Capacité portante évaluée par FWD - LAVOC - EPFL

Capacité portante évaluée par FWD 

Mesures courantes et analyse dynamique des essais 

sur le Manège de fatigue de Nantes 

Dr. Mai Lan Nguyen 

LAVOC EPFL 

Journée Technique LAVOC, 22 novembre 2011 – Dr. M.L. Nguyen 1

Appareil et schéma de mesures au FWD 

Falling Weight Deflectometer ou Déflectomètre à masse tombante 

• Mesures des déflexions en surface 

engendrées par une masse tombante 

• Simuler le passage d’un camion lourd 

circulant à vitesse proche de la réalité 

(environ 70km/h) 

• Utilisation directe pour estimer la capacité 

portante 

• Souvent utilisé pour évaluer l’état des 

chaussées: 

– niveau réseau 

m 

k 

– niveau projet 

E 1 h1 E 2 h2 E 3 h3 capteur 

de force 

Journée Technique LAVOC, 22 novembre 2011 – Dr. M.L. Nguyen 2 

d 1 

d 2 

h 

d 3 

m : masse tombante 

k : constante du resort 

h : hauteur de chute 

7 à 11 géophones 

Bassin des déflexions

Interprétation usuelle des mesures au FWD 

Rétrocalcul des modules des couches composant la chaussée à partir du basin 

des déflexions mesurées par les capteurs géophones du FWD 

Principe du rétrocalcul: ajustement des modules des couches de la structure 

de chaussée qui produit le même bassin de déflexion que celui mesuré au FWD 

Ces modules sont représentatifs des 

matériaux des couches de la 

chaussée en place sous le trafic en 

mouvement. 

Seule une partie des données 

disponibles de mesure FWD 

(valeurs maximales des signaux de 

force et de déflexion) est utilisée. 

Déflexion Déflection [1/1000 mm] 


0 

50 

100 

150 

200 

250 

300 

350 

400 

450 

500 

Position [m m ] 

0 500 1000 1500 2000 

Mesure 

Calcul Boussinesq- 

Odemark 

Basin des déflexions

Approche d’analyse dynamique 

• Analyse dynamique des signaux de l’essai FWD : quelques 

études récentes basées sur les calculs aux Eléments Finis 

reproduisent le signal de force temporaire et la réponse 

dynamique de la structure de chaussée. 

Résultats encourageants meilleure valorisation des 

données disponibles à l’issue de l’essai FWD. 

Mais, l’approche d’analyse dynamique nécessite encore d’être 

évaluée. 


Objectifs de l’étude 

• Cinq campagnes des mesures FWD ont été réalisées pour évaluer la 

capacité portante des structures de chaussée pendant la durée d’une 

année d’une expérience au Manège de fatigue de Nantes (France) 

base de données FWD 

• Utilisation d’un code aux éléments (Cesar-LCPC) permettant de 

modéliser les effets dynamiques dans les structures, de prendre en 

compte l’impulsion de la force, les effets d’inertie et l’amortissement des 

matériaux 

outil de modélisation numérique 

Evaluer l’interprétation de l’essai FWD par une approche 

d’analyse dynamique. 


Le Manège de fatigue de Nantes 

• Simulateur de trafic lourd - essai en vraie grandeur, mis en service en 1984 

• Réaliser des études et des recherches sur le fonctionnement et l’endommagement des 

matériaux et structures de chaussées, sur leur modélisation et leur dimensionnement. 

• Suivre sous trafic le comportement à la fatigue et à l’orniérage des matériaux, les 

configurations des charges, l’évolution des caractéristiques de surface des chaussées, 

l’usure des pneumatiques … 


R19.5m 19m 

ST3 ST7 

ST4 ST8 

ST7 ST3 

ST8 ST4 

16m 

R16.5m 

Access 

ST2 ST6 

ST5 ST1 

Expérience Recyroute 

“Développement des bétons compactés fibrés à base de 

granulats neufs ou recyclés pour les chaussées à fort trafic” 

ST2 ST6 

ST1 ST5 

Couche de surface : 

3.5 cm béton bitumineux mince 0/10 

Couche de base : 

ST3 

(référence) 

EME2 12 cm 

ST7 ERTALH ® 20 cm 

Autres 

structures 

FRCC ® 12cm à 15 cm 

ERTALH : Enrobés Recyclés Traités Aux Liants Hydrauliques 

FRCC: Fibre-reinforced Roller-Compacted Concrete 

Sol support : 

2.75 m sable argileux + 10 cm GNT 

capacité de portance environ 120 MPa 

• Les structures sont à l’intérieur d’un cuvelage en béton dont la base est à -3m 

• Dimensionnées pour 2 millions de passages du jumelage standard français 65kN 


Largeur de 

chaussée 

3m 

Capteurs de 

température 

Rayon (16m) 

Instrumentation d’une structure 

Déflectomètre 

ancré 

Base rigide en béton 

4 x 0,84m 

12.5m 12.5m 

25m 

Jauges de 

déformation 

3.5cm Couche de surface (BBM) 

12cm Couche de base (EME2) 

10cm GNT 

2.75m Sable argileux (≈120MPa) 

0.65m 

1.70 m 

Bande de 

roulement 

0.65m 

Déflectomètre ancré 


0.3m 

0.84m 

0.3m 

Jauges de déformation 

longitudinale et transversale

Mesures avec les capteurs dans la chaussée 

Signaux des jauges de déformation et du déflectomètre ancré 

sous passage du jumelage du Manège (65 kN) 

V = 48,3 km/h*; Tempéraure (EME2) =16°C 

* = 13,4 m/s = 8 tours/min 


|E*| (MPa) 

50000 

40000 

30000 

20000 

10000 

10 -6 

Module complexe en laboratoire des 

matériaux de la couche de base 

Résultats des essais de module complexe 

10 -4 

10 -2 

10 0 

Fréquence (Hz) 

10 2 

FRCC Haut-Lieu 

FRCC Crain 

FRCC fraisat 

ERTALH 

EME2 

Matériau 

(1): Résultats des essais de K.Bilodeau, thèse en cours, ENTPE, Lyon 

E* (15°C, 10Hz) 

(MPa) 

FRCC Haut-Lieu 44100 (1) 

FRCC Crain 30350 (1) 

FRCC fraisat 23350 (1) 

ERTALH 13500 (1) 

EME2 14950 


10 4 

10 6

Repérage des points des 

mesures Dynaplaque et FWD 

Module du sol support 

Essais à la Dynaplaque2 

Module du sol support: 100 à 120MPa 


Procédure des essais FWD 

• Suivi général des 8 structures: 

8 points de mesure pour chaque structure 

• Tests spécifiques sur la structure de 

référence pour l’analyse dynamique: 

10 points de mesure aux endroits des 

capteurs 

Structure de référence S3 

• Procérure d’un essai: 

− 4 niveaux de charge: 25, 40, 50, 65kN 

− 4 chutes à chaque niveau 

• 7 capteurs géophones: 

distance à partir du centre (cm) 

G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 

0 20 30 45 60 90 150 


Dmax-Fwd (micron) 

Dmax-Fwd (micron) 

500 

400 

300 

200 

100 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 

Résultat: mesures courantes 

Déflexions à différents niveaux de chargement 

Mesure à 40jours; 0,66m de passages; T (couche de base) = 10°C 

S1 

FRCC fraisat 

S2 

FRCC fraisat 

S3 

EME2 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 

S5 

FRCC Crain 

S6 


Points de mesure 

S7 

ERTALH 

S4 

FRCC fraisat 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 


S8 

FRCC Crain 

Rayon intérieur 


65 kN 

50 kN 

40 kN 

25 kN 

Rayon extérieur 

65 kN 

50 kN 

40 kN 

25 kN

Déflexion 

moyenne 

300 à 400 

micron 

Déflexion 

moyenne 

200 à 250 

micron 


Suivi des déflexions pendant l’expérience (niveau 65kN) 

S1 

FRCC fraisat 

S5 

FRCC Crain 

S2 

FRCC fraisat 

S6 


S3 

EME2 

S7 

ERTALH 

S4 

FRCC fraisat 

S8 

FRCC Crain 


C.d.base 

Sol support 

C.d.base 

Sol support 

Module (MPa) 

Module E (MPa) 


Rétrocalcul du module (par Alizé-LCPC) 

Mesure FWD niveau N4 (65kN) à 40jours; 0 passages; T (couche de base) = 10°C 

100000 

10000 

1000 

100 

10 

100000 

10000 

1000 

100 

10 

S1 

FRCC fraisat 

S2 

FRCC fraisat 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 

S5 

FRCC Crain 

S6 



S3 

EME2 

S7 

ERTALH 

S4 

FRCC fraisat 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 


S8 

FRCC Crain 

Rayon intérieur 

E rétro (C.d.base) 

0,6E rétro (Sol) 

E dynaplaque (Sol) 

Rayon extérieur 

E rétro (C.d.base) 

0,6E rétro (Sol) 

E dynaplaque (Sol) 

E sol = 0,6*E sol rétrocalcul ≈ E dynaplaque 


Mesure niveau N4 (65kN); T = 20,5°C 

Signaux temporaires de force et de déflexion 

Force (kN) 

80 

60 

40 

20 

0 

Signaux complets d’une mesure FWD 

0 10 20 30 40 50 

0,4 

Force G1 

G2 

G3 

G4 

G5 

G6 

G7 

0 10 20 30 40 50 

Temps (ms) 

Durée du signal temporaire ≈ 25 ÷ 30 ms f = 33 ÷ 40 Hz 

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 


0,3 

0,2 

0,1 

0,0 

Déflexion (mm) 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0,0 

Bassin de déflexion 

Distance (m) 

Déflexion

Signaux temporaires de force pendant les 10 mesures FWD spécifiques 

(aux endroits des capteurs) sur la structure S3 

Force (kN) 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

-10 

Mesures spécifiques 

Niveau de force N4 (65 kN) – T (EME2) = 20,5°C 

0 10 20 30 40 50 

Temps (ms) 

Effets structurel et de l’instrumentation qui engendrent la forme ’’multi-pic’’ du signal de force ? 


DA1 

DA2 

L1 

L2 

L2 

L2 

T1 

T2 

T3 

T4


Signal du déflectomètre ancré sous chargement du FWD 

25kN 


Niveaux de force de N1 à N4, T (EME2) = 20,5°C 

40kN 

Temps (s) 

50kN 

65kN 




Signal du déflectomètre ancré sous chargement du FWD 

Niveau de force N4 (65 kN), T (EME2) = 20,5°C 

Temps (s) 


Déformation (µm/m) 

Signaux de déformation (jauges L3 et T3) sous chargement du FWD 

25kN 


Niveaux de force N1 to N4 – T (EME2) = 20,5°C 

40kN 

Temps (s) 

50kN 

65kN 


Déformation (µm/m) 


Signaux de déformation (jauges L3 et T3) sous chargement du FWD 

Niveau de force N2 (40 kN) – T (EME2) = 20,5°C 

Temps (s) 


Analyse statique: logiciel Alizé-LCPC 

Rétrocalcul du module (par Alizé-LCPC) de la structure S3 

Mesures FWD spécifiques sur les capteurs 

niveau N4 (65kN) à 235jours; 1,4m de passages; T (EME2) = 20,5°C 

Module (MPa) 

10000 

1000 

100 

10 

10 11 12 13 14 15 

Positions des capteurs 

dans la structure S3 

L1 T1 L2 T2 DA1 & 2 L3 T3 L4 T4 

Distance (m) 

EME2 

E (EME2) 

E (BB) 

0,56E (Sol) 

E-Dynaplaque 


BB 

Sol

Analyse statique: logiciel Alize-LCPC 

Comparaison des résultats 

Rétrocalcul du module à partir du bassin des déflexions: 

10 essais FWD spécifiques sur la structure S3, T (EME2) = 20,5°C 

L1 T1 L2 T2 DA1 DA2 L3 T3 L4 T4 Moyenne 

E rétro (BB) 4605 4625 3482 3773 4200 3928 3689 1916 3470 2979 3667 

E rétro (EME2) 6710 6300 7127 7432 7100 7205 7894 10883 7872 8059 7658 

0,56E rétro (Sol) 84 86 86 88 87 89 88 87 86 86 87 

Valeurs de référence des modules: 

Résultat des essais de module complexe à 20,5°C et 30Hz: 

E* (BB) = 4 800 MPa 

E* (EME2) = 14 300 MPa 

Essai à la Dynaplaque2: 

E Dynaplaque (Sol) = 89 MPa 


Approche d’analyse dynamique: Cesar-LCPC 

• Cesar-LCPC : résolution des problèmes du Génie civil et de 

l’Environnement, développé par l’IFSTTAR 

• Application à l’analyse dynamique de l’essai FWD: 

- modèle 2D axis symétrique 

- loi de comportement élastique linéaire 

- prendre en compte l’effet d’inertie dans la structure 

- amortissement du matériau est de type Rayleigh: 

M, C, K : 

MÜ + CU + KU = F(t) 

matrices de masse, d’amortissement, et de rigidité de la structure 

F(t) : vecteur de la charge imposée 

U : 

. 

U, Ü : 

vecteur des déplacements nodaux 

vecteur de vitesse et d’accélérateur 

α, β : coefficients de Rayleigh 

. 

C = αM + βK 


2 procédures possibles pour modéliser l’impact de la masse tombante : 

MD1: 

Appliquer directement le signal 

temporaire de force de l’essai FWD 

Signal de force = entrée 

Force 


Temps 


H 

MD2: 

Imposer une vitesse initiale 

correspondant à la masse tombante 

à l’impact sur la structure 

Signal de force = sortie 

Masse tombante 

Buffer 

Vitesse initiale Vo = 2gH

Force (kN) 

F(t) 

80 

60 

40 

20 

0 


F(t) 

0 10 20 30 40 

Temps (ms) 

Maillage 2D 

Modèle MD1: signal de force réelle imposée 

Déflexion (micron) 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 10 20 30 40 50 

70 

-100 

-10 

0 10 20 30 40 50 

Temps (ms) 

Mesure 

Calcul 

Force 


60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Force (kN)

Force (kN) 


80 

60 

40 

20 

0 

-20 

Modèle MD2: vitesse initiale imposée 

0 10 20 30 40 50 

Temps (ms) 

Mesure FWD 

Modèle MD2 

La valeur maximale et la fréquence du signal de force modélisé 

sont assez proches du signal réel mesuré au FWD 

Mais, le multi-pic du signal de force n’a pas été reproduit 



Comparaison des résultats 

Valeurs de référence 

Modules en 

laboratoire 

Essai 

Dynaplaque 

Modèle 

statique 

Rétrocalcul 

Modèle 

dynamique 

(MD1 et MD2) 

(MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 

BB 4800 3667 4650 

EME2 14300 7658 14000 

Sol 89 87 87,5 

L’approche d’analyse dynamique donne des valeurs du module 

élastique plus réalistes que l’analyse du basin des déflexions seul 


Conclusions 

• L’analyse dynamique permet de mieux valoriser les données 

disponibles de l’essai FWD. 

cette approche donne des valeurs de module plus réalistes 

des matériaux. 

• Cette approche dynamique nécessite encore d’être développée 

afin de modéliser le comportement réel des matériaux: 

viscoélastique des matériaux bitumineux, comportement des 

interfaces, paramètres d’amortissement, comportement 

élastoplastique du sol support, etc 

• Cette approche d’analyse dynamique est prometteuse mais 

n’est pas encore opérationnelle pour proposer une méthode 

pratique de rétrocalcul. 


Merci pour votre attention ! 


Département fédéral de l’environnement, des transports, 

de l’énergie et de la communication DETEC 

Office fédéral des routes OFROU 

Essai en vraie grandeur 

Culée de pont semi-intégral 

et 

Voie de circulation 

Objectifs: 

Evaluation du comportement de la surface de roulement à 

proximité de la dalle de transition de pont semi-intégral. 

Validation par des mesures en laboratoire des résultats théoriques 

et numériques de la recherche "AGB 2005/018 Ponts à culée 

intégrée" et de la thèse EPFL N°4880 de D. Dreier 2010. 

Etude du comportement d’une culée de pont semi-intégré (sans 

Partenaires du projet: 

IBETON Laboratoire de construction en béton 

LAVOC Laboratoire des voies de circulation 

TOPO Laboratoire de topométrie 

OFROU Office fédéral des routes 

Contact: Prof. A. Muttoni, aurelio.muttoni@epfl.ch 

Prof. A.-G. Dumont, andre-gilles.dumont@epfl.ch 

Journée joint deTechnique dilatation). LAVOC, 22 novembre 2011 – Dr. M.L. Nguyen 31

Capacité portante évaluée par FWD - LAVOC - EPFL

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