Phénomènes engendrés par le gel dans les sols

Lorsqu’ils passent en phase gelée, certaines caractéristiques des sols, qu’ils soient gélifs ou non, sont modifiées. Ces changements sont directement liés à la transformation de l’eau en glace dans les sols. Dans la plupart des cas, le comportement et le volume du sol sont grandement influencés.

1.2.3.1 Changement de comportement des sols gelés Résistance

Lorsque le front de gel pénètre dans le sol, il fait geler l’eau qui se trouve dans les couches de matériau. Cette eau interstitielle gelée agit comme un liant et augmente considérable la résistance du matériau. La résistance des sols gelés dépend de la température, de la teneur en eau, de la teneur en sel de l’eau, du mode de cristallisation de la glace et des caractéristiques mécaniques des particules solides (Dysli, 1991).

Fluage

La glace est un matériau visqueux. Selon Dysli (1991), lorsque l’eau interstitielle d’un sol se transforme en glace, le sol adopte aussi un comportement visqueux. Cet ajout de viscosité amène le sol gelé à présenter une forte tendance au fluage. Lors de l’application d’une contrainte constante sur un sol gelé, la déformation d’un sol gelé peut se décomposer en trois phases distinctes comme le présente la Figure 1.3. La phase I correspond à une contrainte du déviateur (σ1-σ3) sous la résistance structurelle limite. La phase II présente une contrainte suffisante à l’obtention d’un fluage constant. La phase III montre une rupture après fluage avec un déviateur supérieur à la contrainte de rupture.

Figure 1.3 Phases de fluage d’un sol gelé Adaptée de Andersland et Ladanyi (2004, p. 108)

Déformations élastiques

Le sol gelé peut présenter des déformations élastiques lors de charge de très courte durée (Dysli, 1991). Le meilleur exemple dans le cadre d’une chaussée est le passage d’un poids lourd à une vitesse élevée. Dans ce cas, les modules élastiques des sols gelés peuvent atteindre des valeurs importantes. Sollicité à une fréquence élevée, un sable gelé peut obtenir le même module élastique qu’un enrobé bitumineux soit 10 GPa (Andersland et Ladanyi, 2004).

1.2.3.2 Augmentation de volume des sols gelés liés à la saturation du sol

Lorsque le front de gel pénètre le sol, l’eau localisée dans les vides interstitiels gèle. L’eau passant sous forme solide produit une augmentation de volume de l’ordre de 9%. Dans le cas où la saturation du sol est supérieure à une valeur comprise entre 85 à 90 %, selon le type de sol, l’eau se solidifiera et augmentera de volume jusqu’à faire augmenter le volume total du sol provocant ainsi un soulèvement (St-Laurent, 2006).

1.2.3.3 Augmentation de volume des sols gelés liés à la formation de lentilles de glace

Trois éléments sont nécessaires pour que la formation de lentilles de glace ait lieu. Le sol en place doit être gélif, la température ambiante doit être sous 0°C et une source d’alimentation en eau doit être présente (Holtz et Kovacs, 1991; Rouquès et Caniard, 1975). Lorsque la température ambiante passe sous le point de congélation, un flux thermique caractérisé par une basse température est induit dans le sol. Un gradient de température négatif est noté entre la température ambiante et la température du sol non gelé. Ce gradient crée un effet de succion amenant une migration de l’eau du sol inférieur non gelé vers le sol supérieur gelé (Konrad et Morgenstern, 1980). La délimitation entre la couche de sol gelé et la couche de sol non gelé est appelée frange gelée. Il s’agit d’une couche mince de glace que l’eau traverse verticalement. L’eau se déplaçant verticalement dans le sol s’accumule dans une zone tampon et se loge autour des particules de sol en altérant l’équilibre thermodynamique (Konrad et Morgenstern, 1980). Pour rétablir l’équilibre, l’eau doit se transformer en glace. Une lentille de glace est donc créée lorsqu’une accumulation d’eau se solidifie au-dessus de la frange gelée. La dimension de cette lentille de glace ne varie jamais tant que l’alimentation en eau est continue; l’eau de l’alimentation se dépose sur la glace et la fait fondre. La glace fondue se déplace vers la surface, par capillarité, et gèle à une hauteur supérieure (Konrad et Morgenstern, 1980). Ce qui entraîne un déplacement vers le haut de la lentille de glace. La formation des lentilles de glace est présente à condition que la force de succion permette la remontée de l’eau au travers de la frange gelée (Konrad et Morgenstern, 1980). La Figure 1.4 présente une coupe de sol en phase gelé ainsi que les températures reliées. La température à la base de l’échantillon de sol

est appelée . La température dans la zone de ségrégation est dénotée . La température ambiante est notée .

Figure 1.4 Formation de lentilles de glace Adaptée de Konrad et Morgenstern (1980, p. 2)

La formation de lentilles de glace engendre un phénomène de ségrégation par le gel dans les sols. La ségrégation par le gel se caractérise par une séparation de la structure granulaire du matériau lié à l’accumulation d’eau glacée dans un sol. Pour quantifier ce phénomène, le potentiel de ségrégation est utilisé. Ce potentiel se définit comme étant le rapport de la vitesse d’écoulement de l’eau interstitielle vers le front de gel divisé par le gradient thermique qui se développe au niveau du front de gel lorsque le taux de croissance de la lentille de glace est constant (Direction du laboratoire des chaussées du ministère des Transports du Québec, 2010). Dans le cas d’un sol gélif, la ségrégation est caractérisée par l’accumulation de lentille de glace dans la couche de sol gelé. Cette ségrégation se déroulera selon un axe vertical, cet axe offre le moins de résistance en possédant l’épaisseur de sol la plus faible pour permettre

une diffusion rapide de la chaleur (Black et Hardenberg, 1991). La ségrégation par l’action du gel dans les granulométries grossières est souvent ignorée puisque ces matériaux sont censés ne pas être sensibles au gel. Par contre, la présence de particules fines peut modifier la susceptibilité au gel de ces matériaux. En utilisant une cellule de gel, Konrad et Lemieux (2005) ont démontré qu’un mélange grossier peut présenter un comportement similaire à un sol typiquement gélif avec aussi peu que 5% de particules fines très sensible au gel.