L’essai de plaque (essai de chargement à la plaque) applique des charges statiques à une plaque en acier circulaire placée sur la surface du sol, mesurant le tassement pour déterminer la capacité portante du sol, le module de réaction du sol (valeur k) et le module élastique. Il est utilisé pour l’évaluation des fondations de chaussées, en particulier pour les chaussées aéroportuaires et les chaussées à forte charge.
L’essai de plaque, également appelé essai de chargement à la plaque, est un essai in-situ qui détermine la capacité portante et les caractéristiques de déformation du sol et des fondations de chaussées. L’essai consiste à appliquer une charge statique verticale à travers une plaque en acier circulaire rigide placée sur la surface du sol et à mesurer précisément le tassement résultant à chaque incrément de charge. Le principe fondamental est simple — la réponse du sol à la charge est mesurée directement là où la structure sera construite, éliminant ainsi la dépendance aux hypothèses de laboratoire ou aux corrélations empiriques qui peuvent ne pas capturer les conditions réelles du terrain.
Les principales grandeurs dérivées d’un essai de plaque sont la capacité portante ultime du sol (la pression maximale que le sol peut supporter avant rupture par cisaillement), la capacité portante admissible (la pression de conception sécuritaire après application d’un coefficient de sécurité, généralement 3,0), le module de réaction du sol (valeur k) , et le module élastique (E) . Ces paramètres sont essentiels pour le dimensionnement des fondations superficielles, des chaussées rigides et souples, des plateformes de grues, des aires de travail pour engins de construction lourds, et des chaussées aéroportuaires soumises à des charges de roues et des pressions de pneus élevées.
L’essai de plaque est spécifié par plusieurs normes internationales. Les deux normes les plus utilisées aux États-Unis sont l’ASTM D1195-21 (Standard Test Method for Repetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components) et l’ASTM D1196-21 (Standard Test Method for Nonrepetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components). La norme CRD-C 655-95 du U.S. Army Corps of Engineers régit les essais pour les projets militaires et de nombreux projets fédéraux. En Europe, la DIN 18134 (Essai de chargement à la plaque) est la norme en vigueur, tandis que le Royaume-Uni utilise la BS 1377-9:1990. Pour les chaussées aéroportuaires, la Federal Aviation Administration (FAA) impose les essais de plaque dans sa circulaire consultative AC 150/5320-6G pour déterminer le module de réaction du sol (k) pour la conception des chaussées rigides des aéroports civils.
L’essai de plaque est considéré comme la référence pour l’évaluation in-situ des fondations de chaussées car il mesure directement le comportement contrainte-déformation du sol dans des conditions de chargement contrôlées. Contrairement aux essais de laboratoire qui nécessitent un échantillonnage intact et un transport, l’essai de plaque évalue le sol dans son état naturel, y compris les effets de la teneur en eau, de la densité, de la structure et de tout compactage existant qui serait détruit lors de l’échantillonnage et de la manipulation.
L’essai de plaque nécessite un système soigneusement assemblé d’équipements spécialisés pour appliquer des charges contrôlées et mesurer les tassements infimes avec une grande précision. Chaque composant joue un rôle essentiel pour obtenir des résultats précis et reproductibles.
La plaque d’appui est l’interface principale entre le système de chargement et le sol. Il s’agit d’une plaque en acier circulaire rigide et épaisse d’une épaisseur minimale de 25 mm (1 pouce) , bien que des plaques de 30 à 50 mm d’épaisseur soient courantes pour les essais lourds. Les diamètres standard vont de 300 mm (12 po) à 762 mm (30 po) , la plaque de 762 mm étant la taille de référence standard pour la conception des chaussées aéroportuaires de la FAA selon l’AC 150/5320-6G. La plaque doit être suffisamment rigide pour répartir la charge uniformément sur toute la surface de contact sans se plier — toute déformation significative de la plaque concentrerait la contrainte au centre de la plaque et invaliderait l’hypothèse de distribution uniforme de la pression. Les plaques sont généralement équipées de marques de centrage et de poignées de levage pour un positionnement précis dans la fosse d’essai.
Les recherches de Rushing (2024) à l’Université d’État du Mississippi ont démontré que la taille de la plaque affecte significativement la valeur k mesurée, les plaques plus petites produisant des valeurs de rigidité apparente plus élevées en raison de la profondeur d’influence moindre. Cet effet de taille de plaque nécessite des facteurs de correction lors de la conversion des valeurs k obtenues avec des diamètres de plaque non standard à la plaque de référence de 762 mm.
Le vérin hydraulique génère la force de compression appliquée à la plaque d’appui. Le vérin doit avoir une capacité suffisante pour charger le sol jusqu’à la rupture, typiquement 100 kN à 500 kN (environ 10 à 50 tonnes), selon la résistance du sol et la taille de la plaque. Le vérin est positionné concentriquement sur la plaque d’appui avec un appui sphérique pour garantir une application de charge purement verticale sans moments excentrés. Un manomètre étalonné ou un capteur de pression électronique mesure la pression hydraulique, qui est convertie en force appliquée à l’aide du facteur d’étalonnage du vérin. Les systèmes modernes d’essai de plaque automatisés utilisent des actionneurs servo-hydrauliques avec un contrôle par rétroaction électronique pour une application précise de la charge à des vitesses spécifiées.
Le cadre de réaction fournit la contre-force contre laquelle le vérin hydraulique pousse. C’est le composant le plus lourd du montage d’essai et il doit avoir une capacité de réaction supérieure à la charge d’essai maximale. Les systèmes de réaction courants comprennent :
Le système de réaction doit être positionné pour éviter d’influencer la zone d’essai. Un dégagement minimal de 1,5 fois le diamètre de la plaque entre les supports de réaction et le bord de la plaque est requis selon les normes ASTM pour empêcher les forces de réaction de confiner artificiellement le sol sous la plaque d’essai.
La mesure du tassement nécessite des comparateurs ou des transformateurs différentiels à variation linéaire (LVDT) avec une précision de 0,01 mm (0,0005 po) et une course minimale de 50 mm (2 po) . Généralement, deux à quatre comparateurs sont montés symétriquement autour de la plaque sur une poutre de référence indépendante du système de chargement. La poutre de référence est supportée sur un sol ferme à une distance d’au moins 1 mètre de la plaque d’essai, garantissant que les comparateurs mesurent uniquement le tassement du sol, et non la déformation de l’équipement ou les perturbations du sol provenant du système de réaction.
Les comparateurs prennent appui sur la surface de la plaque par l’intermédiaire d’une traverse ou directement sur le bord de la plaque. Pour les essais répétitifs (cycliques) selon l’ASTM D1195, des capteurs de déplacement électroniques continus enregistrent le tassement dynamique sous chaque cycle de charge, capturant les composantes de déformation élastique (récupérable) et plastique (permanente). Les systèmes numériques modernes enregistrent les données à des fréquences d’échantillonnage de 100 Hz ou plus pour une analyse détaillée de la relation charge-tassement.
L’équipement supplémentaire comprend un capteur de force ou un anneau dynamométrique pour la mesure directe de la force (comme vérification des lectures de pression hydraulique), un système de charge de calage pour appliquer une pression de contact initiale, un niveau à bulle pour l’alignement de la plaque, du sable pour la literie de la plaque afin d’assurer un contact complet, un chronomètre pour le minutage des incréments de charge, et des fiches d’enregistrement de données ou des enregistreurs de données électroniques. Pour les essais cycliques, un compteur de cycles de charge et un contrôleur de séquence de chargement automatisé sont nécessaires.
La procédure d’essai de plaque suit une séquence soigneusement normalisée pour garantir la reproductibilité et la comparabilité des résultats entre différents sites et opérateurs. Les deux normes ASTM diffèrent principalement par le protocole de chargement — l’ASTM D1196 (non répétitif) est utilisée pour déterminer la relation charge-tassement statique et la capacité portante ultime, tandis que l’ASTM D1195 (répétitif) applique plusieurs cycles de charge pour mesurer le module résilient et caractériser le comportement élastique sous un chargement de trafic simulé.
Une fosse d’essai est excavée au niveau de la fondation proposée ou de la surface du sol de fondation de la chaussée. Les dimensions de la fosse doivent être d’au moins 4 à 5 fois le diamètre de la plaque en largeur pour éviter les effets de confinement des parois de la fosse. La surface inférieure est soigneusement nivelée et tout matériau meuble est enlevé. Pour les essais sur les couches de chaussée, la structure de chaussée sus-jacente est enlevée pour exposer la couche testée — la surface du sol de fondation pour les essais sur le sol de fondation, ou la surface de la couche de base pour l’évaluation de la base.
Une fine couche de sable fin (généralement 2 à 5 mm d’épaisseur) est placée et arasée pour fournir une surface d’appui uniforme pour la plaque en acier. La plaque est positionnée au centre de la fosse et son niveau est vérifié dans les deux directions à l’aide d’un niveau à bulle sensible. Tout espace entre la plaque et le lit de sable est soigneusement rempli pour garantir un contact complet sur toute la surface de la plaque.
Avant la séquence de chargement principale, une charge de calage d’environ 7 kPa (0,15 ksf) selon l’ASTM D1196 ou 1 % de la charge ultime estimée est appliquée et maintenue pendant 1 minute, puis relâchée. Ce cycle de chargement initial cale la plaque dans le lit de sable, comble les vides et établit une référence stable pour les mesures de tassement ultérieures. Après déchargement, les comparateurs sont mis à zéro et l’essai commence.
Selon l’ASTM D1196, la charge est appliquée par incréments d’environ 7 kPa (0,15 ksf) ou 10 % de la capacité portante ultime estimée, selon la valeur la plus petite. Chaque incrément de charge est maintenu jusqu’à ce que la vitesse de tassement ne dépasse pas 0,01 mm par minute pendant trois minutes consécutives (le « critère de stabilisation »). Les lectures de tassement sont enregistrées à intervalles d’une minute pendant chaque incrément de charge. Le chargement se poursuit jusqu’à ce que l’un des trois critères d’arrêt soit atteint : (1) le sol se rompt par cisaillement (augmentation soudaine et rapide du tassement), (2) le tassement total atteint 25 mm (1 po) , ou (3) la charge d’essai maximale prévue (généralement 1,5 à 2 fois la charge de conception) est atteinte.
Après avoir atteint la charge maximale, le déchargement est effectué par décréments d’environ 25 % de la charge maximale, chaque décrément étant maintenu jusqu’à stabilisation du tassement. Le rebond (tassement récupérable) pendant le déchargement fournit des informations sur les propriétés élastiques du sol.
Selon l’ASTM D1195, une phase de conditionnement de 100 à 1 000 cycles de charge est d’abord appliquée à un niveau de contrainte modéré pour caler la plaque et stabiliser le système. Ensuite, la charge est appliquée en cycles répétés à des niveaux de contrainte de pointe progressivement croissants. Chaque cycle consiste à charger jusqu’à la contrainte cible, à maintenir pendant 0,1 à 1,0 seconde (simulant la durée d’impulsion du trafic), à décharger jusqu’à une contrainte de calage réduite (généralement 10 % de la valeur de pointe), et à répéter. La déflexion récupérable (élastique) à chaque cycle est enregistrée, et la déformation permanente (plastique) accumulée au fil des cycles est suivie.
La norme spécifie que pour chaque niveau de contrainte, l’essai se poursuit jusqu’à ce que la déflexion récupérable se stabilise (généralement 50 à 200 cycles). Le module résilient (Mr) à chaque niveau de contrainte est calculé à partir de la déflexion récupérable stabilisée en utilisant la théorie de Boussinesq. Ce protocole cyclique simule le chargement répété du trafic aérien ou routier et fournit des paramètres de conception directement applicables aux méthodes de dimensionnement mécanistique-empirique des chaussées.
Les données complètes enregistrées pour chaque essai comprennent : l’emplacement et le numéro de l’essai, la date, les conditions météorologiques, le type de sol et sa description, le diamètre et l’épaisseur de la plaque, l’état du lit de sable, la teneur en eau initiale et finale, la densité du sol testé, le numéro de l’incrément de charge, la charge et la pression appliquées, le tassement à chaque position de comparateur à intervalles d’une minute, le temps de stabilisation à chaque incrément, la charge maximale et le tassement final, et les données de rebond lors du déchargement. Les enregistreurs de données électroniques fournissent des enregistrements continus temps-tassement qui capturent le comportement de fluage du sol pendant chaque incrément de charge.
Le module de réaction du sol (k) est l’un des résultats les plus importants de l’essai de plaque, et il est le paramètre d’entrée fondamental pour la conception des chaussées rigides utilisant les méthodes de Westergaard ou des éléments finis employées par la FAA, l’AASHTO et d’autres organismes de conception.
Le module de réaction du sol est défini comme le rapport de la pression uniforme appliquée (p) au tassement correspondant (δ) sous une plaque circulaire rigide :
k = p / δ
où :
La valeur k représente une constante de raideur par unité de surface de la fondation du sol. Ce n’est pas une propriété intrinsèque du sol mais plutôt un paramètre indiciel technique qui dépend du type de sol, de la densité, de la teneur en eau, de la taille de la plaque, du niveau de contrainte et de la vitesse de chargement. Pour la conception des chaussées, la valeur k décrit le support fourni par le sol de fondation à la structure de la chaussée.
Les valeurs k standard sont définies en utilisant une plaque circulaire de 762 mm (30 po) de diamètre selon les spécifications de la FAA et de l’AASHTO. Lorsque des plaques de diamètres différents sont utilisées, des facteurs de correction doivent être appliqués pour convertir la valeur k mesurée en valeur k équivalente pour la plaque de 762 mm. La relation de conversion est :
k_converti = k_mesuré × (d_mesuré / 762 mm)^n
où n est un exposant empirique allant de 0,5 à 0,8 selon le type de sol. La circulaire AC 150/5320-6G de la FAA fournit des courbes de correction spécifiques pour différentes tailles de plaque.
La valeur k est déterminée à partir de la partie linéaire de la courbe charge-tassement, généralement entre une pression de calage de 7 kPa (0,15 ksf) et une pression de travail correspondant à la charge de conception. Le tassement à la pression de conception est lu sur la courbe, et k est calculé comme décrit ci-dessus. Pour la conception des chaussées aéroportuaires de la FAA, la valeur k est prise à une pression de 0,069 MPa (10 psi) pour l’évaluation des chaussées rigides, correspondant aux pressions de contact typiques des pneus des trains d’atterrissage des aéronefs.
La valeur k obtenue à partir d’un essai de plaque représente la réaction composite du sol de fondation à la surface. Si le sol de fondation est constitué de plusieurs couches (par exemple, un sol de fondation compacté surmontant un sol naturel plus faible), la valeur k composite reflète la réponse intégrée de toutes les couches dans la profondeur d’influence (environ deux fois le diamètre de la plaque, soit 1,5 m pour une plaque de 762 mm).
Le type de sol a l’effet le plus significatif sur la valeur k. Les plages typiques sont : argile molle — 5 à 15 MPa/m (20 à 55 pci), argile moyenne — 15 à 30 MPa/m (55 à 110 pci), argile raide — 30 à 60 MPa/m (110 à 220 pci), sable — 20 à 40 MPa/m (75 à 150 pci), gravier — 40 à 80 MPa/m (150 à 300 pci), et matériaux cimentés ou stabilisés — 80 à 200 MPa/m (300 à 750 pci). La teneur en eau affecte significativement les valeurs k pour les sols à grains fins, la saturation pouvant réduire k de 50 % ou plus. La densité et le niveau de compactage contrôlent directement la valeur k pour les matériaux granulaires. La profondeur jusqu’à une couche rigide (roche mère ou couche raide) augmente la valeur k à mesure que l’épaisseur de la couche de sol compressible diminue.
Le module élastique (E) du sol, également appelé module d’Young ou module de déformation, peut être déterminé à partir des résultats de l’essai de plaque en utilisant la théorie de l’élasticité. Ce paramètre est essentiel pour la conception des chaussées souples utilisant l’analyse élastique multicouche (par exemple, le logiciel FAARFIELD de la FAA et AASHTOWare Pavement ME Design).
Pour une plaque circulaire rigide de rayon a chargée sur un demi-espace homogène, isotrope et élastique, la relation entre la charge, le tassement et le module élastique est donnée par l’équation de Boussinesq :
E = (q × a × (1 - ν²) × I_r) / δ
où :
Pour une plaque rigide avec déplacement uniforme (comme utilisée dans les essais de plaque standard), l’équation se simplifie en :
E = (q × a × (1 - ν²) × π) / (4 × δ)
La courbe charge-tassement d’un essai de plaque est généralement non linéaire. Le module tangent initial est calculé à partir de la partie linéaire initiale de la courbe (très faibles déformations, généralement inférieures à 0,1 % de déformation). Le module sécant est calculé à un niveau de contrainte spécifique correspondant à la charge de conception (généralement 50 % de la capacité portante ultime ou à une contrainte correspondant à la pression de gonflage des pneus de conception). Pour la conception des chaussées, le module sécant au niveau de contrainte de travail attendu est plus pertinent car il capture la rigidité du sol dans les conditions de contrainte qui se produiront réellement en service.
Le module résilient (Mr) déterminé à partir des essais de plaque cycliques selon l’ASTM D1195 est la mesure la plus directe de la rigidité du sol de fondation de la chaussée pour la conception mécanistique-empirique. Il est calculé à partir de la déflexion récupérable (résiliente) sous chargement répété :
Mr = (q_cyclique × a × (1 - ν²) × π) / (4 × δ_résilient)
où δ_résilient est le rebond élastique par cycle de charge après stabilisation (généralement après 50 à 200 cycles de conditionnement). Le module résilient tient compte du fait que les matériaux de chaussée répondent élastiquement sous un chargement de trafic répété après une période initiale d’accumulation de déformation permanente.
Les recherches utilisant le système d’Essai Automatisé de Chargement à la Plaque (APLT) (InGios Geotechnics) ont démontré que l’essai cyclique avec contrôle de la contrainte de confinement peut mesurer directement des valeurs de Mr comparables à celles obtenues par des essais triaxiaux en laboratoire (AASHTO T307), éliminant ainsi le besoin d’échantillonnage intact et d’équipement triaxial coûteux. L’APLT applique jusqu’à 100 000 cycles de charge avec des séquences de contrainte programmables pour caractériser le comportement dépendant de la contrainte des matériaux de sol de fondation et de base.
L’essai de plaque est la pierre angulaire de la conception des chaussées rigides aéroportuaires telle que spécifiée par la FAA dans la circulaire consultative AC 150/5320-6G (Airport Pavement Design and Evaluation, juin 2021). La FAA exige le module de réaction du sol (valeur k) comme paramètre d’entrée principal du sol de fondation pour la conception de l’épaisseur des chaussées rigides à l’aide du programme informatique FAARFIELD.
La procédure de conception des chaussées rigides de la FAA dans FAARFIELD est basée sur une analyse tridimensionnelle par éléments finis calibrée avec des essais à grande échelle à la National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) à Atlantic City, New Jersey. La valeur k issue des essais de plaque contrôle directement les contraintes et déflexions calculées de la dalle, qui déterminent l’épaisseur requise de la dalle de béton de ciment Portland (PCC).
Selon la section 2.3.9.12 de la circulaire AC 150/5320-6G de la FAA, l’essai de plaque pour les chaussées aéroportuaires doit utiliser une plaque de diamètre 762 mm (30 po) avec la procédure de chargement non répétitif (analogue à l’ASTM D1196). L’essai est effectué sur le sol de fondation préparé à la teneur en eau et à la densité spécifiées pour la construction. Si le sol de fondation est traité ou stabilisé, la valeur k est mesurée sur la couche stabilisée. La FAA spécifie qu’au moins un essai de plaque par 500 mètres cubes (650 yards cubes) de matériau de sol de fondation doit être réalisé, avec un minimum de trois essais par projet.
Parce que la rigidité du sol de fondation varie significativement avec la teneur en eau et les conditions de gel, la FAA exige l’application de facteurs de correction saisonniers aux valeurs k mesurées. Pour la conception des chaussées rigides, la valeur k annuelle moyenne pondérée est calculée en tenant compte de la durée de chaque saison (humide, sèche, gelée, dégel) et de la rigidité correspondante du sol de fondation pendant chaque période. La circulaire AC 150/5320-6G de la FAA fournit des recommandations pour estimer les variations saisonnières de la valeur k en fonction du type de sol, de la région climatique et des conditions de drainage.
L’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) référence les procédures d’essai de plaque dans son Manuel de Conception des Aérodromes et à travers la méthode ACR-PCR (Aircraft Classification Rating / Pavement Classification Rating) pour la déclaration de la résistance des chaussées. L’Annexe 14 de l’OACI (Aérodromes) exige que la résistance portante des chaussées soit déclarée en utilisant la méthode ACR-PCR, qui repose sur la catégorie de résistance du sol de fondation (Haute, Moyenne, Faible ou Très Faible) correspondant à des plages de valeurs k spécifiques :
| Catégorie de sol de fondation OACI | Plage de valeurs k (MPa/m) | Plage de valeurs k (pci) |
|---|---|---|
| Haute | > 120 | > 440 |
| Moyenne | 60–120 | 220–440 |
| Faible | 25–60 | 90–220 |
| Très Faible | < 25 | < 90 |
Ces catégories sont utilisées pour la déclaration normalisée de la résistance des chaussées dans le système ACR-PCR de l’OACI, qui a remplacé l’ancienne méthode ACN/PCN.
Pour les chaussées à forte charge desservant de grands aéronefs (Code E et F, tels que les Boeing 777, 787 et Airbus A380), les essais de plaque sont essentiels car les pressions élevées des pneus (jusqu’à 1,5 MPa / 220 psi pour certains aéronefs) et les charges de roues lourdes (jusqu’à 300 kN / 67 000 lbs par roue) nécessitent une caractérisation précise de la rigidité du sol de fondation pour optimiser l’épaisseur de la chaussée. Sous-estimer la valeur k de seulement 20 % peut conduire à des chaussées surdimensionnées coûtant des millions de dollars ; surestimer la valeur k risque une rupture prématurée de la chaussée et une réhabilitation coûteuse.
L’essai de plaque est l’une des nombreuses méthodes d’évaluation de la résistance et de la rigidité des fondations de chaussées. Comprendre les différences entre l’essai de plaque, l’essai CBR (Indice Portant Californien) et le déflectomètre à masse tombante (FWD) est essentiel pour sélectionner la méthode d’essai appropriée pour une application donnée.
L’essai CBR (California Bearing Ratio, décrit dans l’ASTM D1883 et l’AASHTO T193) mesure la résistance à la pénétration d’un sol en enfonçant un piston de 50 mm (2 po) de diamètre dans le sol à une vitesse constante de 1 mm/min. Le résultat est exprimé en pourcentage — le rapport entre la charge nécessaire pour pénétrer le sol d’essai et la charge nécessaire pour pénétrer un matériau de pierre concassée standard à la même profondeur de pénétration (généralement 2,5 mm ou 5,0 mm).
L’essai de plaque diffère fondamentalement de l’essai CBR sur plusieurs aspects critiques : l’application de la charge — les essais de plaque appliquent une charge statique sur une grande surface (jusqu’à 0,46 m² pour une plaque de 762 mm) tandis que le CBR utilise un petit piston (1 960 mm²) ; les paramètres mesurés — les essais de plaque déterminent directement la capacité portante (kPa ou MPa) et le module (MPa), tandis que le CBR donne un rapport sans dimension en pourcentage ; l’applicabilité — les essais de plaque conviennent aux matériaux à gros grains, à la pierre concassée, aux remblais techniques et aux sols contenant de grosses particules, tandis que le CBR est mieux adapté aux sols à grains fins avec des particules ≤20 mm ; la profondeur d’influence — les essais de plaque évaluent le sol jusqu’à une profondeur d’environ deux fois le diamètre de la plaque (jusqu’à 1,5 m), tandis que la zone d’influence du CBR est limitée à environ 50–100 mm sous le piston.
L’avantage clé de l’essai de plaque par rapport au CBR pour la conception des chaussées est que les essais de plaque fournissent des mesures directes de rigidité (valeur k et module élastique) qui peuvent être utilisées directement dans les procédures de conception mécanistique (FAARFIELD, AASHTOWare, MePAD). Les valeurs CBR doivent être converties en module à l’aide de corrélations empiriques (par exemple, Mr = 10 × CBR pour les sols à grains fins, ou Mr = 17,6 × CBR^0,64 pour les matériaux granulaires), ce qui introduit une incertitude significative — généralement ±50 % ou plus. L’essai de plaque élimine cette incertitude de conversion.
Cependant, l’essai CBR présente des avantages en termes de simplicité, de coût et de rapidité. Un essai CBR en laboratoire peut être réalisé en quelques heures avec un équipement relativement peu coûteux, tandis que les essais de plaque nécessitent un équipement de terrain lourd, des opérateurs qualifiés et généralement 3 à 6 heures par essai. Pour les projets de conception routière où des milliers d’essais sont nécessaires ou lorsque les matériaux sont constitués de sols à grains fins, le CBR reste la norme pratique.
Le Déflectomètre à Masse Tombante (FWD) est un appareil d’essai dynamique non destructif qui applique une charge impulsionnelle (généralement 40–240 kN) à la surface de la chaussée en laissant tomber une masse d’une hauteur contrôlée sur une plaque de charge circulaire. Les déflexions résultantes de la surface de la chaussée sont mesurées par une série de capteurs géophones (généralement 7 à 9 capteurs) positionnés à des distances radiales du centre de la charge, et le bassin de déflexion mesuré est analysé à l’aide d’un logiciel de rétro-calcul pour déterminer les modules des couches.
Comparé aux essais de plaque, le FWD offre des avantages significatifs en termes de rapidité : un essai FWD prend environ 60 secondes par point, permettant 50 à 100 essais par jour contre 3 à 6 essais par jour pour les essais de plaque. Le FWD évalue également l’ensemble de la structure de la chaussée (surface, base, sous-base et sol de fondation) plutôt que seulement la surface testée. L’essai FWD est non destructif, ne nécessitant aucune excavation ni perturbation de la chaussée.
Cependant, l’essai de plaque fournit une mesure directe des paramètres du sol de fondation dans des conditions de chargement statique qui simulent plus étroitement le comportement des dalles de chaussée rigide sous le chargement des aéronefs ou des véhicules. Le FWD mesure la réponse dynamique à des durées de charge très courtes (25–30 millisecondes), nécessitant une analyse de rétro-calcul et une conversion du module pour obtenir des paramètres équivalents statiques pour la conception. Les essais de plaque permettent également la mesure directe de la déformation permanente et de la déformation plastique accumulée sous chargement répété, ce qui est essentiel pour évaluer la performance à long terme de la chaussée.
Le Déflectomètre Léger (LWD) est un appareil d’essai de plaque dynamique portable et manuel qui applique une charge impulsionnelle plus faible (généralement 10–20 kN) à travers une plaque de 300 mm de diamètre. Les LWD sont largement utilisés pour le contrôle qualité du compactage pendant la construction en raison de leur portabilité (poids total 15–25 kg) et de leur cycle d’essai rapide (1–2 minutes par essai). Le LWD mesure le module dynamique (Evd) en utilisant un principe similaire au FWD mais à plus petite échelle.
Le LWD est complémentaire à l’essai de plaque — le LWD est mieux adapté pour le contrôle rapide du compactage et les essais d’acceptation des matériaux pendant la construction, tandis que l’essai de plaque est la méthode de référence pour la détermination des paramètres de conception et les investigations forensiques. Les résultats du LWD avec une plaque de 300 mm ne peuvent pas être directement assimilés aux valeurs k d’un essai de plaque avec une plaque de 762 mm sans facteurs de correction tenant compte des effets de taille de plaque, des différences de niveau de contrainte et de la vitesse de chargement (dynamique vs statique).
Bien que l’essai de plaque soit la référence pour l’évaluation des fondations de chaussées, il présente des limites bien reconnues qui doivent être prises en compte lors de l’interprétation des résultats et de la conception des fondations.
La limite la plus fondamentale est la profondeur d’influence limitée, parfois appelée bulbe de pression ou effet de bulbe de contrainte. Pour une plaque circulaire chargée sur un demi-espace homogène, la distribution des contraintes verticales suit la théorie de Boussinesq — à une profondeur d’un diamètre de plaque sous la surface, la contrainte verticale est d’environ 33 % de la pression en surface ; à deux diamètres de plaque de profondeur, elle est d’environ 10 % de la pression en surface. Par conséquent, l’essai de plaque caractérise principalement le sol dans une profondeur d’environ 1,5 à 2,0 fois le diamètre de la plaque — pour une plaque de 762 mm, cela représente environ 1,1 à 1,5 mètres.
Cette limitation signifie que les essais de plaque ne peuvent pas détecter les couches de sol plus faibles à des profondeurs supérieures à 1,5 mètres sous la surface d’essai. Si une couche faible existe à 2–3 mètres de profondeur, l’essai de plaque ne capturera pas son influence sur la performance de la fondation, ce qui peut conduire à des hypothèses de conception non sécuritaires. Inversement, une croûte de surface résistante surmontant un sol plus profond et faible peut produire des valeurs k trompeusement élevées. Pour remédier à cette limitation, les fosses d’essai sont excavées jusqu’à la profondeur réelle de la fondation, et pour les sols stratifiés, des essais de plaque doivent être effectués sur chaque couche distincte ou combinés avec des forages plus profonds et des essais en laboratoire.
L’effet de taille de plaque introduit des différences systématiques entre les valeurs k mesurées et celles de conception. Parce que la valeur k est définie pour un diamètre de plaque spécifique (762 mm selon les normes de la FAA), les essais réalisés avec des plaques plus petites produisent des valeurs de rigidité apparente différentes. Les recherches à l’Université d’État du Mississippi (Rushing, 2024) et au U.S. Army Engineer Research and Development Center ont montré que :
La nécessité d’une masse de réaction lourde (généralement 10 à 50 tonnes) pour contrebalancer la charge appliquée crée des défis logistiques. Dans les espaces confinés, sur les pentes ou sur un sol faible, le positionnement d’un camion chargé ou d’un cadre de réaction peut être peu pratique. Le système de réaction lui-même peut perturber le sol autour de la zone d’essai, en particulier sur un sol meuble où les supports de réaction peuvent provoquer une rupture par capacité portante avant même le début de l’essai.
Les essais de plaque évaluent le sol en un seul point. Sur des sites hétérogènes où les propriétés du sol varient significativement sur de courtes distances, quelques essais de plaque peuvent ne pas capturer l’ensemble des conditions. L’exigence de la FAA d’un essai par 500 mètres cubes de matériau suppose des conditions de sol de fondation relativement uniformes ; sur des sites variables avec des lentilles, des poches ou des transitions entre types de sol, une densité d’essais beaucoup plus élevée peut être nécessaire.
La charge statique appliquée lors des essais de plaque ne simule pas parfaitement la charge dynamique et transitoire des véhicules ou aéronefs en mouvement. Les charges de trafic sont appliquées en millisecondes, tandis que les incréments de charge de l’essai de plaque sont maintenus pendant plusieurs minutes. Pour les sols à grains fins, cette différence de vitesse de chargement peut affecter significativement la rigidité mesurée — les argiles testées à des vitesses lentes peuvent fluer et présenter un tassement plus élevé (rigidité plus faible) que sous un chargement rapide du trafic. Cette limitation est traitée par les essais de plaque cycliques (ASTM D1195) qui appliquent des impulsions de charge simulant le trafic.
L’essai de plaque cyclique, également appelé essai de plaque statique répétitif, diffère fondamentalement de l’essai standard non répétitif en appliquant la charge en cycles répétés plutôt que sous forme d’une seule augmentation monotone. Cette méthode d’essai, décrite dans l’ASTM D1195 et l’AASHTO T221, a été développée spécifiquement pour l’évaluation des fondations de chaussées car elle simule la nature répétée du chargement du trafic de manière plus réaliste qu’un essai statique.
L’objectif principal de l’essai de plaque cyclique est de déterminer le module résilient (Mr) des sols de fondation et des couches de fondation de chaussée. Le module résilient représente la rigidité élastique du matériau après stabilisation sous chargement répété, qui est le paramètre d’entrée fondamental pour le Guide de Conception Mécanistique-Empirique des Chaussées (MEPDG) et le logiciel AASHTOWare Pavement ME Design. L’essai cyclique quantifie également la déformation permanente (déformation plastique) qui s’accumule sous chaque cycle de charge, fournissant des données essentielles pour la prédiction de l’orniérage et de la performance à long terme des chaussées.
Le protocole d’essai de plaque cyclique selon l’ASTM D1195 comprend plusieurs phases distinctes :
Phase 1 — Conditionnement : 100 à 1 000 cycles de charge sont appliqués à un niveau de contrainte modéré (généralement 30 à 50 % de la contrainte de conception estimée) pour caler la plaque, stabiliser le système et atteindre un état de « rodage » où la déformation permanente par cycle devient approximativement constante.
Phase 2 — Essai Dépendant de la Contrainte : La charge cyclique est appliquée à des niveaux de contrainte de pointe croissants (généralement 5 à 8 séquences de contrainte), chacune comprenant 50 à 200 cycles. À chaque niveau de contrainte, la déflexion récupérable (résiliente) et la déformation permanente sont enregistrées après stabilisation. Le module résilient à chaque niveau de contrainte est calculé à partir de la déflexion récupérable stabilisée.
Phase 3 — Caractérisation de la Contrainte de Confinement : Pour les essais cycliques les plus avancés utilisant des systèmes comme l’APLT, la contrainte de confinement appliquée au matériau d’essai est variée (en utilisant le système de réaction pour appliquer un confinement latéral) afin de caractériser le comportement complet du module résilient dépendant de la contrainte. Cela produit les paramètres k1, k2, k3 du modèle constitutif universel du module résilient utilisé dans AASHTOWare Pavement ME Design.
L’essai de plaque cyclique fournit des informations essentielles que l’essai statique ne peut pas capturer. Il mesure séparément les composantes élastique et plastique de la déformation, simule la condition de chargement réelle (charges de trafic répétées), quantifie l’accumulation de déformation permanente sur des milliers de cycles (évaluant la performance à long terme), et détermine la rigidité dépendante de la contrainte (les matériaux se rigidifient ou s’adoucissent selon le niveau de contrainte). Le système APLT d’InGios Geotechnics peut effectuer jusqu’à 100 000 cycles de charge par essai avec un contrôle entièrement automatisé, fournissant des données de module résilient de qualité laboratoire sur le terrain.
L’essai de plaque est un outil précieux pour l’investigation forensique des chaussées — le processus qui consiste à déterminer pourquoi une chaussée existante a cédé ou présente des performances insuffisantes, et à évaluer si elle peut être réhabilitée ou doit être reconstruite.
Lorsqu’une chaussée présente des signes de détresse localisée tels qu’un orniérage excessif, une fissuration ou un tassement dans des zones spécifiques, les essais de plaque peuvent identifier si la cause est un support de sol de fondation faible. Des essais comparatifs entre les zones détériorées et non détériorées quantifient la différence de rigidité du sol de fondation. Une section avec une valeur k de 20 MPa/m dans une chaussée conçue pour 50 MPa/m expliquerait des performances inadéquates et guiderait la stratégie de réhabilitation.
En effectuant des essais de plaque à différentes étapes de la démolition de la chaussée — sur la surface de la chaussée, sur la couche de base exposée après fraisage de l’enrobé, sur la sous-base et sur le sol de fondation — les investigateurs forensiques peuvent déterminer la contribution de chaque couche à la rigidité globale de la chaussée. Cette évaluation couche par couche aide à différencier les problèmes causés par la faiblesse du sol de fondation, la dégradation de la base ou la rupture de la couche de surface.
Lorsqu’une chaussée défaillante est réhabilitée avec un rechargement ou une reconstruction, les essais de plaque sur la fondation préparée confirment que le sol de fondation atteint la valeur k de conception avant la mise en place des nouvelles couches de chaussée. Ceci est particulièrement important pour les projets de rubblisation ou de fissuration-et-calage où les chaussées rigides existantes sont fracturées et utilisées comme base pour des rechargements souples — les essais de plaque sur le béton fracturé vérifient un support adéquat pour le rechargement en enrobé.
Des essais de plaque répétés aux mêmes emplacements au fil du temps peuvent suivre les changements saisonniers du support du sol de fondation causés par l’infiltration d’humidité, le soulèvement par le gel ou les problèmes de drainage. Dans les investigations forensiques de défaillances de chaussées liées à un mauvais drainage, les essais de plaque pendant les saisons humides et sèches peuvent quantifier la réduction de la rigidité du sol de fondation (souvent une perte de 50 à 70 % lorsque le sol de fondation est saturé), fournissant des données objectives pour justifier les projets d’amélioration du drainage.
Dans les investigations forensiques, les résultats des essais de plaque sont généralement corrélés avec d’autres sources de données — les indices du pénétromètre dynamique à cône (DCP) , les données d’épaisseur des couches du radar à pénétration de sol (GPR) , les essais CBR et triaxiaux en laboratoire, et les paramètres du bassin de déflexion du déflectomètre à masse tombante (FWD) . L’essai de plaque fournit la référence de rigidité absolue par rapport à laquelle les méthodes d’essai rapides (DCP, FWD) sont étalonnées, permettant une évaluation plus efficace de l’état des chaussées tout en maintenant la précision de la référence statique de la plaque.
L’essai de plaque reste la méthode de terrain de référence pour déterminer la capacité portante et la rigidité des fondations de chaussées. Sa mesure directe du comportement charge-tassement dans des conditions contrôlées fournit les paramètres de conception essentiels — capacité portante ultime et admissible, module de réaction du sol (valeur k) et module élastique/résilient — qui constituent le fondement de la conception des chaussées selon les normes de la FAA, de l’AASHTO et des normes internationales. Bien que l’essai présente des limites en termes de profondeur d’influence, d’effets de taille de plaque et d’exigences logistiques, sa directivité et sa précision inégalées le rendent indispensable pour les grands projets aéroportuaires et routiers où la performance des fondations est critique. La technologie émergente de l’Essai Automatisé de Chargement à la Plaque (APLT) promet de surmonter les barrières traditionnelles de temps et de coût en permettant des essais cycliques rapides et automatisés avec une collecte de données de qualité laboratoire directement sur le terrain, étendant ainsi l’utilité de l’essai de plaque pour l’assurance qualité de routine et la conception mécanistique des chaussées.
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