factors that have not been considered in this analysis that could potentially contribute to the increase in the calculated gains
Mise au point d'essais simples pour estimer les propriétés mécaniques et la sensibilité au gel des sols et des matériaux de chaussées
No full textLa conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol
Étude du comportement en déformation permanente des matériaux granulaires non liés de fondation de chaussées en condition de gel saisonnier
No full textDepuis les dernières années, le gouvernement provincial a investi des montants record dans le réseau routier québécois, notamment pour la construction de nouvelles routes et l’entretien des chaussées. En plus d’être doté d’une grande superficie territoriale, le Québec connaît un climat rigoureux qui complexifie la conception des chaussées. Les changements de saison entraînent des répercussions néfastes quant à la performance des chaussées, dont l’accumulation de déformations permanentes (ɛp) dans les structures granulaires. Bien que la déformation permanente puisse se développer dans l’ensemble de la structure routière, seule la couche de fondation a été considérée dans cette étude. Afin d’améliorer les connaissances sur la déformation permanente à long terme des matériaux granulaires sollicités aux changements saisonniers nordiques, quatre sources granulaires de fondation (MG-20) typique du Québec (grauwacke, gneiss granitique, calcaire et basalte) ont été soumises à des essais de déformation permanente en laboratoire. Ces essais ont été réalisés à l’aide de deux appareils : la presse hydraulique à chargement répété et le simulateur à charge roulante. Les résultats obtenus ont été modélisés selon le modèle de Desden. Ce modèle mathématique est composé de quatre paramètres qui décrivent la phase de post compaction (a), le taux de déformation permanente (b) et la phase de rupture (c et d). Les principaux résultats de déformation permanente montrent que la composition minéralogique, la granulométrie, le degré de saturation (%SR) et la variation des conditions environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En effet, les résultats montrent que la composition minéralogique peut provoquer une augmentation de 62% du paramètre b pour une même teneur en eau et que de passer d’une granulométrie grossière à une granulométrie plus sableuse peut entrainer une augmentation moyenne de 30,75% du paramètre b. De plus, les résultats montrent qu’une variation du degré de saturation peut entraîner une augmentation de la déformation permanente de 147%. Les essais réalisés en condition de gel et de dégel ont également montré que le cycle de gel et dégel a un effet direct sur le paramètre de post compaction. Un essai au simulateur à charge roulante a été effectué dans le but de valider les résultats obtenus en condition triaxiale. Les résultats montrent que le simulateur provoque à l’échantillon une déformation permanente plus importante que celle enregistrée en condition triaxiale. Cependant, la phase de post compaction reste très similaire, peu importe l’instrumentation utilisée. Cette étude constitue un premier essai au Canada quant à l’application d’une charge roulante mobile en contexte de gel et dégel. Deux relations de corrélation entre les paramètres a et b du modèle de Dresden et les propriétés de base des matériaux granulaires ont été développées. La première relation développée est une relation de type linéaire qui relie le paramètre de post compaction (a) et la variable complexe nfopt et ce. La seconde relation développée est également de type linéaire et lie le paramètre b et le degré de saturation, le pourcentage de fracturation, le coefficient d’uniformité et la masse volumique sèche du matériau. L’intégration des deux relations de corrélation dans la relation mathématique de Sweere a permis de développer une relation de prédiction de déformation permanente à long terme
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