Description de la méthode d'application des soulèvements au gel dans

Une fois que le modèle à analyser a été construit et paramétré dans le logiciel FLAC 7,0, il est nécessaire d’établir de quelle manière les soulèvements au gel dans la structure de chaussée seront simulés dans le logiciel.

Le logiciel FLAC 7,0 peut simuler les mouvements interstitiels de l’eau ainsi que la variation de température. Il serait théoriquement en mesure de créer les soulèvements au gel lié à la saturation du sol. Les soulèvements liés à la présence d’eau interstitielle ont été laissés de côté dans les simulations de soulèvement au gel réalisées puisque selon l’ODPSG, ils ne varient pas en fonction de la résistance du revêtement.

Dans le but de représenter dans FLAC 7,0 les soulèvements liés à la formation de lentilles de glace, un modèle simulant la création de la frange gelée et le phénomène de remontée capillaire de l’eau pourrait être élaboré à même le code de calcul. La création de ce modèle étant complexe et ne permettant pas d’assurer des résultats précis, un artifice pour simuler la formation de lentilles de glace a été utilisé. Cet artifice consiste à appliquer les contraintes liées à la formation de lentilles de glace comme une contrainte mécanique (pression). Ces contraintes mécaniques permettent d’engendrer un soulèvement dans la sous-couche de sol d’infrastructure où les lentilles de glace se créent en étirant la sous-couche. Cette méthode a été retenue puisque le logiciel FLAC 7,0 ne permet pas d’imposer un changement de volume, seule l’imposition de contraintes ou de forces est possible.

4.1.3.1 Soulèvement de la sous-couche où les lentilles de glace se créent

Tel que mentionné précédemment, un artifice de simulation permettant un soulèvement de la sous-couche où les lentilles de glace se créent a été utilisé. Pour simuler ce phénomène dans le logiciel FLAC 7,0, deux contraintes mécaniques nécessaires au soulèvement de la sous-couche sont appliquées, une vers le haut et l’autre vers le bas. Dans le modèle Mohr-Coulomb, l’imposition des contraintes mécaniques provoque la rupture en cisaillement de la sous-couche,

amenant une déformation permanente, comparable au changement de volume subi par l’eau lors de sa solidification. Les contraintes mécaniques appliquées se divisent en deux composantes : la contrainte nécessaire au soulèvement de la sous-couche et la contrainte nécessaire au soulèvement des couches de matériaux supérieures à la sous-couche étudiée.

La contrainte nécessaire au soulèvement des couches de matériaux supérieures à la sous- couche étudiée est composée de la contrainte liée au poids propre des terres et de contrainte résultant de la résistance à la déformation que l’ensemble des couches de matériau supérieures à la sous-couche étudiée apporte face au soulèvement. Le poids propre des terres peut s’estimer entre 18 et 20 kPa selon la sous-couche à l’étude dans la structure de chaussée bitumineuse type. La résistance au soulèvement est difficile à estimer. Les interfaces entre les couches de sol du modèle étant attachées, les déformations imposées sont reprises par plusieurs couches de matériau. En effet, lorsqu’on tente de faire gonfler une sous-couche, le mouvement des nœuds du maillage est limité par la résistance à la déformation de la couche de matériau supérieure et inférieure. Comme le présente la Figure 4.15, lorsqu’un déplacement verticalement est imposé sur un nœud du maillage, le nœud voisin se déplace verticalement et horizontalement en fonction de la résistance à la déformation du matériau. Sur cette figure la contrainte appliquée est en rouge et les déformations engendrées sont en bleus. Les interfaces attachées ont tendance à faire augmenter la contrainte nécessaire à l’étirement de la sous-couche.

Figure 4.15 Déplacement des nœuds du maillage suite à l’imposition d’une contrainte

4.1.3.2 Hypothèses utilisées lors de l’application des soulèvements dans les simulations par différences finies

Dans le cadre des simulations par différences finies certaines hypothèses ont été utilisées dans le but de conserver les simulations simples. En premier lieu, les soulèvements liés à la formation de lentilles de glace dans les couches de matériaux granulaires, bien que possibles, ont été négligés dans cette analyse puisqu’une sensibilité au gel très élevé des particules fines ou une quasi-saturation des couches est nécessaire (Konrad et Lemieux, 2005). De plus, l’importance des soulèvements différentiels créés par ce type de soulèvement est moindre comparativement aux soulèvements produits dans la couche gélive.

Deuxièmement, la contrainte mécanique nécessaire à l’obtention du soulèvement visé est appliquée sur une largeur de 1 mètre. Cette dimension n’a pas la prétention de représenter fidèlement la grandeur des soulèvements puisqu’ils sont irréguliers. Cette dimension a toutefois été choisie dans le but de représenter un soulèvement ponctuel. Les contraintes latérales n’ont pas été étudiées, les lentilles ont habituellement tendance à prendre de l’expansion verticalement (Konrad et Morgenstern, 1980).

Troisièmement, dans le logiciel FLAC 7,0, l’application des contraintes verticales liées aux soulèvements au gel a été effectuée à partir de la sous-couche la plus élevée vers la sous- couche la plus profonde. Cette action a pour but de simuler l’avancement du front de gel au fur et à mesure que l’hiver progresse. Une fois le soulèvement d’une sous-couche obtenu, les contraintes ont été relâchées dans le but de vérifier que le soulèvement est permanent. Une fois la vérification faite, une mise à l’équilibre de la modélisation est effectuée. Dans le logiciel FLAC 7,0, la mise à l’équilibre permet la stabilisation des contraintes dans la modélisation en appliquant uniquement les forces gravitaires.

4.2 Détermination des contraintes liées au soulèvement au gel de la chaussée