Thèse Modélisation Numérique Avancée de la Réponse Dynamique du Système Train-Voie-Sol pour les Voies sans Ballast à Grande Vitesse H/F

Université de Lille

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : LGCgE - Laboratoire Génie Civil & Géo-Environnement
Direction de la thèse : Marwan SADEK ORCID 0000000289412161
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-29T23:59:59

Au cours de la dernière décennie, l'expansion des lignes à grande vitesse a connu une croissance significative. Les voies conventionnelles à ballast sont largement utilisées en raison de leur faible coût d'investissement. Cependant, leur utilisation devient de plus en plus désavantageuse en raison de leur durée de vie limitée (15-20 ans), de leur entretien coûteux et des problèmes liés aux vitesses élevées. En tant qu'alternative efficace, les voies non ballastées deviennent de plus en plus populaires à l'échelle mondiale, notamment pour des vitesses supérieures à 300 km/h. Leur durée de vie est en effet deux à trois fois plus longue que celle des voies ballastées. Les voies non ballastées ont été introduites pour la première fois au Japon entre 1960 et 1970, puis en Allemagne en 1991. Plus récemment, plusieurs milliers de kilomètres de voies non ballastées ont été déployées en Chine, où les trains peuvent dépasser les 300 km/h.
Bien que représentant une innovation technologique majeure, les lignes à grande vitesse peuvent générer d'importantes nuisances environnementales (bruit et vibrations aéroportés et transmises au sol) pour les riverains et même endommager les structures adjacentes. Les vibrations générées au niveau de la roue/rail proviennent de la masse du train, des irrégularités des rails qui s'aggravent avec le temps, des défauts des roues et de la rigidité non uniforme due aux supports discrets des rails. À des vitesses élevées, ces vibrations peuvent être amplifiées de manière significative, entraînant des dommages tant sur les composants du véhicule que sur ceux de la voie.
Pour comprendre la dynamique de ces systèmes, il est essentiel de développer des méthodes théoriques et expérimentales avancées capables de reproduire correctement les interactions dynamiques mutuelles entre les composants du système (véhicule, voie, sous-sol, etc.). Plusieurs approches numériques ont été proposées dans le domaine fréquentiel, mais elles se limitent à un comportement linéaire. Certaines approches récentes en modélisation temporelle ont été proposées pour les voies ballastées classiques, dans des lignes droites et à vitesse constante.
L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles numériques fiables dans le domaine temporel, visant à simuler correctement les interactions dynamiques complexes entre le train, la voie et le sol sur des voies non ballastées à grande vitesse. Avec l'augmentation rapide de la puissance de calcul, les techniques de modélisation numérique deviennent particulièrement attractives pour une simulation efficace des problèmes d'interaction sol-structure dans le domaine temporel. Cependant, l'inclusion de comportements non linéaires exige un effort de calcul considérable, surtout lorsqu'il s'agit de vitesses et de plages de fréquence élevées. Des approches à 1D et 3D ont été récemment développées (2015-2021) dans des thèses précédentes au sein de notre équipe de recherche (voir les références, Mezeh et al.). Elles ont été appliquées avec succès à des expériences à l'échelle réelle sur des voies ballastées dans le cadre d'un projet de recherche national français (BPL, Bretagne-Pays), impliquant plusieurs partenaires académiques et industriels (SNCF, EIFFAGE Infrastructures, IFSTTAR, SETEC Ferroviaire et l'Université de Lille).
Dans cette thèse, les développements numériques se concentreront sur le cas des voies non ballastées dans les plages de vitesses sub-Rayleigh et super-Rayleigh. Le modèle développé constituera un outil efficace pour définir les stratégies (techniques de réduction) permettant de maintenir des niveaux de vibrations acceptables dans les zones urbaines. D'autre part, le modèle numérique, couplé à des algorithmes d'apprentissage automatique tels que l'algorithme génétique (GA), devrait permettre la détermination des impédances dynamiques, essentielles pour les applications de conception en génie civil.

Les voies non ballastées représentent une solution prometteuse face aux limitations des voies ballastées, notamment pour les vitesses élevées. Cependant, elles génèrent des vibrations qui peuvent avoir un impact environnemental et structurel considérable. Les modèles numériques traditionnels, principalement en domaine fréquentiel, sont limités aux comportements linéaires et ne suffisent pas à simuler les effets complexes à grande vitesse.

Le domaine temporel permet de mieux représenter les interactions non linéaires entre les différents composants du système (train, voie, sol). Des modèles 1D et 3D ont été développés récemment pour les voies ballastées, mais les voies non ballastées, surtout à haute vitesse, nécessitent encore des recherches approfondies. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de ces travaux et vise à développer des modèles pour simuler avec précision les vibrations générées et proposer des techniques d'atténuation efficaces pour les environnements urbains. L'intégration de l'intelligence artificielle permettra également d'optimiser la conception des infrastructures ferroviaires.