Les routes sont des structures qui, bien que très simples au premier abord, couvrent de vastes étendues et ont un comportement fort complexe dont la compréhension et l’analyse est l’un des grands défis du génie civil.
Leur personnalité
Selon le type de revêtement utilisé, on distingue deux principales familles de chaussées : les chaussées à revêtement souple en béton bitumineux (asphalte), que l’on retrouve sur plus de 90 % du réseau routier, et les chaussées à revêtement rigide en béton de ciment qui couvrent 4 % du réseau. La figure 1 présente une coupe de chaussée pouvant convenir aux deux types de structures. Le choix de la structure la plus appropriée ainsi que sa conception dépendent de divers facteurs tels que l’intensité du trafic prévu, les types de sols, le climat, les coûts et la disponibilité locale des matériaux de construction.
Figure 1 : Exemple de coupe type d'une chaussée
Des ouvrages qui travaillent
La durée de vie d’une chaussée souple est habituellement de 15 à 20 ans, alors que celle d’une chaussée rigide varie de 20 à 30 ans. La durée de vie d’une nouvelle couche de revêtement souple est de l’ordre de 9 à 12 ans.
On évalue l’état d’une chaussée en regard de certains défauts qui, avec le temps et l’usage, s’accentuent. Pour décrire ces défauts, on se réfère habituellement aux éléments suivants :
l’uni, qui définit le confort de roulement et dont les défauts sont perçus comme des ondes, c’est-à-dire des secousses, des creux et des bosses;
les ornières, ou l’affaissement de la surface dans les pistes de roues;
la fissuration et les autres bris visibles de la surface.
Chaque chaussée se comporte différemment selon, entre autres, la nature des sols, la position de la nappe phréatique, l’épaisseur des couches, le climat, le type de chaussée, sa géométrie, les caractéristiques des matériaux de construction, le trafic. Il faut considérer tous ces paramètres pour diagnostiquer adéquatement les causes de détérioration.
La compréhension des phénomènes de détérioration des chaussées permet de trouver des solutions pour mieux les contrer.
Dans une contrée nordique
Le Québec connaît des écarts de température de 60 à 70 °C. En effet, le mercure peut descendre jusqu’à –30 °C l’hiver et atteindre 30 °C en été. En hiver, le sol gèle à une profondeur allant de 1,2 à 3,0 m, ce qui est nettement plus que les structures de chaussées qui atteignent en moyenne une épaisseur de 90 cm.
Le tableau ci-dessous compare le contexte québécois avec celui de l’Ontario, de l’État de New York et de la France. Deux aspects importants ressortent de cette comparaison : la rigueur du climat et l’étendue du réseau routier québécois par rapport au nombre d’habitants.
Tableau 1 : Réseau routier géré par l’État
Québec
Ontario
New York
France
Longueur du réseau routier (km)
29 000
20 000
30 500
37 650
Nombre d'habitants (millions)
7,5
12,2
19
61,4
Précipitation annuelle moyenne (mm)
1000
850
750
800
Durée du gel (jour/an)
147 à 218
100 à 200
10 à 100
0 à 90
Profondeur de gel (m)
1,2 à 3
1 à 2,6
moins de 1,4
0 à 0,5
Des solutions pour s’adapter au climat
Des bitumes adaptés au climat doivent être utilisés pour éviter que l’enrobé devienne trop cassant durant l’hiver, tout en restant assez rigide l’été.
Les fossés de drainage le long des routes et le rehaussement des chaussées constituent des moyens largement utilisés pour réduire le risque de montée de la nappe phréatique dans la chaussée. Dans certains cas, l’installation de dispositifs spéciaux de drainage, comme de la pierre nette, des membranes synthétiques ou des drains souterrains qui permettent d’évacuer l’eau en dehors de la structure routière devient nécessaire.
Une autre nécessité typique consiste à protéger les sols susceptibles au gel en les mettant à l’abri du froid. Ainsi, l’épaisseur des couches de sable et de gravier des routes nordiques est plus importante que sur les routes des régions chaudes.
À l’occasion, des excavations plus profondes pour enlever le sol problématique et le remplacer par un autre sol moins gélif sont requises. Il arrive aussi que le sol soit stabilisé à l’aide de produits chimiques comme la chaux. Dans certains cas, une couche isolante est inserée dans la chaussée afin de freiner la pénétration du gel. Les couches isolantes peuvent être composées de polystyrènes à haute densité, de bétons isolants ou d’autres produits isolants.
La mise en place de certains dispositifs ou l’utilisation de produits spéciaux engendrent des coûts supplémentaires. Elles permettent à plus long terme de faire de substantielles économies. Ces moyens ne sont donc utilisés que si le gain financier attribuable au prolongement de la durée de vie de la chaussée est avantageux par rapport à l’investissement initial.
Les hauts et les bas d’une chaussée souple
Sous l’effet du froid, la pénétration du gel s’effectue graduellement dans les sols en partant du haut vers le bas (voir figure 2A). Ce gel endommage la structure. Dans certaines conditions défavorables, l’eau contenue dans les sols non gelés peut être aspirée vers la zone de gel. Ce pompage de l’eau de la nappe phréatique engendre alors la formation de lentilles de glace qui se traduit par un soulèvement de la chaussée.
Figure 2 : Effet du gel et du dégel sur une route
A) Gonflement au gel
À cause de leur taille, ces lentilles peuvent soulever la chaussée jusqu’à 20 cm. Les soulèvements sont souvent inégaux, ce qui explique les creux et les bosses qui sont plus importants à la fin de l’hiver quand la profondeur du gel est au maximum.
Ils ont aussi pour effet de faire plier le revêtement, provoquant l’apparition de fissures de gel plus ou moins longitudinales. De plus, comme tout autre matériau, l’enrobé durcit, se fragilise et se contracte sous l’effet du froid. En rétrécissant sur de grandes longueurs, le revêtement est alors soumis à des efforts de tension qui vont le faire casser, produisant ainsi des fissures transversales.
La chaussée n’est pas au bout de ses peines, car arrive ensuite le dégel printanier qui se fait aussi du haut vers le bas. L’eau provenant de la fonte de la neige en surface et de la fonte des lentilles de glace à l’intérieur se retrouve en quantité importante dans la couche de sol dégelé. Cette eau est alors emprisonnée dans le sol à cause de la couche gelée du dessous qui est étanche (voir figure 2B).
Figure 2 : Effet du gel et du dégel sur une route
B) Affaissement au dégel
La chaussée ne présente alors que de 30 à 70 % de sa résistance normale en été. C’est pour cette raison que des restrictions de charges sont imposées aux véhicules lourds afin de limiter les dommages en période de dégel.
Ces dommages contribuent à la formation graduelle d’ornières, de fissures de fatigue dans les pistes de roues et parfois de nids-de-poule.
Remarquons que les soulèvements dus au gel se résorbent au dégel. Toutefois, la chaussée ne reprend pas nécessairement sa position initiale, ce qui altère l’uni, donc le confort de roulement.
La chaussée se draine durant l’été et les cycles se répètent chaque année, causant davantage de détériorations. Son endommagement s’accélère avec le temps, car l’apparition de petits défauts crée des zones de faiblesses supplémentaires qui laisseront pénétrer plus d’eau, qui s’aggraveront et se propageront plus rapidement d’une fois à l’autre. Ainsi, même pour une chaussée, la vie dans le nord n’est pas de tout repos.
