Le potentiel de ségrégation (SP) applicable pour les chaussées

surface dans l’axe longitudinal et/ou transversal, pouvant causer la fissuration du revêtement. En période de dégel, l’excès d’eau accumulé dans le corps de chaussée entraine une variation saisonnière de la capacité portante. L’observation de ces dégradations liées à l’action du gel requiert trois facteurs essentiels soit : la présence de températures sous le point de congélation, une nappe phréatique à proximité et un sol gélif.

En période de gel, un front de gel pénètre à travers le corps de la chaussée pour atteindre le sol d’infrastructure susceptible au gel où se développent progressivement des lentilles de glace. Ce scénario suppose que les matériaux granulaires des couches de fondation et de sous- fondation ne sont pas sensibles au gel compte tenu de leur faible teneur en particules fines. À cet égard, le mouvement de la surface de la chaussée dépend principalement de la sensibilité au gel du sol d’infrastructure qui peut se diviser en trois zones selon le niveau de la nappe phréatique et la classe de sol tel qu’illustré à la Figure 1.15 (Konrad et Roy, 2000).

Selon la Figure 1.15, la zone 3 est une couche de sol saturé positionnée sous le niveau de la nappe phréatique. La valeur du SP peut être déterminée selon trois méthodes : un essai en laboratoire sur un échantillon intact, une estimation empirique du SP basée sur les propriétés géotechniques de base du type de sol en place, ou un suivi in situ du site en période hivernale. À cette profondeur, la valeur du SP doit tenir compte de la pression de surcharge moyenne.

La zone 2 est la couche de sol positionnée à l’interface de la nappe phréatique. Cette couche de sol est saturée par l’action de la capillarité, un phénomène que l’on retrouve dans les sols à grains fins. La succion par capillarité (u) se calcule selon l’équation 1.26.

Où h est la distance entre le front de gel et le niveau de la nappe phréatique, ρw la densité de l’eau et g le coefficient d’accélération gravitationnelle. La valeur du SP a tendance à diminuer avec une succion par capillarité croissante. Par conséquent, les sols dont la hauteur de succion capillaire est supérieure à 1,0 mètre nécessitent l’application d’une correction à la valeur du SP présentée à l’équation 1.27, où b est une constante du sol. La valeur du SP est déterminée suivant la procédure d’évaluation de la sensibilité au gel de la zone 3 lorsque la hauteur de succion capillaire est inférieure à 1,0 mètre.

= + log ( ) (1.27)

La zone 1 est la couche de sol où la remontée capillaire est plutôt faible étant donné la distance qui la sépare du niveau de la nappe phréatique. Selon Konrad et Roy (2000), la valeur du SP pour cette zone est estimée négligeable pour un sol dont le degré de saturation est inférieur à 70 %.

Figure 1.15 Condition de gel dans une structure de chaussée souple Tirée de Konrad et Roy (2000)

Le Tableau 1.8 présente l’échelle de gélivité pour catégoriser le niveau de sévérité du potentiel de ségrégation et de l’indice de soulèvement au gel, tiré du Guide de l’utilisateur du logiciel CHAUSSÉE 2. L’approche de conception des chaussées souples vis-à-vis le gel du MTMDET est présentée plus en détail à l’Annexe II. À noter, cette échelle de gélivité est employée dans ce présent projet pour déterminer le niveau de sévérité du potentiel de ségrégation.

Tableau 1.8 Échelle de gélivité Tiré de St-Laurent (2007)

1.5.6.1 La susceptibilité au gel des matériaux de fondation

La susceptibilité au gel des matériaux granulaires de la couche de fondation et de sous- fondation est estimée nulle puisqu’ils possèdent une faible teneur en fines et un degré de saturation inférieur à 60 % lors de la mise en place. Le MTMDET exige pour les matériaux de fondation de respecter un fuseau granulométrique dont la fraction fine ne doit pas excéder 7 %, afin de prévenir le soulèvement au gel et minimiser l’affaiblissement de la structure de chaussée en période de dégel. (BNQ 2560-114) (BNQ 2002).

En raison des systèmes de drainage, de la grande conductivité hydraulique et des conditions initiales de compactage des matériaux granulaires des couches structurales, on estime ainsi être protégé des effets du gel. Cependant, des soulèvements importants ont déjà été observés au début de la période hivernale, lorsque le front de gel est positionné au niveau de la couche de fondation (Evans et al., 2002). Le corps de la chaussée est un système ouvert pouvant être en contact avec des sources d’approvisionnement en eau qui entrainent des degrés de saturation différentiels. Les sources d’infiltrations d’eau dans le corps de chaussée proviennent de la surface où l’eau pluviale est interceptée par la fissuration du revêtement, par l’effet de capillarité ou encore par un écoulement d’eau subhorizontal émanant des accotements

(Bilodeau, Doré et Pierre, 2008). Guthrie et Hermansson (2003) ont effectué des essais de potentiel de ségrégation en système fermé qui montrent qu’à différents degrés de saturation, l’eau interstitielle retenue par le corps granulaire est une source suffisante d’approvisionnement en eau au front de gel pour former des lentilles de glace.

D’après Konrad (2008) et Bilodeau, Dore et Pierre (2008), les spécifications courantes basées uniquement sur la teneur en fines et la distribution granulométrique ne sont pas adéquates pour évaluer le niveau de sévérité relatif au gel. En laboratoire, des essais de gel ont été réalisés sur plusieurs sources granulaires utilisées pour des applications en génie civil à différents degrés de saturation. Konrad (2008) a déterminé la susceptibilité au gel de la fraction fine et Bilodeau, Doré et Pierre (2008) sur la portion passant le tamis de 5mm. Konrad (2008) établit que le matériau de fondation est classé susceptible au gel, s’il produit un soulèvement supérieur à 1 %, souvent accompagné d’une augmentation de la teneur en eau au niveau du front de gel par rapport à l'état initial.

La sensibilité au gel des matériaux de fondation est influencée par la présence d’eau qui entraine un gain de volume et une augmentation de la teneur en eau qui peut être observée. Konrad (2008) montre que le SP0 augmente de manière significative en fonction du degré de saturation initial de l’échantillon. L’amplitude du soulèvement est plus élevée lorsque le degré de saturation initial est supérieur à 60 %. Cependant, lorsque le degré de saturation initial est inférieur à 60 %, l’augmentation de la teneur en eau additionnelle influe davantage sur la sensibilité au gel.

La sensibilité au gel des matériaux granulaires est fortement liée à la distribution granulométrique, la quantité et la minéralogie des particules fines (Bilodeau, Dore et Pierre, 2008 ; Konrad, 2008 ; Konrad et Lemieux, 2005 ; Janoo, 2002). La gradation et la quantité de particules fines sont représentées par la valeur de la porosité de la fraction fine (nf) qui quantifie la dispersion et la compaction des fines à l’intérieur des vides du squelette granulaire de la fraction grossière (équation 1.31) (Bilodeau, Doré et Pierre, 2008).

= − % (1 − % )

(1.28)

Où nc est la porosité de la fraction grossière, ρd la masse volumique sèche et ρs la masse volumique des grains solides. La relation entre la porosité de la fraction fine et le potentiel de ségrégation pour différentes sources de granulat est présentée à la Figure 1.16. Une valeur plus faible de la porosité de la fraction fine favorise le maintien de la tortuosité des canaux capillaires. Un potentiel capillaire plus élevé influence grandement la capacité du matériau à conduire l'eau vers le front de gel. À cet égard, Konrad et Lemieux (2005) ont aussi observé une augmentation de la susceptibilité au gel des matériaux de fondation en fonction de la teneur en fines croissante où les vides de la fraction grossière sont estimés être remplis lorsque la teneur en fines est supérieure à 15 ou 20 %.

Figure 1.16 Relation entre le potentiel de ségrégation (SP) et la porosité de la fraction fine (nf)

Tirée de Bilodeau, Doré et Pierre (2008)

La variation de la sensibilité au gel selon la source des agrégats est le mieux exprimée par deux paramètres liés à la conductivité hydraulique : la surface spécifique de la fraction de fines (SsF)

et le coefficient d’uniformité de la fraction de fines (CuF). La minéralogie de la fraction fine influence principalement la quantité d’eau adsorbée à la surface des grains, qui par occasion renvoi sur l’épaisseur des canaux capillaires non gelés. Pour les matériaux granulaires dont la surface spécifique des fines est relativement faible, on observe une hausse de la sensibilité au gel avec une augmentation de la surface spécifique et du coefficient d’uniformité des fines (Bilodeau, Doré et Pierre, 2008). La minéralogie et la gradation des particules fines contribuent fortement à la sensibilité au gel des matériaux possédant une faible teneur en fines. Cependant, la tendance s’inverse lorsque la teneur en fines augmente puisque les caractéristiques minéralogiques des particules fines diminuent la conductivité hydraulique.