Impact du changement climatique sur les infrastructures routières

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
acceptée sur proposition du jury:
Prof. J.-L. Scartezzini, président du jury
Prof. A.-G. Dumont, directeur de thèse
Dr C. Angst, rapporteur
Prof. A. Carter, rapporteur
Prof. A. Schleiss, rapporteur
Impact du changement climatique sur les infrastructures
routières – Analyse de risque et mesures d’adaptation
THÈSE NO 5611 (2013)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE LE 15 FÉvRIER 2013
À LA FACULTÉ DE L'ENvIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT
LABORATOIRE DES vOIES DE CIRCULATION
PROGRAMME DOCTORAL EN ENvIRONNEMENT
Suisse
2013
PAR
Patrick RYCHEN

Résumé
Page i
RÉSUMÉ
Les conditions météorologiques ont un impact direct sur les infrastructures routières. Alors que
certaines conditions météorologiques sont considérées lors de plusieurs étapes de la vie d’une
chaussée, le phénomène de changement climatique n’est pour l’instant pas pris en compte. Ce fait
pourra dans un futur proche, impliquer des conséquences marquées sur la durée de vie des
chaussées.
L’objectif principal de la thèse consiste à évaluer l’impact du changement climatique sur les
performances des infrastructures routières et d’en tirer des recommandations à travers la
proposition de mesures d’adaptation. Les implications et contributions souhaitées pour la pratique
sont nombreuses et permettent d’intégrer le phénomène de changement climatique dans les
objectifs à long terme de la vie d’une chaussée routière.
Dans une première phase, une prévision des conditions météorologiques suisses est effectuée à
l’aide d’un modèle climatique de pronostic novateur. L’évaluation des prévisions météorologiques
montre que des changements importants des régimes de températures sont prévus d’ici la fin du
21ème siècle. Ainsi une augmentation des températures moyennes mais également une apparition
plus fréquente des températures extrêmes est prévue. Un changement important des cycles de gel-
dégel est également pronostiqué à travers une diminution du nombre de cycles et une diminution de
la longueur des périodes de gel et de dégel. D’autres conditions météorologiques peuvent également
présenter des changements conséquents, telles que les précipitations.
Dans la deuxième phase, l’impact du changement climatique sur l’état structurel et fonctionnel des
chaussées est évalué. Dans un premier temps, l’impact du changement climatique sur le phénomène
de gel-dégel et donc sur le dimensionnement au gel des chaussées en Suisse est analysé. Une forte
baisse des indices de gel de l’air et donc une diminution des profondeurs de pénétration du gel est
prévue pour toute la Suisse. Dans un deuxième temps, l’impact du changement climatique sur les
performances des chaussées est évalué à l’aide de la méthode de dimensionnement mécanistique-
empirique américaine. L’utilisation de l’outil de dimensionnement DARWin-ME permet d’intégrer
une multitude de paramètres et de coupler la méthode avec le modèle climatique de pronostic.
L’évaluation globale montre des impacts non négligeables sur les performances des chaussées en
Suisse : L’orniérage peut être défini comme performance critique ; Trois grandes régions climatiques
peuvent être déterminées par rapport à leur comportement ; Les régimes à trafic élevé peuvent être
définis comme critiques ; Etc.
Dans une troisième phase, un facteur de risque est proposé. Il faut s’attendre à une augmentation
générale du risque, liée à une diminution des durées de vie des chaussées. Ainsi des mesures
d’adaptation sont proposées par rapport aux chaussées pour améliorer leurs capacités à résister au
phénomène de changement climatique. Plusieurs mesures sont proposées et évaluées et des
recommandations par rapport à leur mise en place sont données.
La thèse montre que l’impact du changement climatique peut être conséquent et indique des
tendances nettes vis-à-vis du comportement des infrastructures routières suisses. Certains cas (trafic
élevé, régions à températures élevées, etc.) nécessitent la mise en place de mesures d’adaptation
déjà à court-terme (2020). Les mesures proposées, recourant à des technologies et techniques
existantes et reconnues, sont néanmoins suffisantes pour lutter efficacement contre ce phénomène.
Mots clés : Infrastructures routières, revêtements routiers, changement climatique, performances,
orniérage, dimensionnement au gel, dimensionnement mécanistique-empirique, durée de vie,
analyse de risque, mesures d’adaptation.

Abstract
Page ii
ABSTRACT
Weather conditions have a direct impact on road infrastructures. While certain conditions are
considered at several stages in the design life of a pavement, the phenomenon of climate change is
currently not taken into account. This fact may in the near future, involve significant consequences
on the design life of pavements.
The main objective of the thesis is to assess the impact of climate change on the performance of road
infrastructure and to draw recommendations through the proposition of adaptation measures. The
desired contributions and implications for practice are numerous and allow integrating the
phenomenon of climate change in the long-term goals of the pavement design life.
In a first phase, an innovative climate forecast model is used for forecasting weather conditions in
Switzerland. The evaluation shows that significant changes in temperature regimes are predicted by
the end of the 21st century. An increase in average temperatures but also a more frequent
occurrence of extreme temperatures is predicted. A significant change in freeze-thaw cycles is also
forecasted through a decline in the number of cycles and a reduction in the length of freeze and
thaw periods. Other weather conditions can also show important changes, i.e. precipitation.
In the second phase, the impact of climate change on the structural and functional conditions of
pavement is evaluated. At first, the impact of climate change on the phenomenon of freezing and
thawing, and therefore on the frost design of roads in Switzerland, is analyzed. A sharp drop in
freezing indices of air and therefore a decrease in frost depth penetration is predicted throughout
Switzerland. In a second step, the impact of climate change on the performance of pavements was
evaluated using the American mechanistic-empirical design guide. The use of the DARWin-ME design
tool allows integrating a multitude of parameters and coupling the method with the climate forecast
model. The overall assessment shows significant impacts on the performance of pavements in
Switzerland: Rutting can be defined as the most critical performance; three major climatic regions
can be identified regarding to their behavior; the heavy traffic regimes can be defined as critical; etc.
In the third phase, a risk factor is proposed. A general increase in risk, associated with a reduced
length of pavement design life, must be expected. Thus, adaptation measures on pavements are
proposed for improving their ability to resist the phenomenon of climate change. Several measures
are proposed and evaluated and recommendations are given regarding to their implementation.
The thesis shows that the impact of climate change may be important and gives clear trends towards
the behavior of Swiss road infrastructures. Some cases (heavy traffic, regions with high
temperatures, etc.) require the implementation of adaptation measures already in the short term
(2020). The proposed measures, using existing and recognized technologies and techniques, are
nevertheless sufficient to fight against this phenomenon.
Keywords: Road infrastructures, pavements, climate change, performance, rutting, frost design,
mechanistic-empirical pavement design guide, design life, risk analysis, adaptation measures.

Remerciements
Page iii
REMERCIEMENTS
J’aimerais exprimer par ces quelques lignes ma profonde gratitude envers toutes les personnes qui
ont contribué, de quelque manière que ce soit, à la réalisation de cette thèse.
J’aimerais tout particulièrement témoigner de ma profonde reconnaissance envers mon directeur de
thèse, le professeur André-Gilles Dumont, qui m'a soutenu tout au long de ce travail. Ses conseils
avisés ont largement contribué à la réussite de cette thèse.
Un grand merci va également à tous mes collègues au sein du Laboratoire des Voies de Circulation
(LAVOC) de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Ils ont réussi à instaurer, grâce à leur
bonne humeur, une ambiance de travail remarquable.
Je remercie encore les personnes externes au laboratoire qui, de près ou de loin, ont contribué à ce
travail grâce à leurs conseils et critiques constructifs. J’aimerais tout particulièrement remercier le
Dr. M. Ould-Henia, qui surtout au début de ma thèse a participé à enrichir celle-ci. Un grand merci va
également au professeur A. Carter, qui m’a apporté une aide précieuse pendant son année
sabbatique au LAVOC.
Je remercie également les personnes de Meteotest AG à Berne. Leur apport sur les questions
météorologiques et climatiques et leur mise à disposition de leur outil de modélisation, m’ont permis
d’intégrer ce domaine peu connu par moi-même au début du travail. Un grand merci va tout
particulièrement à Mr. J. Remund, personne de contact au sein de Meteotest AG, qui m’a apporté
une grande aide dans ce domaine.
J’aimerais aussi remercier l’Office Fédéral des Routes (OFROU) pour le financement du projet de
recherche associé. En même temps j’aimerais remercier les membres de la commission de suivi du
projet associé : C. Morzier, H.-P. Beyeler, T. Cypra, U. Keller et J.-C. Turtschy. Ils ont pu apporter un
regard extérieur au travail avec des conseils fort utiles.
Je remercie également les membres du jury, les professeurs A. Carter et A. Schleiss et le Dr. C. Angst
pour l’intérêt porté à mon travail et le temps consacré à la lecture du document.
Finalement j’aimerais remercier mon proche entourage, et tout particulièrement mes parents, sans
lesquels ce travail n’aurait jamais pu aboutir. MERCI pour tout votre soutien inconditionnel.