Consolidation et tassement au dégel

Le comportement d’un pergélisol soumis au dégel est largement décrit par (Andersland & Ladanyi, 2004). Un changement de volume résultera du changement de volume de la glace à l’eau, et de l’expulsion de l’eau en excès présent dans un sol. Un sol saturé, à l’équilibre sous une contrainte en condition non

21 drainée, va augmenter de volume lorsqu’il est gelé. Ce changement de volume est associé au changement de l’eau interstitielle en glace et peut être décrit par :

[2-1] 𝛥𝑉 𝑉0 ≈ 0,09𝑛

où

= Déformation volumétrique

n = Porosité

Ce même sol retrouvera son volume initial s’il fond en condition non drainée. Le drainage d’un sol en dégel engendrera des changements de volume additionnels, qui dépendent de la consolidation et de la structure initiale du sol.

Si un sol contient de la glace en excès, la fonte de ce sol générera plus d’eau que le squelette du sol peut absorber. Le drainage de cette eau engendrera des tassements additionnels. Il existe une procédure simple afin de déterminer l’eau en excès contenu dans un sol. Il s’agit de placer le sol dans un contenant gradué et de le laisser fondre. Il est alors possible de mesurer l’eau en excès dans le sol et d’estimer le tassement engendré par le dégel du sol (Agergaard et al., 2012; Andersland & Ladanyi, 2004; Stephani et al., 2008). Les silts et les argiles sont généralement riches en glace et donnent un tassement au dégel important. La Figure 21 (A) montre la cryostructure microlenticulaire très riche en glace typique d’un pergélisol syngénétique tandis que la Figure 21 (B) montre l’eau en excès suivant le dégel d’un échantillon dans une cellule de dégel-consolidation.

Figure 21- (A) Cryostructure microlenticulaire très riche en glace typique d’un pergélisol syngénétique (B) Essai de potentiel de consolidation au dégel montrant l’eau en excès, suite au dégel. (Stephani et al., 2008)

22

Les sols riches en glace sont communs dans les plaines alluviales, dans certains tills et dans des bassins glacio-lacustres (Andersland & Ladanyi, 2004). De plus, La présence de structure de pergélisol tel que les hummocks, les ostioles, les palses, les coins de glaces sont des indications de la présence de sols riches en glace (Doré & Zubeck, 2009).

Certains sables lâches contiennent peu de glace, mais subiront des tassements importants lors du dégel. La Figure 22 (a) montre un résultat typique de tassement et consolidation au dégel. Sous une contrainte constante σ’0, le sol est dégelé. Une diminution importante de l’indice des vides, de ef à et, se produit dû au

changement de phase et au drainage de l’eau en excès. Si la contrainte augmente Δσ, le sol consolidera et aura un indice des vides final ec. La Figure 22 (b) montre une courbe typique de tassement (s) en fonction

de la contrainte (σ) pour un sol soumis au dégel.

Figure 22- (a) Courbe d’indice des vides en fonction de la contrainte pour un sol soumis au dégel. (b) Courbe de tassement en fonction de la contrainte pour un sol soumis au dégel (Doré & Zubeck, 2009)

Le paramètre de tassement de fonte A0 se définit comme suit :

[2-2]

𝐴₀₌𝑒𝑓−𝑒𝑡

1+𝑒𝑓

où A0= Tassement relatif dû au dégel

ef= Indice des vides gelé

et= Indice des vides dégelé

Le tassement dû au dégel peut être obtenu par :

[2-3]

𝑆𝑡= A0 𝐷𝑓

où St= Tassement dû au dégel

Df= Épaisseur de la couche de sol

23 Et le tassement relatif à la consolidation :

[2-4]

𝑆𝑐= αvσ′𝑣Df

où Sc= Tassement relatif à la

consolidation

αv= Coefficient de compressibilité

σ’v= Contrainte effective verticale

Une évaluation rapide du potentiel de tassement au dégel peut être estimé par (Ladanyi, 1996) cité par (Doré & Zubeck, 2009):

[2-5]

𝑠 = �1 −_𝜌𝜌𝑑,𝑓

𝑑,𝑡ℎ�𝐷𝑓

où s= Tassement dû au dégel estimé ρd,f= Densité sèche gelée

ρd,th = Densité sèche dégelée

Leroueil et al. (1991) ont réalisé une étude afin de déterminer le tassement et la consolidation d’un silt argileux pergélisolé de la région de Kangiqsualujjuaq soumis au dégel. La bute minérale cryogène étudiée est composée d’un silt argileux contenant des lentilles de glaces à partir de 1,45 m qui semble marquer le plafond du pergélisol. Le pergélisol contient environ 50% d’eau, dont environ 25% de cette eau est non gelée. Une excavation a été réalisée sur le terrain afin de mesurer la compressibilité in-situ. Une excavation de 9 mètres par 9 mètres a été instrumentée de façon importante à l’aide de thermistances, de piézomètres et de tassomètres. Les valeurs du paramètre de fonte A0 obtenues sur le terrain correspondent à celles

obtenues en laboratoire. De plus, les niveaux d’eau observés dans les piézomètres indiquent que le dégel du pergélisol n’a pas généré de surpression interstitielle. Finalement, les tassomètres ont indiqué qu’une fois le front de dégel passé sous celui-ci, la compression de cette couche n’évoluait plus.

Morgenstern & Nixon (1971) ont développé un modèle de dégel-consolidation à partir des théories de transmission de chaleur et de consolidation linéaire d'un sol compressible. La limite mobile de dégel est définie par la solution de Neuman :

[2-6]

𝑑 = 𝛼√𝑡

où d= Profondeur du dégel

24

α= Constante selon les conditions aux limites ainsi que des propriétés du sol

La solution est formulée à l’aide de l’indice de dégel-consolidation R :

[2-7]

𝑅 =

𝛼

2�𝑐

où R= Indice de dégel-consolidation cv= Coefficient de consolidation

Cet indice indique l’influence relative du taux à laquelle l’eau est produite par le dégel et le taux auquel elle peut être expulsée du sol dégelé au-dessus du front de gel (McRoberts & Morgenstern, 1974b). Pour une masse de sol infinie en dégel-consolidation sous son propre poids, la pression interstitielle peut être déterminée à l’aide de la fonction suivante :

[2-8]

µ =

𝛾′𝑑

�1 + 1_2𝑅

�

où μ = pression interstitielle γ’d= contrainte effective suivant la

dissipation complète de la pression interstitielle en excès