Comportement des matériaux granulaires non liés face à la ségrégation vibratoire et à la suffossion : vers de nouveaux critères de conception pour les infrastructures routières

« RÉSUMÉ : La performance et la durabilité des infrastructures routières reposent en grande partie sur la qualité des matériaux granulaires utilisés dans les différentes couches de la structure. Pourtant, ces matériaux dits « non liés », souvent considérés comme secondaires par rapport aux enrobés bitumineux, jouent un rôle fondamental dans la stabilité mécanique et hydraulique des chaussées. Au Québec, plus de 50 % du réseau routier est en mauvais état, et les causes de cette dégradation sont multiples : surcharge due au trafic lourd, sous-dimensionnement, vieillissement des infrastructures, mais aussi comportement méconnu des matériaux d’assise face aux sollicitations mécaniques (vibrations induites par le compactage ou la circulation) et hydriques (infiltration, remontée capillaire, gradients hydrauliques). Dans ce contexte, la présente thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d’instabilité interne dans les matériaux granulaires non liés, en mettant l’accent sur deux phénomènes majeurs : la ségrégation granulaire induite par vibration et la suffossion sous gradients hydrauliques cycliques. Trois objectifs spécifiques ont été poursuivis. Le premier consistait à analyser l’effet de la forme des grains et de la distribution granulométrique sur la ségrégation en conditions sèches. Le deuxième portait sur l’effet de la teneur en eau sur la mobilité des particules et les redistributions internes. Le troisième visait à étudier l’impact combiné de la forme des grains et de l’hétérogénéité initiale sur le développement de la suffossion. Pour ce faire, deux matériaux concassés aux caractéristiques contrastées ont été sélectionnés : un calcaire à grains sub-anguleux (SA) et un matériau siliceux à grains sub-arrondis (SR). Leur composition minéralogique a été déterminée par diffraction des rayons X (XRD), et leur morphologie caractérisée à l’aide d’analyses d’images haute résolution. Des courbes granulométriques normalisées (BNQ-2560-114) ont été reconstruites en laboratoire à partir de ces matériaux, incluant des gradations continues, discontinues et uniformes.»

Abstract

« ABSTRACT : The performance and durability of road infrastructures largely depend on the quality of the granular materials used in the various structural layers. However, these so-called “unbound” materials—often considered secondary compared to asphalt layers—play a fundamental role in the mechanical and hydraulic stability of pavements. In Quebec, over 50% of the road network is in poor condition, and the causes of this degradation are multiple: overloading due to heavy traffic, underdesign, aging infrastructure, as well as limited understanding of the behavior of base materials under mechanical (vibrations induced by compaction or traffic) and hydraulic (infiltration, capillary rise, hydraulic gradients) stresses. In this context, the present thesis aims to better understand the mechanisms of internal instability in unbound granular materials, focusing on two major phenomena: vibration-induced granular segregation and suffusion under cyclic hydraulic gradients. Three specific objectives were pursued. The first was to analyze the effect of grain shape and particle size distribution on segregation under dry conditions. The second examined the effect of water content on particle mobility and internal redistributions. The third aimed to study the combined impact of grain shape and initial heterogeneity on the development of suffusion. To this end, two crushed materials with contrasting characteristics were selected: a sub-angular grain limestone (SA) and a sub-rounded siliceous material (SR). Their mineralogical composition was determined using X-ray diffraction (XRD), and their morphology was characterized using high-resolution image analysis. Standardized gradation curves (BNQ-2560-114) were reconstructed in the laboratory from these materials, including continuous, gap-graded, and uniform gradations. Vibratory compaction tests were conducted on an instrumented vibrating table, simulating the dynamic effects of a field compactor. Samples composed of three successively compacted layers were tested in dry conditions and at various water contents (0%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%). After vibration, each layer was extracted, dried, and analyzed by sieving to assess particle redistribution. A Relative Segregation Index (RSI) was used to quantify the degree of vertical reorganization.»