De nouvelles méthodes de conception pour incorporer les géogrilles de stabilisation dans les voies ferrées des chemins de fer pourraient faire gagner du temps et réduire les coûts tout au long du cycle de vie de l'actif.
Le nombre de trains de voyageurs a augmenté régulièrement ces dernières années et Network Rail prévoit que la demande de trains de voyageurs continuera d'augmenter, avec un milliard de voyages supplémentaires par an prévus d'ici 1. Ceci, combiné à la dépendance continue du réseau pour la capacité de fret, augmentera la pression sur les chemins de fer dans les années à venir, notamment en termes de fiabilité des voies.
La rectification d'une mauvaise géométrie de voie causée par la couche de fondation et la déformation du ballast entraîne souvent l'imposition de restrictions de vitesse et des travaux d'entretien imprévus. L'utilisation de géogrilles pour la stabilisation du lit de roulement afin de minimiser les problèmes d'alignement des rails est une approche éprouvée mais une nouvelle méthode de conception par Tensar pourrait encore améliorer les capacités.
«Le besoin de travaux de maintenance de la voie et de restrictions de vitesse de ligne coûte cher et perturbe le public, l'industrie, les opérateurs ferroviaires et les propriétaires d'actifs», explique Andrew Lees, directeur principal de la technologie d'application de Tensar.
«La stabilisation mécanique des couches de sous-ballast à l'aide de géogrilles est une approche éprouvée qui peut réduire la maintenance, en réduisant la dégradation induite par le trafic, en ralentissant le taux de tassement de la voie, en maintenant la géométrie de la voie plus longtemps et en prolongeant la durée de vie du ballast de 10 fois.»
Selon Lees, les intervalles de maintenance peuvent être jusqu'à trois fois plus longs. «Réduire les coûts de toute la vie, en termes de cash et de carbone», dit-il.
Cependant, alors que les géogrilles sont utilisées depuis des décennies dans la construction de voies ferrées, les méthodes de conception actuelles basées sur les performances ne prédisent pas avec précision le comportement à long terme du ballast, du sous-ballast et du sol de fondation, ce qui signifie que leurs avantages ne peuvent pas être vraiment modélisés pendant la conception.
«Nous avons cherché à résoudre les problèmes liés à la conception, dans le but de développer une nouvelle méthode de conception qui non seulement prédit les performances des fondations de voie, mais qui permettrait également de déterminer de manière fiable les avantages de l'installation de géogrilles de stabilisation», explique Lees.
«La méthode Li-Selig est l'approche courante utilisée dans la conception de voies basée sur les performances. Ceci est utilisé pour prédire la déformation permanente du sol de fondation, sur la base de relations empiriques et de modèles d'analyse développés dans les années 1970. »
Les premières investigations de Tensar ont utilisé l'analyse par éléments finis (FEA) avec des modèles constitutifs élasto-plastiques, au lieu des modèles élastiques linéaires des anciennes méthodes d'analyse. Ces travaux ont mis en évidence certains des inconvénients de l'utilisation de cette approche.
En particulier, l'équipe a constaté que, par rapport à d'autres paramètres d'entrée, les déformations permanentes n'étaient pas particulièrement sensibles à la rigidité des couches de fondation et de ballast - qui sont des paramètres d'entrée clés pour l'analyse des couches élastiques utilisée dans la méthode Li-Selig.
«Il a été constaté que les prévisions étaient très sensibles à la profondeur de la couche de fondation et aux propriétés de la couche de sol sous-jacente, ce qui rend presque impossible une sélection appropriée de la profondeur de la fondation dans la méthode Li-Selig», explique Lees. "En conséquence, l'approche s'est avérée rarement fournir une prédiction précise du comportement de la plate-forme."
Lees dit que l'approche de Tensar utilise des modèles de plasticité de durcissement avancés, mais facilement disponibles, pour prédire les déformations permanentes du sol sous la charge des roues du train.
«Ces sorties sont multipliées par l'élément le plus fiable de la méthode Li-Selig qui ne dépend que du type de sol du sol pour obtenir une prédiction de l'accumulation de déformation du sol lors de chargements de train successifs», dit-il.
"La méthode comprend également un calcul simple de la capacité portante mobilisée pour l'optioneering, plutôt que d'avoir à effectuer un FEA 3D complet, qui peut être long et coûteux, s'il est utilisé sur chaque option de conception."
Des relations ont été établies entre la capacité portante mobilisée et la déformation permanente du sol pouvant également être multipliée pour obtenir des prédictions approximatives sous des charges de train successives.
«Une fois que l'option préférée a été choisie, un modèle FEA complet peut être exécuté», ajoute Lees.
La nouvelle approche de Tensar a été calibrée avec sa géogrille Triax, à l'aide d'essais en laboratoire effectués à l'Université technique tchèque, avec 500,000 cycles de charge sur rails et traverses supportés par un sous-ballast stabilisé et non stabilisé sur une plate-forme en argile.
Les données recueillies par Tensar et ses partenaires de recherche lors d'essais sur le terrain à grande échelle de géogrilles placées dans des sous-ballasts sur des lignes de fret et de passagers en direct en Slovaquie, aux États-Unis et en Afrique du Sud ont été utilisées pour effectuer une contre-analyse et confirmer les prévisions de modélisation.
Des matériaux de moindre qualité, tels que du ballast encrassé, stabilisés avec Triax ont également été testés et il a été constaté que leurs propriétés mécaniques stabilisées dépassaient celles des matériaux non stabilisés de meilleure qualité.
«Cela pourrait avoir un impact positif majeur sur les coûts et la durabilité, car il permet la réutilisation des matériaux de ballast encrassés comme sous-ballast, à la fois pour la construction de nouvelles voies et la réhabilitation», explique Lees.
«Avec une charge de plus en plus lourde qui pèse sur les infrastructures ferroviaires, il est clairement nécessaire de fournir de manière sûre et permanente de manière efficace, avec des conceptions qui offrent un bon rapport qualité-prix - en termes de coûts de construction et de vie entière - et qui ont un impact environnemental minimal.
«Cela se résume essentiellement à atténuer les risques - dont une grande partie réside dans le sol.
«Bien sûr, il est incroyablement difficile de prévoir toutes les situations possibles lors de la construction et de l'exploitation, mais une modélisation plus précise, qui permet aux ingénieurs de la voie de concevoir en fonction des conditions réelles du sol, peut fournir des solutions plus appropriées, atténuer les risques et finalement ajouter plus de valeur.»
Selon Lees, cette nouvelle approche de conception permet aux concepteurs de prédire avec plus de précision la déformation à long terme du sol de fondation et de modéliser les avantages de l'intégration de géogrilles de stabilisation dans le sous-ballast. «Cela devrait permettre d'économiser du temps et de l'argent pendant la construction et la durée de vie opérationnelle d'un chemin de fer, grâce à des intervalles de maintenance plus longs», conclut-il.
Avantages du ballast
Les géogrilles sont utilisées depuis le début des années 1980 pour stabiliser le ballast de voie, le sous-ballast et le sol de fondation sous les voies ferrées.
Lorsque le matériau de remplissage granulaire, comme le ballast ou le sous-ballast, est compacté sur une géogrille, il pénètre partiellement et se projette à travers les ouvertures de la géogrille pour créer un verrouillage solide et positif. Ce verrouillage permet à la géogrille de confiner et de retenir le matériau granulaire de la propagation latérale, ce qui aide à maintenir l'alignement horizontal et vertical du rail.
Les tests en laboratoire et sur le terrain ont montré que les couches de sous-ballast stabilisées par la géogrille sont mieux en mesure de répartir les charges de trafic imposées, en augmentant la zone d'influence sur le sol de fondation, de sorte que les pressions d'appui sont plus faibles.
En fournissant une fondation plus rigide à la voie, le tassement a été réduit de près de 40%, pour le même trafic ferroviaire, par rapport aux couches de sous-ballast non stabilisées. Ces couches peuvent également être jusqu'à deux tiers plus minces, tout en maintenant la capacité portante, en réduisant l'excavation et le remplacement des sous-couches faibles, en réduisant le temps et les coûts de construction.
Les profils de voie peuvent également être lissés aux interfaces entre les structures, par exemple là où les remblais rencontrent des lits de voie en béton sous les ponts et dans les tunnels, en réduisant les effets de tassement différentiel.
