L'invention concerne principalement un procédé d'évaluation de la compacité d'une couche de ballast de voie ferroviaire.

L'invention porte également sur un dispositif permettant de mettre en œuvre un tel procédé.

L'invention porte enfin sur une méthode de prédiction du tassement du ballast d'une voie ferrée incluant une étape d'évaluation de la compacité du ballast.

L'écartement des rails parallèles d'une voie de chemin de fer est maintenu constant par des traverses régulièrement disposées perpendiculairement aux rails. Les traverses permettent en outre de distribuer les efforts transmis par les rails.

Une couche de ballast située sous et entre chaque traverse supporte la voie de chemin de fer. Le ballast est un matériau granulaire provenant du concassage de roches extraites dans des carrières de pierres dures, par exemple de granit, diorite, rhyolite, quartzite ou grès.

Le ballast présente plusieurs fonctions. Notamment, il assure l'ancrage longitudinal et latéral de la voie de chemin de fer. Il amortit par ailleurs les vibrations mécaniques et acoustiques résultant de la circulation des trains. Il transmet en outre les charges appliquées sur les traverses jusqu'à la plate-forme constitué de la couche naturelle du sol, en limitant le tassement de la voie. Enfin, il facilite les opérations de maintenance et de mise en place de la voie et participe au drainage des eaux pluviales.

La circulation des trains sur la voie engendre un tassement progressif du ballast en raison du réarrangement progressif du matériau granulaire constituant le ballast. Ce tassement provoque des défauts sur la voie, se caractérisant notamment par un enfoncement des traverses dans le matériau.

II est connu de corriger ces défauts par différentes opérations d'entretien et de maintenance. On citera notamment les opérations de bourrage, de calage ou de stabilisation dynamique. Ces opérations permettent de corriger les défauts par vibration et serrage des grains constituant le ballast et situés sous les traverses, ce qui permet de rendre à la voie son profil initial par correction du nivellement longitudinal et transversal.

Mais ces opérations ne peuvent être réalisées qu'une fois que les défauts deviennent importants. Il en résulte un laps de temps pendant lequel les trains circulent sur des voies déformées.

A ce jour, et à la connaissance des Demanderesses, il n'existe aucune méthode de prédiction du tassement du ballast d'une voie ferrée.

Par ailleurs, l'élaboration d'une méthode de prédiction du tassement du ballast implique nécessairement l'évaluation et la caractérisation du comportement du ballast.

A cet effet, il est connu par la publication FR7602166 de mesurer l'état de densité du ballast d'une voie ferrée. Pour ce faire, on mesure la durée de pénétration dans le ballast d'un outil de pénétration jusqu'à ce qu'il atteigne une profondeur définie. Selon la densité mesurée, on procède ou non aux opérations de bourrage ou de nivellement.

Si cette méthode permet de mesurer à un instant donné l'état du ballast, elle ne permet pas de prédire l'évolution du tassement du ballast dans le temps.

Par ailleurs, le système utilisé pour appliquer cette méthode est nécessairement monté sur une machine mobile de bourrage, nécessite d'être multiplié pour avoir plusieurs points de mesures et doit être alors associé à un système d'acquisition.

Dans ce contexte, la présente invention vise un procédé alternatif d'évaluation de la compacité d'une couche de ballast de voie ferrée et un dispositif de mis en œuvre de ce procédé permettant d'être monté sur toute machine de maintenance.

L'invention vise également une méthode de prédiction du tassement d'une couche de ballast de voie ferrée.

A cet effet, le procédé d'évaluation de la compacité d'une couche de ballast de voie ferrée à proximité d'une traverse de l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape de prise d'au moins deux mesures de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une même traverse, et une étape de calcul de la valeur moyenne de ces mesures de résistance de pointe. Le procédé de l'invention peut également comporter les caractéristiques optionnelles suivantes considérées isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles :

- chaque mesure de résistance de pointe est prise à une distance maximum de cinq centimètres de la traverse et de part et d'autre de la dite traverse.

- les mesures de résistance de pointe sont espacées d'au moins quinze centimètres les unes des autres.

- chaque mesure de résistance de pointe est prise à une distance maximum de cinq centimètres du rail.

- le procédé peut comporter au moins une étape de prise de quatre mesures de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une même traverse, chaque mesure étant effectuée du coté extérieur du rail, de part et d'autre de la traverse et à proximité de l'intersection entre la traverse et le rail.

- le procédé peut comporter au moins une étape de prise de huit mesures de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une même traverse, quatre première mesures étant effectuées de part et d'autre de la traverse du coté extérieur du rail à proximité de l'intersection entre la traverse et le rail, et quatre secondes mesures étant effectuées du coté intérieur au rail à proximité de l'intersection entre la traverse et le rail.

- chaque mesure de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une traverse est réalisée au moyen d'un pénétromètre dynamique comportant une tête de battage sur laquelle est appliquée au moins une chute de masse qui entraîne l'enfoncement dans le ballast d'une pointe conique située à l'extrémité opposée de la tête de battage et reliée à cette dernière par une tige, et un calculateur détermine la résistance de pointe instantanée du ballast par la formule suivante :

où Qd, est la résistance de pointe instantanée pour un battage

E est l'énergie reçue sur la tête de battage exprimée en joules,

A est la section de la pointe exprimée en mètres carrés,

e est la profondeur d'enfoncement de la pointe conique exprimée en mètres, et le calculateur moyenne toutes les valeurs de résistance de pointe instantanées obtenues pour déterminer la résistance de pointe. - chaque mesure de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une traverse est réalisée au moyen d'un pénétromètre statique pour lequel l'enfoncement du pénétromètre est réalisé au moyen d'un vérin d'enfoncement vertical, et un calculateur détermine la compacité du ballast par la formule suivante : <¾ ^■ =—

' A

où Qd _i est la résistance de pointe instantanée par enfoncement du pénétromètre,

A est la section de la pointe exprimée en mètres carrés, et

F est la force de poussée exercée sur le pénétromètre exprimée en newton, et le calculateur moyenne toutes les valeurs de résistance de pointe instantanées obtenues pour déterminer la résistance de pointe.

L'invention porte également sur une méthode de prédiction du tassement d'une couche de ballast de voie ferrée qui est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une étape d'évaluation de la compacité d'une couche de ballast de voie ferrée par la détermination de la valeur moyenne de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une traverse selon le procédé tel que défini précédemment, et une étape de prédiction du tassement de la dite couche de ballast par application de la formule suivante : où τ _Ν traduit l'évolution du tassement de la couche de ballast en fonction de N qui est le nombre de passage d'essieux sur la traverse considérée, où No répond à la formule suivante

où a est compris entre 46 et 57, et b est compris entre 40 et 50,

où Qd _{0 moy} est la résistance de pointe déterminée à l'étape d'évaluation de la compacité de la couche de ballast, et prise à l'issue d'opérations de maintenance ou lors de l'installation de la voie ferrée, et où p est la pression sous la traverse considérée exprimée en Mégapascal où τ _∞ répond à la formule suivante : r _∞ =Ho(cxT+e)

où c est compris entre 21et 32, et e est compris entre 0,0040 et 0,006, où Ho est l'épaisseur de la couche de ballast considérée exprimée en millimètres, et

où Γ est l'intensité réduite des vibrations auquel est soumis le ballast à proximité de la traverse considérée et répond à la formule suivante :

où A est l'amplitude de l'enfoncement vertical élastique de la voie, calculée à partir d'un modèle mécanique ou mesurée, exprimée en Mètres,

où w ² - 2nf , f étant la fréquence de passage des bogies en Hertz où p est l'effort appliqué par la traverse considérée sur le ballast exprimée en Pascal,

où d est le diamètre moyen d'un grain du ballast exprimée en Mètre, et

où m est la masse d'un grain du ballast exprimée en Kilogramme, et où B répond à la formule suivante :

B = hx V

où h est compris entre 0,0003 et 0,0014, et / ^' est compris entre - 0,3 et - 1 ,15, où Γ est l'intensité réduite des vibrations auquel est soumis le ballast à proximité de la traverse considérée.

L'invention porte en outre sur un dispositif pour mettre en œuvre le procédé d'évaluation de la compacité d'une couche de ballast de voie ferrée à proximité d'une traverse tel que précédemment défini et qui est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pénétromètres statiques aptes à être enfoncés dans le ballast à proximité d'une même traverse, l'enfoncement de chaque pénétromètre étant réalisé au moyen d'un vérin d'enfoncement vertical, et un calculateur détermine la compacité du ballast par la formule suivante :

où Qd _i est la résistance de pointe instantanée par enfoncement du pénétromètre, A est la section de la pointe en mètre carré, et

F est la force de poussée exercée sur le pénétromètre exprimée en Newton, et le calculateur moyenne toutes les valeurs de résistance de pointe instantanées obtenues pour déterminer la résistance de pointe.

Le procédé de l'invention peut également comporter les caractéristiques optionnelles suivantes considérées isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles :

- le dispositif comporte un bâti destiné à être positionné en regard verticalement et à distance de la voie ferrée, et comprenant au moins quatre pénétromètres fixés sur le dit bâti et dont les positions relatives permettent de réaliser quatre mesures de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une même traverse.

- la vitesse d'enfoncement de chaque pénétromètre par chaque vérin d'enfoncement vertical est inférieure à 3 centimètres par seconde.

- au moins deux pénétromètres destinés à mesurer la résistance de pointe sur le même coté d'une traverse sont agencés avec un vérin de positionnement latéral qui permet de positionner latéralement les deux pénétromètres considérés.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique d'un pénétromètre utilisé dans le procédé et le dispositif de l'invention pour déterminer la résistance de pointe du ballast,

- la figure 2 est une représentation schématique de dessus d'une voie ferrée sur laquelle sont symbolisés quatre points de mesure par traverse de la résistance de pointe du ballast selon une premier variante du procédé de l'invention, - la figure 3 une représentation schématique de dessus d'une voie ferrée sur laquelle sont symbolisés huit points de mesure par traverse de la résistance de pointe du ballast selon une seconde variante du procédé de l'invention, et

- la figure 4 est une représentation schématique en perspective du dispositif de l'invention.

La méthode de prédiction du tassement d'une couche de ballast de voie ferrée de l'invention comporte une première étape consistant à évaluer la compacité de la couche de ballast.

Pour ce faire, selon l'invention, au moins deux mesures de la résistance de pointe du ballast à proximité d'une traverse sont réalisées, ces mesures permettant d'évaluer la compacité du ballast sous les traverses.

En référence à la figure 1 , l'appareil utilisé pour effectuer cette mesure de la résistance de pointe peut être un pénétromètre dynamique du type de celui décrit dans la publication de brevet FR2817344 et commercialisé sous la marque PANDA ^®

Ce pénétromètre 1 comporte une tête de battage 2 reliée à une pointe conique 3 par un train de tige 4. La pointe conique 3 est destinée à être enfoncée dans le sol 5 par l'action automatique ou d'un opérateur venant frapper sur la tête de battage en direction du sol selon la flèche F1. L'effort transmis à la pointe conique 3 engendre un enfoncement dans le sol selon la flèche F2 plus ou moins important de cette pointe conique 3 selon la compacité du sol.

Le pénétromètre 1 comporte également des jauges de contrainte 6 situées au niveau de la tête de battage 2 qui traduisent l'énergie transmise par l'impact en fonction de la déformation des jauges de contrainte 6.

Le pénétromètre 1 comporte aussi une unité centrale d'acquisition 7 qui est reliée à la tête de battage par une courroie 7a et qui mesure l'enfoncement de la pointe conique 3 dans le sol 5. L'unité centrale d'acquisition 7 et les jauges de contraintes 6 sont reliés à un calculateur 8 qui détermine la résistance de pointe du ballast.

Le fonctionnement du pénétromètre 1 est le suivant. Un opérateur applique un premier coup sur la tête de battage 2 selon la flèche F1. L'énergie transmise par l'impact sur la tête de battage 2 est mesurée à partir de la déformation des jauges de contraintes 6, qui est transmise à l'unité d'acquisition 7. De façon concomitante, la pointe conique 3 s'enfonce dans le sol 5 selon la flèche F2 d'une profondeur d'enfoncement mesurée par l'unité d'acquisition 7. La profondeur mesurée après l'impact et l'énergie fournie sont transmises au calculateur 8.

Le calculateur détermine alors la résistance de pointe instantanée du ballast par la formule suivante :

où Qd _t est la résistance de pointe instantanée pour un battage

E est l'énergie reçue sur la tête de battage, exprimée en joules,

A est la section de la pointe conique exprimée en mètres carrés,

e est la profondeur d'enfoncement de la pointe conique exprimée en mètre.

Puis l'opérateur assène un second coup sur la tête de battage. Le calculateur détermine alors la résistance de pointe instantanée Qd, associée à ce second coup.

A l'issu des opérations de battage successives, le calculateur 8 moyenne toutes les valeurs de résistance de pointe instantanées Qd, obtenues pour déterminer la résistance de pointe Qd .

La valeur de la résistance de pointe Qd sera d'autant plus précise que le nombre de coups portés sur le pénétromètre est élevé. C'est pourquoi, il est préférable que l'opérateur maîtrise l'enfoncement moyen par coup afin qu'il soit compris entre 5 et 10 millimètres.

Ce pénétromètre dynamique 1 est particulièrement adapté à la mesure de la compacité du ballast de voie ferrée en raison de son encombrement réduit provenant du fait que son fonctionnement repose sur l'application d'une énergie variable, et qu'il est donc possible d'adapter l'énergie fournie sur la tête de battage aux conditions du site de mesures.

En variante, on peut également utiliser un pénétromètre de type statique pour lequel l'enfoncement est réalisé par l'actionnement d'un vérin d'enfoncement vertical. Dans ce cas, la résistance de pointe instantanée Qd, est déterminée par la formule suivante : où Qd, est la résistance de pointe instantanée par enfoncement du pénétromètre,

A est la section de la sonde exprimée en Mètres carrés, et

F est la force de poussée exercée sur le pénétromètre exprimée en Newtons.

Comme pour le pénétromètre dynamique, la valeur de la résistance de pointe

Qd du ballast est déterminée en moyennant les valeurs des résistances de pointe instantanées Qd _t obtenues lors des enfoncements successifs du pénétromètre.

Il est à noter qu'au regard de la nature du ballast, la vitesse d'enfoncement du pénétromètre statique doit être inférieure à 3 centimètres par seconde. En effet, au- delà d'une vitesse de 3 centimètres par seconde, la surestimation de la résistance de pointe est trop élevée.

Selon le procédé de l'invention, cette mesure de la résistance de pointe Qd du ballast, qu'elle soit réalisée par battage avec un pénétromètre de type dynamique, ou par une force de poussée d'enfoncement avec un pénétromètre de type statique, doit être effectuée en au moins deux points à proximité d'une traverse. Les valeurs de résistance de pointe Qd associées à ces deux points sont ensuite moyennées pour évaluer la résistance de pointe moyenne Qd sous une traverse.

Plus précisément et en référence à la figure 2, selon une première variante du procédé de l'invention, quatre mesures de la résistance de pointe Qd sont prises à proximité d'une traverse 10. Sont représentés sur la figure 2 les points d'impact 1 1 du pénétromètre 1 avec le sol reflétant les mesures de résistance de pointe Qd .

Chaque mesure 11 doit être effectuée à une distance D au plus égale à 5 centimètres de la traverse 0.

Par ailleurs, une distance minimum de 15 centimètres doit être respectée dans deux mesures de compacité 11.

En outre, il est préférable que chaque mesure 1 soit située à une distance au plus égale à 5 centimètres du rail 12.

En référence à la figure 2, chaque mesure 11 est effectuée du coté extérieur du rail 12 à proximité de l'intersection entre la traverse 10 et le rail 12. Par conséquent, selon ce mode de réalisation, quatre mesures de compacité sont réalisées à proximité d'une même traverse 10. Ces quatre mesures sont moyennées de façon à déterminer la résistance de pointe moyenne Qd _moy à proximité de la traverse considérée et ainsi à évaluer le tassement de cette traverse 10.

Selon une seconde variante du procédé de l'invention et en référence à la figure 3, huit mesures de la résistance de pointe du ballast sont prises à proximité d'une même traverse 10.

Quatre première mesures référencées 11a sur la figure 3 correspondant à quatre points d'impact 11a du pénétromètre 1 sont effectuées comme pour la première variante du coté extérieur du rail 12 à proximité de l'intersection entre la traverse 10 et le rail 12. Quatre secondes mesures référencées 11b sont effectuées du coté intérieur au rail 12 à proximité de l'intersection entre la traverse 10 et le rail 12. Ces huit mesures 11a, 11b, respectent également une distance maximum de 5 centimètres avec la traverse 10.

Elles sont par ailleurs espacées d'au moins 15 centimètres les unes des autres et situées à une distance d de 5 centimètres maximum du rail 12.

Selon l'invention, au moins deux mesures de la résistance de pointe Qd doivent être effectuées à proximité d'une même traverse 10. Dans le cas où deux mesures de résistance de pointe Qd sont prises, elles doivent l'être de part et d'autre de la traverse pour pouvoir estimer le plus précisément possible l'état de compacité du ballast sous cette traverse.

Par ailleurs, quel que soit le nombre mesures de résistance de pointe, ces mesures peuvent être prises soient simultanément, soit successivement.

Ainsi, selon l'invention, plusieurs mesures de la résistance de pointe Qd du ballast à proximité d'une traverse 10 permettent de définir le degré de compacité du ballast 13 sous les traverses 10. La localisation de ces mesures telle que précédemment définie est importante car elles doivent donner une estimation de l'état mécanique du ballast 13 sous chaque traverse 10.

Selon l'invention, ces mesures de résistance peuvent être effectuées par un dispositif illustré sur la figure 4 et pouvant être monté sur tout appareil de voie.

En référence à cette figure, le dispositif 15 comporte un bâti 16 de part et d'autre duquel s'étendent verticalement quatre pénétromètres 1a de type statique.

La largeur du bâti 16 ainsi que le positionnement relatif des pénétromètres 1 sont ajustés de façon que lorsque le bâti 6 est disposé en regard vertical d'une traverse non visible sur cette figure, les points d'impact des pénétromètres 1a respectent les conditions précédemment définies concernant notamment la distance entre chaque point d'impact des pénétromètres 1a et la traverse considérée.

Le dispositif représenté sur la figure 4 comportant quatre pénétromètres 1a, leur disposition relative sera celle permettant de réaliser quatre mesures 1 1 telles que définies dans la première variante représentée sur la figure 2.

Chaque couple 17,18 de pénétromètre 1 destinés à effectuer des mesures de compacité au niveau d'un même rail, sont surmontés d'un bloc d'enfoncement 19,20. Chaque bloc d'enfoncement 19,20 comporte deux vérins hydrauliques, pneumatiques d'enfoncement 21 ,22 ;23,24 destinés à appliquer l'énergie d'enfoncement sur chaque pénétromètre 1a.

Par ailleurs, chaque bloc d'enfoncement 19,20 comporte un vérin hydraulique de positionnement latéral 25,26 qui permettent de positionner latéralement le pénétromètre 1a auquel ils sont reliés. L'actionnement de chaque vérin de positionnement latéral 26 est effectué au moyen d'une encoche non visible réalisée sur la face latérale du bloc d'enfoncement considéré 19,20. Ainsi, la distance entre les points d'impact des pénétromètres 1a et la traverse considérée est contrôlée.

Le procédé de l'invention consiste ainsi notamment à effectuer au moins deux mesures de la compacité du ballast à proximité d'une traverse au moyen de pénétromètres mesurant la résistance de pointe.

Une fois que ces mesures de résistance de pointe Qd sont effectuées, un calculateur détermine la moyenne de ces mesures pour déterminer la résistance de pointe moyenne Qd _mûy so is une traverse, ce qui définit l'état du ballast sous la traverse considérée.

La méthode de prédiction du tassement d'une couche de ballast de voie ferrée de l'invention comporte une seconde étape consistant à déterminer l'évolution dans le temps de l'état du ballast sous chaque traverse.

A cet effet, la Demanderesse a adapté la loi de relaxation de la densité connue pour s'appliquer pour des billes de verre mono-disperses, à la compacité du ballast selon le nombre de passages d'essieux sur les traverses étudiées. La loi de relaxation modifiée prend alors la forme suivante

où T _N traduit l'évolution du tassement de la couche de ballast exprimé en millimètre en fonction de N qui est le nombre de passage d'essieux de véhicule ferroviaire sur la traverse considérée, où No répond à la formule suivante :

où a est compris entre 46 et 57, et b est compris entre 40 et 50,

où Qd ₀ est la résistance de pointe moyenne pour une traverse déterminée telle que précédemment décrit, et prise à l'issue d'opérations de maintenance ou lors de l'installation de la voie ferrée, et

où p st la pression sous la traverse considérée, exprimé en Mégapascal, où τ _∞ répond à la formule suivante : r _∞ =Ho(cxT+e)

où c est compris entre 21 et 32 et e est compris entre 0,0040 et 0,006, où Ho est l'épaisseur de la couche de ballast considérée exprimée en millimètres, et

où Γ est l'intensité réduite des vibrations auquel est soumis le ballast à proximité de la traverse considérée et répond à la formule suivante :

où A est l'amplitude de l'enfoncement vertical élastique de la voie, calculée à partir d'un modèle mécanique ou mesurée, exprimée en mètre,

où w ² = 2nf , f êtant la fréquence de passage des bogies en Hertz, où p est l'effort appliqué par la traverse considérée sur le ballast, exprimée en pascals,

où d est le diamètre moyen d'un grain du ballast exprimé en mètre, et

où m est la masse d'un grain du ballast exprimée en kilogramme, et où B répond à la formule suivante :

B = hxV

où h est compris entre 0,0003 et 0,0014, et / ^' est compris entre - 0,3 et - 1 ,15, et où Γ est l'intensité réduite des vibrations auquel est soumis le ballast à proximité de la traverse considérée.

Par conséquent, l'évolution du tassement de la couche de ballast d'une voie ferrée peut être appréhendée de façon à pouvoir intervenir sur la voie lorsque le tassement du ballast, telle que déterminé par la loi de tassement précitée de l'invention, devient trop excessif.