Improvement of Railway Trackbeds using Geogrids - Analysis of Mechanical Behavior, Settlement Reduction and Increase in Effective Bearing Capacity

Face aux enjeux de maintenance de plus en plus exigeants, SNCF Réseau propose d'utiliser des géogrilles pour améliorer les plateformes (couche intermédiaire ou sous-couche avec couche de forme) lors du renouvellement de ses lignes classiques (vitesse limite ≤ 220 km/h). Les géogrilles sont des géosynthétiques formés d'un réseau d'éléments de traction dotés d'ouvertures de taille suffisante pour permettre un enchevêtrement avec un matériau granulaire environnant. A l’heure actuelle, les connaissances sur le comportement mécanique des sous-couches stabilisées par géogrilles sont limitées, notamment dans le contexte du Réseau Ferré National (RFN). D'où l'intérêt de mettre en place des expérimentations pour quantifier les améliorations apportées par les géogrilles posées dans des sous-couches spécifiques de la SNCF. Cette thèse présente les recherches préliminaires sur l'application des géogrilles dans le cadre du renouvellement des voies ferrées de la SNCF.La thèse se compose de deux volets complémentaires : le suivi de plateformes améliorées par géogrilles en conditions opérationnelles (in situ) ainsi que la réalisation d'essais en laboratoire pour mesurer les effets des géogrilles en conditions contrôlées. Les expérimentations in situ comprennent la rénovation, l'instrumentation et le suivi de sections de voies. Elles fournissent des données sur le comportement réel de la plateforme en ce qui concerne des facteurs tels que le chargement dynamique, le confinement latéral, les variations saisonnières, etc. Cependant, ces expérimentations sont limitées par l'impossibilité de réaliser des études paramétriques (compte tenu du coût et de la difficulté logistique) et par la longue échelle de temps nécessaire pour observer certains phénomènes. Les expérimentations en laboratoire répondent à certaines de ces limitations car elles sont moins coûteuses et plus rapides à mettre en œuvre. Il est donc possible de simuler diverses conditions et d'appliquer un grand nombre de cycles de chargement dans un délai relativement court. Cependant, les expérimentations en laboratoire présentent également leurs limites, notamment l'impossibilité d'appliquer des charges dynamiques contrôlées et l'influence des conditions aux limites sur les résultats expérimentaux.La majeure partie du présent travail se concentre sur l'identification des besoins actuels, le développement d'une approche méthodologique et la mise en œuvre de cette approche pour obtenir des résultats préliminaires. Les résultats obtenus à partir de chaque composante (c'est-à-dire sur le terrain et en laboratoire) contribuent à l'interprétation de l'autre. Les premiers résultats indiquent que l'installation de géogrilles a un impact positif net, notamment grâce à une meilleure répartition de la contrainte dans la plateforme et à une réduction du tassement différentiel. In situ, une mobilisation des géogrilles a été observée par la mesure de la déformation de leurs brins transversaux, confirmant ainsi que les granulats sont confinés latéralement par l'enchevêtrement des grains dans les ouvertures de la géogrille. Cette observation a été confirmée dans les expérimentations en laboratoire et complétée par une mesure de la diminution du tassement, lorsque les géogrilles ont été insérées dans la sous-couche. De plus, tous les produits testés ont apporté une amélioration observable. Malgré ces résultats encourageants, ce projet de recherche n'en est encore qu'à ses débuts. Les expérimentations sur le terrain nécessiteront encore plusieurs années de suivi, tandis que les expérimentations en laboratoire nécessiteront plusieurs tests de répétabilité et des études paramétriques supplémentaires. Cette thèse a posé les bases de ce travail futur en développant et en validant les méthodologies de suivi et d’essais, le dispositif expérimental, et les outils analytiques nécessaires à sa progression.Faced with increasingly demanding maintenance challenges, SNCF Réseau (the French railway infrastructure manager) proposes to use geogrids to improve trackbeds (interlayer or subballast with capping layer) during renovations on its conventional rail lines (speed limit ≤ 220 km/h). Geogrids are geosynthetics that have planar structures formed by a regular network of tensile elements with apertures of sufficient size to allow interlocking with surrounding soil, rock, earth or any other geotechnical material. Currently, knowledge of the mechanical behaviour of geogrid stabilised subballast is limited, especially in the context of the French National Rail Network. Hence the interest in setting up experiments to quantify the improvements brought by subballast stabilising geogrids in conditions specific to SNCF. This thesis presents the inception and initial research into the application of geogrids in SNCF trackbed renewal.The thesis consists of two complementary components; the monitoring of geogrid stabilised trackbeds in operating conditions on the field and the design and implementation of laboratory tests to measure the effects of geogrids on subballast in controlled conditions. The field experiments cover the renovation, instrumentation and monitoring of conventional track sections. They provide data on the actual behaviour of the trackbed concerning factors such as dynamic loading, lateral confinement, seasonal variations, etc. However, they are limited by the inability to perform parametric studies and the long time scale required to observe certain phenomena. The laboratory experiments address some of these limitations because they are cheaper and faster to install. Hence, various conditions can be simulated (e.g. testing multiple geogrids), and large numbers of loading cycles can be applied relatively quickly. However, the laboratory experiments also present their limitations, including the inability to induce controlled dynamic loads and the influence of boundary conditions on experimental results.Most of the present work focuses on identifying current needs, developing a methodological approach to address said needs and implementing this approach to obtain preliminary results. The results obtained from each component (i.e. field and laboratory) help inform the interpretation of the other. Initial results indicate that the installation of geogrids provides a net positive impact, notably through improved load spreading within the trackbed and reduced differential settlement. On the field, mobilisation of the geogrids was observed through strain measurement on their transversal ribs. This mobilisation confirmed that the subballast is laterally confined by interlocking. Similar observations were established during the laboratory experiments. The laboratory experiments also showed a decrease in the measured settlements of the loaded areas when geogrids were inserted in the subballast.Moreover, all the products that were tested provided some noticeable improvement. Despite these encouraging results, this research project is still in its early stages. The field experiments will require several additional years of monitoring, while the laboratory experiments will require several repeatability tests and further parametric studies. Nevertheless, this thesis has laid the foundation for these future works by developing and validating the monitoring and testing methodologies, the experimental apparatus, and the analytical tools required for its progression