Détection et localisation des défauts de la chaussée

thumb|Un nid-de-poule sur la Deuxième Avenue à New York. Les défauts de la chaussée ou défauts de voirie désignent l'ensemble des problèmes liés aux imperfections de la route. Les principaux problèmes visibles sont les nids de poules, les fissures, et l'uni-longitudinalité. L’entretien des chaussées a un coût financier considérable pour l’ensemble des collectivités territoriales. D’après les associations de la sécurité routière, ces défauts sont responsables chaque année d’accident. Les dégradations de la voirie sont également responsables de l’usure précoce des pièces mécaniques des véhicules. Cet article recense l’ensemble des techniques de prévention, détection et localisation des défauts.

Types de capteurs

Capteurs actifs Les radars, les télémètres les caméras avec flash ou encore les sonars sont des capteurs de type actif. Le terme actif pour un capteur désigne le fait qu’il émet de l’énergie dans l’environnement. Leurs points positifs sont : leur robustesse, leur bonne qualité d’information et ils sont plus précis. À l’inverse ils peuvent interférer entre eux et sont énergivores.

Capteurs passifs Les caméras sans flash, les microphones par exemple sont des capteurs passifs. Le terme passif désigne le fait qu’ils ont besoin d’une énergie spécifique dans leur environnement. Leurs points positifs sont : leur basse consommation en énergie, moins intrusif. À l’inverse ils dépendent totalement de leur environnement et ils sont moins précis.

Capteurs proprioceptifs Les capteurs proprioceptifs sont des capteurs qui vont donner une information sur l’état du système interne. Par exemple : les odomètres, accéléromètres, gyroscopes, centrale inertielle, GPS.

Capteurs extéroceptifs À l’inverse des capteurs proprioceptifs, les extéroceptifs fournissent des données sur l’environnement externe du système. Par exemple : les capteurs de proximité, les capteurs par mesure de temps de vol, les sonars, les télémètres infrarouge/laser, les radars.

Techniques de détection L’origine des défauts de la chaussée est située sous la surface du bitume, pour prévenir l’apparition des principaux problèmes il existe des techniques d’auscultation de la sous-surface de la chaussée. Si rien n’est fait pour corriger les défauts sous la surface en amont, la formation des imperfections visibles est inévitable. Les problèmes les plus récurrents sont les nids de poules, les fissures appelées également craquellement et l’uni-longitudinalité.

Techniques de détection sous la surface Méthodes destructives La chaussée moderne est composée de plusieurs couches superposées de bitume. L’origine des imperfections de la route proviennent de problèmes liés aux couches sous la surface. Une auscultation en profondeur du bitume permet de vérifier la rigidité, l'épaisseur et le collage de chaque couche. Dans le cadre d’un diagnostic sur l’état de la chaussée, il existe plusieurs méthodes d’auscultation : destructives et non-destructives.

Carottage

Une des méthodes destructives est le carottage. Le carottage est un type de forage visant à prélever un échantillon du sous-sol d’un terrain.  Les carottes permettent d’obtenir des informations concrètes sur les couches sous la surface du bitume. On peut établir un profil des couches sous la surface et détecter des anomalies non visibles. L’épaisseur, la rigidité de la structure peuvent donc être auscultées. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle est lente, les forages sont aléatoires et très intrusifs.

Impact-écho L’impact-écho est une méthode d’auscultation dite dynamique. Elle fut développée en 1983. Cette méthode consiste à appliquer une sollicitation à une surface et d’en mesurer la réponse acoustique. Les observations effectuées reposent sur la connaissance des propriétés des propagations à travers les surfaces solides. L’application de cette méthode conduit à l’établissement de fonction de transfert. Lorsque des variations sont constatées, elles sont induites par un changement de structure, la présence d’un défaut d’interface ou encore une fissure verticale. On prend comme référence une fonction de transfert correspondant à une chaussée sans défaut. Elle sera utilisée pour normaliser les résultats de l’auscultation à chaque fréquence. On peut donc construire une cartographie dit de dommage structurel.

Méthodes non-destructives Thermographie infrarouge

La thermographie infrarouge est une technique, au moyen d’un appareil, d’observer une image thermique dans le domaine de l’infrarouge. Il est donc possible grâce à cette technique d’analyser les variations de températures au sein d’une surface particulière. Très efficace avec le béton, les variations de températures indiquent la présence de défauts. L’inconvénient de cette méthode est que des éléments étrangers (eau, huiles, peintures, conditions climatiques) peuvent altérer les données mesures.

Radar à pénétration de sol

Le radar à pénétration de sol est un appareil de type géophysique. Le principe est simple on pointe un radar vers le sol pour ausculter sa composition et sa structure. Il possède une antenne émettrice qui émet des ondes électromagnétiques, elles sont donc réfléchies par les éléments sous la surface et sont récupérées par une antenne réceptrice. Les données sont représentées sous forme de radargramme. Nous pouvons donc visualiser le profil du sous-sol grâce à la réflexion des ondes mais également celui de la surface. L’analyse est réalisée par un opérateur spécialisé. Cette technique permet de détecter les fissures, décollement des couches et la corrosion d’éléments métalliques.

Techniques de détection uni-longitudinalité Uni-longitudinalité L'uni-longitudinalité est un terme pour désigner l'ensemble des dénivellations de la chaussée. Ces dénivellations peuvent modifier le mouvement des véhicules. Dans le sens longitudinal, elles sont ressenties lorsque les défauts ont des longueurs d’onde comprises entre 0,50 et . Le rôle de l'uni-longitudinalité est de contribuer à la sécurité des usagers (éviter la dégradation du contact pneu-chaussée), au confort des usagers (réduire les oscillations et les vibrations) et à la pérennité de la chaussée (minimiser les surcharges dynamiques). Pour l’acquisition des mesures, les professionnels utilisent des profilomètres. Un profilomètre est instrument utilisé pour mesurer le relief d’une surface. Il en existe 2 types les profilomètres à référence géométrique et ceux à référence inertielle.

Indicateurs Il existe différents indicateurs concernant la mesure et l’étude de l’uni-longitudinalité de la route. Derrière chaque indicateur se cache différentes méthodes d’acquisition et d’analyse de l’uni-longitudinalité de la chaussée. Il existe les indicateurs suivants : IRI (International Roughness Index), NBO (Notation par Bandes d’Ondes) utilisé en France, CAPL25 (Coefficient APL 25), DSP (Densité Spectrale de Puissance) 2D et 3D et Roulis.

Profilomètres

Le principe de fonctionnement du profilomètre à référence géométrique repose sur une référence géométrique comme : les règles, les théodolites de précision ou encore les faisceaux laser. Ces appareils sont généralement statiques ou quasi-statiques. Celui à référence inertielle repose sur une référence inertielle directe à basse fréquence comme le pendule inertielle, centrale gyroscopique … Ou une référence inertielle indirecte comme les systèmes à double intégration de l’accélération. Ce type d’appareil a un grand rendement mais ont des exigences de vitesse minimum, maximum, constante…

Principe d’acquisition Avant de démarrer une vérification de la conformité des chaussées routières il faut prendre des précautions. La route doit être propre, aucun obstacle doit l’entraver, on doit inventorier l’ensemble des événements présents sur la chaussée (intersection, ouvrage d’art, pont …). Dans un cadre idéal, il est préférable pour diminuer tout risque d’accident de fermer la route aux automobilistes pour effectuer les mesures. Il faut également délimiter la zone à ausculter, il faut donc placer des points de repère d’origine et d’extrémité sur la chaussée. Les profilomètres utilisés pour les acquisitions des données doivent être de classe 1, répondre aux normes NF P 98 218-3 et EN 13036-6. Les acquisitions doivent être utilisées dans le sens de la circulation. Dans le cas des chaussées à fort trafic (rocades, autoroutes …) seule la chaussée de droite est auscultée. Lorsque l’on cherche à évaluer le besoin de reprofilage d’une voie, il est préconisé de ne pas dépasser une vitesse de 72 km/h pour obtenir des valeurs exploitables. Si on souhaite étudier deux bandes en même temps, il faut utiliser un système bi-trace.

Concernant l’acquisition des mesures, il faut suivre le protocole suivant et illustrer par le schéma ci-joint. Le véhicule équipé du profilomètre déclenche l'acquisition des données avant le repère d’origine indiquant le début de la zone à ausculter. Il ausculte la zone à étudier, une fois avoir dépassé le repère d’extrémité délimitant la zone d’intérêt il attend d’avoir fait au moins avant d'interrompre l’enregistrement des données.

Exemples de véhicules Analyseur de profil en long (APL)

L’APL est un appareil que l’on vient accrocher derrière un véhicule tracteur. Il est constitué d’un châssis, un ressort, un amortisseur, un bras porte roue, un pendule inertiel et d’une roue de mesure. Le principe de fonctionnement est effectué une mesure de l'angle Bêta entre l’axe du bras porte roue et l’axe du fléau du pendule inertiel. On peut ainsi déterminer l’amplitude A du défaut d’uni-longitudinalité en prenant comme référence un profil moyen. Pour assurer un contact permanent entre la route l’APL est lesté. Le poids s'appuie sur le bras porte roue grâce à un ressort et un amortisseur.

Multi-profilomètre longitudinal (MLPL) Le MLPL est une barre qui se fixe à l’avant d’un véhicule qui mesure environ . Cette barre embarque plusieurs technologies. À l’intérieur de celle-ci, on y trouve trois capteurs lasers, un gyromètre et un accéléromètre.

Grâce à un capteur de distance sur une roue on définit une distance entre un point de la poutre et la chaussée grâce à l’abscisse curviligne , l’accélération verticale et l’inclinaison . On obtient un profil absolu en fonction de l’abscisse curviligne grâce à la relation :

, corrigé de

En théorie le profil est vrai sur tout le spectre, en réalité des paramètres peuvent fausser les résultats (précision des capteurs en fonction de la fréquence et de l’amplitude des mouvements de la caisse, filtrages numériques sur les mesures de distances calculées à partir de l’accélération, vitesse de mesure …). L’absence de profil de référence, la reconstitution d’un profil vrai est mesurée en statique sur un banc de vibration. Il existe le logiciel APL 2000 pour traiter les mesures effectuées.

Techniques de détection des fissures Origines et types de fissures La plupart des fissures sont causées à cause des phénomènes de retrait thermique et la fatigue due au trafic. Les conditions climatiques ont aussi un impact sur notre chaussée le gel et dégel favorisent la création de fissures. La géométrie de la chaussée et les procédures constructives affectent également l’apparition de ce type de défauts. La plupart des défauts vont être la cause de formation de trous sur la chaussée mais ils peuvent également créer un manque d'adhérence. Il existe différents types de fissures sur la chaussée. Les plus connues sont les fissures longitudinale, transversale, faïençage et ressuage.

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