Multi-scale study of the degradation of railway ballast

par Ivan Deiros Quintanilla

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Gaël Combe et de Fabrice Emeriault.

Le président du jury était William Powrie.

Le jury était composé de Mathieu Renouf, Juan Carlos Quezada, Charles Voivret, Jean-François Ferellec.

Les rapporteurs étaient William Powrie, Mathieu Renouf.

  • Titre traduit

    Étude multi-échelle de la dégradation du ballast ferroviaire


  • Résumé

    Pour voies ferrées à grandes vitesses (LGV, Lignes à Grande Vitesse), la durabilité des performances du ballast de chemin de fer n’est pas aussi importante qu’attendu. Le comportement mécanique de cette couche granulaire mince dépend fortement de la forme, la taille et la minéralogie des grains. Sur les LGV, les grains s’usent plus vite qu’attendu, essentiellement à cause de l’accumulation des opérations de maintenance appelées bourrage. Une conséquence à cela est un renouvellement complet du ballast avec une fréquence largement supérieure à ce qui était initialement prévu à la création de ces lignes.Soumis à des contraintes dynamiques combinées (trafic ferroviaire et des opérations de bourrage), les grains de ballast se dégradent par fragmentation et par attrition aux contacts. Les conséquences directes de cette dégradation progressive sont l’évolution de la taille et de la forme des grains. La courbe granulométrique est alors translatée vers les petits éléments, avec une présence notable de particules très fines résultant de l’usure des grains. De plus, l’angularité des grains est progressivement diminuée. Au-delà d’un certain temps, le cumul de dégradation se traduit par une chute des performances mécaniques du ballast. Le ballast ne remplit plus efficacement ses fonctions. La résistance latérale de la voie est réduite, limitant ainsi la répartition des contraintes sur la plateforme et l’ancrage des traverses. La présence excessive de fines rend le bourrage inefficace et diminue la perméabilité de la voie. Par conséquent, pour trouver des solutions optimales pour prolonger la durée de vie du ballast, il est nécessaire d’abord de bien comprendre les origines et mécanismes menant à l’usure des grains, pour finalement construire un modèle prédictif de dégradation.La dégradation des interfaces au contact génère de particules fines. La quantité de fines produite, laquelle dépend des conditions de chargement, est classiquement prédite par l’équation d’Archard. Ce modèle part du principe que le volume d’usure généré est proportionnel à la force normale et au déplacement relatif entre les surfaces en contact. La simulation numérique par éléments discrets (NSCD) d’une portion de voie de chemin de fer soumis à un chargement cyclique est un outil nécessaire pour réaliser la transition entre l’échelle de la voie et l’échelle du contact, fournissant les informations sur le ballast en tant que couche granulaire, depuis son comportement global jusqu’aux forces de contact et les déplacements relatifs entre les grains. Les contacts montrant un grand potentiel de génération de fines (selon le modèle d’Archard) sont identifiés et reproduits expérimentalement avec des essais de cisaillement entre deux grains. Parallèlement, l’essai d’attrition Micro-Deval est utilisé pour relier les résultats numériques et expérimentaux, et ainsi valider le modèle d’Archard, et pour suivre l’évolution de la forme des grains avec l’aide des scans d’un échantillon de grains par tomographie RX à différents états d’usure. Les deux campagnes d’essais montrent la faiblesse des aspérités les plus aiguisées, dont spécialement celles sur les arêtes et sommets.Un modèle prédictif d’usure en deux phases est donc proposé. La première phase décrit une usure rapide due aux fortes contraintes normales à l’interface de contact, et la deuxième phase décrit un taux d’usure plus modéré. Une contrainte seuil permet d’identifier clairement le passage d’une phase à une autre. Sur la base des déplacements relatifs intergranulaires observés dans la simulation numérique discrète, ce modèle est appliqué pour chaque contact dont l’histoire de chargement est variable. Une estimation de la courbe de génération de fines dans la voie est ainsi proposée.


  • Résumé

    After some years of high-speed lines in France (HSL), ballast has proven not to be resistant enough. The performance of ballast, as a thin layer of coarse grains, strongly depends on the shape, size and mineralogical nature of the grains composing it. However, in HSL, grains wear faster than expected due to the traffic of trains at high speeds and the accumulation of maintenance operations (tamping). Ballast replacement has therefore been required much before than its originally expected lifespan.Under the dynamic stresses imposed by the circulation of trains and tamping operations, ballast is gradually worn by fragmentation of grains and attrition at the contacts. The direct consequence of this degradation is the evolution of grain size and shape: the grading curve is shifted towards small and fine particles and the grains progressively lose their angularity. Eventually, the cumulated wear will no longer allow ballast to perform properly: the shear resistance of the layer is reduced limiting both the anchorage of sleepers and the distribution of loads to the platform. In addition, the presence in excess of fine particles renders tamping ineffective (fast evolution of track defaults) and reduces the permeability of the track. Thus, in order to search for optimized solutions for prolonging ballast lifespan, it is crucial to first understand the origins and mechanisms leading to ballast degradation when it is subjected to complex loading, for building a predictive model of ballast wear.The degradation of contact interfaces generates fine particles. The associated mass flux, which depends on the loading conditions, has been classically predicted by Archard equation. The model assumes that the generated volume of wear is proportional to the normal force and the relative displacement between the surfaces. Therefore, it is crucial to quantify the forces at the contact scale and the relative displacements between ballast grains in sliding contact. Discrete elements simulations by NSCD are used as a tool for performing a change in scale from the track scale to the contact scale, giving information of ballast as a granular layer, from its global behaviour down to the contact forces and relative displacements between grains. Contacts with a higher potential of generating fine particles (according to Archard model) are then identified and reproduced experimentally by two-grain shearing tests. In parallel, the Micro-Deval standard attrition test is used as a link between numerical and experimental results to validate Archard model, and to study the evolution of grain morphology by scanning a sample of grains using X-ray tomography at different stages of the test. Both experimental campaigns show the weakness of sharp asperities, especially on edges and vertexes.A model in two phases is proposed, accounting for a first phase of fast and aggressive degradation due to the high stress at the contact interface and a more stable second phase with a lower wear rate. A critical stress is identified as a threshold between phases. This model is then applied at each individual contact on the numerical simulations, resulting in a first approach of the production curve of fine particles within the track.


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