© Jonathan Fortin, 2020
Étude de la consolidation au dégel à grandes
déformations du pergélisol riche en glace à Umiujaq au
Nunavik (Québec)
Mémoire
Jonathan Fortin
Maîtrise interuniversitaire en sciences de la Terre - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Étude de la consolidation au dégel
à grandes déformations
du pergélisol riche en glace
à Umiujaq au Nunavik (Québec)
Mémoire
Jonathan Fortin
Sous la direction de :
Richard Fortier, directeur de recherche
John Molson, codirecteur de recherche
ii
Résumé
À cause du climat froid qui sévit aux hautes latitudes nordiques, un pergélisol riche en glace s’est formé dans les dépôts de silt de plusieurs régions du Québec nordique. Dans le contexte actuel de tendance au réchauffement climatique récemment observée aux hautes latitudes nordiques, les écosystèmes et les infrastructures nordiques sont affectés par la dégradation du pergélisol. En effet, la fonte de la glace de sol et la dissipation des pressions interstitielles dans les pores du sol sont à l’origine d’affaissements au dégel de la surface du sol. L’anticipation des tassements au dégel du pergélisol riche en glace est un enjeu majeur pour l’évaluation des impacts de la dégradation du pergélisol sur les écosystèmes nordiques et sur les infrastructures.
Afin de répondre à cet enjeu, le principal objectif du présent mémoire de maîtrise était d’étudier la consolidation au dégel du pergélisol riche en glace. Pour atteindre cet objectif, une méthode d’usinage et un banc d’essai de consolidation au dégel à grandes déformations d’échantillons de pergélisol ont été développés et optimisés. Des échantillons de pergélisol prélevés dans une butte de pergélisol à Umiujaq au Québec nordique ont été testés dans le cadre de cette étude. En plus des essais de consolidation au dégel sur les échantillons usinés, des essais de consolidation après le dégel et de conductivité hydraulique ont aussi été réalisés. Lors du meilleur essai de consolidation au dégel, un rapport de consolidation au dégel R de 0.74 a été
obtenu pour un taux de dégel α de 0.045 cm/s1/2 et un coefficient de consolidation
cv de 9.26 x 10-4 cm2/s. Ces résultats sont comparables à ceux trouvés dans la
littérature. En sur-consolidant un échantillon après son dégel lors de paliers de chargement, la conductivité hydraulique k peut diminuer de deux ordres de grandeur de 10-4 à 10-6 cm/s à cause de la diminution de l’indice des vides dans l’échantillon.
iii
Abstract
Due to the cold climate prevailing at high northern latitudes, ice-rich permafrost has
formed in clay and silt deposits in many areas of northern Quebec. In the current context of the climate warming trend as observed in northern Quebec, northern ecosystems and infrastructure are being affected by the degradation of permafrost.
The melting of ground ice and the dissipation of pore pressures in the ground are
the cause of thaw subsidence of the ground surface as observed in the field. Anticipating thaw settlement in degrading ice-rich permafrost is a major issue in assessing the impacts of permafrost degradation on northern ecosystems and infrastructure.
To address this issue, the main objective of this master's thesis was to study the thaw consolidation of ice-rich permafrost. To achieve this objective, a machining method and a test bench for large-strain thaw consolidation of permafrost samples were developed and optimized. The permafrost samples tested in this study were taken from an ice-rich permafrost mound near the Inuit community of Umiujaq in northern Quebec. In addition to large-strain thaw consolidation tests on the milled samples, standard post-thaw consolidation and hydraulic conductivity tests were also conducted. The best test yielded a thaw consolidation ratio R value of 0.74 for a thaw rate α of 0.045 cm/s1/2 and a consolidation coefficient cv of 9.26 x 10-4 cm2/s.
These results are comparable to the one found in the literature. During the over-consolidation stages after the thawing of a sample, the hydraulic conductivity k can decrease by two orders of magnitude from about 10-4 to 10-6 cm/s because the planar
voids left after the melting of the segregation ice lenses in the sample gradually close with the load applied to the sample.
iv
Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iii
Liste des annexes ... vi
Liste des figures ... vii
Liste des tableaux ... xii
Liste des symboles ... xiii
Liste des abréviations ... xv
Remerciements ... xvi
Avant-propos ... xvii
Introduction ... 1
Impacts du réchauffement climatique au Nunavik ... 1
Consolidation au dégel du pergélisol riche en glace ... 3
Échantillonnage du pergélisol riche en glace et usinage des échantillons ... 8
Préparation des échantillons de sol gelé ou de pergélisol ... 10
Essais de conductivité hydraulique ... 13
Problématique ... 15
Objectifs ... 16
Structure du mémoire de maîtrise ... 16
Chapitre 1 Site d’étude ... 18
1.1 Communauté Inuite d’Umiujaq au Nunavik (Québec) ... 18
1.2 Contexte géologique ... 20
1.2.1 Socle rocheux ... 20
1.2.2 Dépôts de surface ... 22
Chapitre 2 Méthodologie ... 25
2.1 Étapes de la méthodologie ... 25
2.1.1 Étape 1 – Échantillonnage du pergélisol riche en glace ... 26
2.1.2 Étape 2 – Préparation, transport et conservation des échantillons de pergélisol ... 28
2.1.3 Étape 3 – Préparation de la cellule œdométrique et du banc d’essai ... 29
2.1.4 Étape 4 – Usinage des échantillons de pergélisol riche en glace ... 31
2.1.5 Étape 5 – Réalisation de l’essai de consolidation au dégel ... 32
2.1.5.1 Calcul de la charge initiale avant le dégel ... 35
2.1.6 Étape 6 – Essais de consolidation standard et de conductivité hydraulique . 35 2.1.7 Étape 7 – Fin de l’essai de consolidation au dégel ... 36
2.2 Consolidation au dégel du pergélisol à échelle réelle ... 38
Chapitre 3 Nouvelle méthode d’usinage d’échantillons de pergélisol riche en glace ... 40
v
3.2 Abstract ... 42
3.3 Introduction ... 43
3.4 Study site ... 43
3.4.1 Ice-rich permafrost sampling ... 45
3.4.2 Preparation and transport ... 47
3.5 Machining of permafrost samples ... 48
3.6 Discussion... 53
3.7 Conclusions ... 53
3.8 Acknowledgements ... 54
Chapitre 4 Résultats et discussion ... 55
4.1 Essais de consolidation au dégel ... 55
4.1.1 Détermination des paramètres d’un essai de consolidation au dégel ... 56
4.1.1.1 Taux de dégel du pergélisol ... 56
4.1.1.2 Coefficient de consolidation ... 57
4.1.1.3 Rapport de consolidation au dégel ... 59
4.1.2 Sommaire de l’essai abrégé de consolidation au dégel ... 60
4.1.3 Essais complets de consolidation au dégel ... 68
4.1.4 Résultats de l’ensemble des essais de consolidation au dégel ... 71
4.2 Essais de conductivité hydraulique ... 74
4.3 Problèmes rencontrés lors des essais de consolidation au dégel ... 80
4.4 Corrections des erreurs expérimentales ... 83
4.5 Recommandations ... 85 Conclusions ... 88 Bibliographie ... 92 Annexe A ... 96 Annexe B ... 98 Annexe C ... 100 Annexe D ... 108 Annexe E ... 115 Annexe F ... 120 Annexe G ... 137 Annexe H ... 153 Annexe I ... 169 Annexe J ... 188 Annexe K ... 190 Annexe L ... 196
vi
Liste des annexes
Annexe A : Carte des dépôts de surface dans la vallée Tasiapik à Umiujaq ... 96
Annexe B : Résultat d’une analyse granulométrique par tamisage et laser des
sédiments marins échantillonnés dans la butte de pergélisol à Sylvie Buteau (site SB dans la figure A.1) dans la vallée Tasiapik à Umiujaq, Nunavik. ... 98 Annexe C : Schémas des composantes principales du banc d’essai. ... 100
Annexe D : Photos de la cellule œdométrique, du banc d’essai et des équipements
associés aux essais de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique. ... 108
Annexe E : Liste des outils et accessoires nécessaires au déroulement d’un essai
de consolidation au dégel. ... 115
Annexe F : Résultats du premier essai complet de consolidation au dégel d’un
échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 20 avril 2018. ... 120
Annexe G : Résultats du deuxième essai complet de consolidation au dégel d’un
échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 24 mai 2018. .... 137
Annexe H : Résultats du troisième essai complet de consolidation au dégel d’un
échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 7 juin 2018. ... 153
Annexe I : Résultats du quatrième essai complet de consolidation au dégel d’un
échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 3 août 2018. ... 169
Annexe J : Résultats de l’étalonnage des thermistances à haute précision (modèle
YSI-440033) réalisé le 6 mars 2018. ... 188
Annexe K : Calcul du temps de propagation du front de dégel. Détermination du
facteur α. ... 190
Annexe L : Essai de densité relative des particules solides d’échantillon de
vii
Liste des figures
Figure 1: Mares de thermokarst formées suite au dégel des buttes de pergélisol.
Photo prise du sommet de la cuesta en bordure de la vallée Tasiapik près d’Umiujaq au Nunavik (Québec) durant l’été 2017. ... 2
Figure 2: Tassements au dégel visibles à la surface de la route d’accès entre
l’aéroport et le village d’Umiujaq au Nunavik (Québec). ... 3
Figure 3: Indice des vides e en fonction de la pression verticale effective σ’v. a)
Domaine sur-consolidé (S.C.). b) Domaine normalement consolidé (N.C.). c) Courbe de chargement-déchargement. (figure modifiée de la norme ASTM D2435/D2435M – 11) ... 6
Figure 4: Photographies d’un échantillon artificiel de sol gelé pour la réalisation
d’un essai de consolidation au dégel. (image modifiée d’après Qi et coll., 2013) ... 10
Figure 5: Échantillons de pergélisol usinés manuellement. (image modifiée de
Nixon et Morgenstern, 1973) ... 11
Figure 6: Usinage manuel ou sur un tour tel qu’utilisé par Baker (1976). ... 12
Figure 7: Usinage manuel ou sur un tour tel qu’utilisé par Still et coll. (2013). 12
Figure 8: Échantillon de pergélisol riche en glace qui provient d’une butte de
pergélisol dans la vallée Tasiapik à Umiujaq au Nunavik (Québec). Cet échantillon a un diamètre de 10.2 cm et une longueur près de 25 cm. La profondeur de la base de l’échantillon se trouve à 3.95 m alors que son sommet est à une profondeur de 3.70 m. ... 14
Figure 1.1: Carte des zones de pergélisol dans le nord du Québec. Les villages
nordiques de Kuujjuarapik, Umiujaq et Inukjuak sont identifiés le long de la côte est de la Baie d’Hudson. (image modifiée d’après Allard et Séguin, 1987) ... 19
Figure 1.2: Température moyennes annuelles de l’air en fonction du temps pour
Kuujjuarapik et Inukjuak. Une augmentation marquée des températures moyennes annuelles de l’air est visible pour ces deux villages nordiques à partir des années 1990. ... 20
Figure 1.3: Colonne stratigraphique du socle rocheux dans le secteur du lac
Tasiujaq. Les encadrés en rouge identifient les unités présentes dans la vallée Tasiapik. (modifiée de ARK (2007) et tirée de Banville (2016)) ... 21
Figure 1.4: La formation de Qinkaluuk du Groupe de Richmond Gulf et la coulée
basaltique subaérienne du Groupe de Nastapoka sont visibles au front de la cuesta. (photographie tirée de Banville, 2016) ... 21
Figure 1.5: Coupe stratigraphique AA’ des dépôts de surface et du socle rocheux
dans la vallée Tasiapik et identification de l’emplacement approximatif du site d’échantillonnage d’une butte de pergélisol riche en glace (butte AML). Consulter la carte descriptive des dépôts de surface dans la vallée Tasiapik à l’Annexe A pour la localisation de cette coupe stratigraphique AA’. (coupe modifiée de Banville, 2016) ... 23
viii
Figure 1.6: Résultats d’un essai de pénétration au cône dans la butte de pergélisol
AML. ... 24
Figure 2.1: Partie inférieure du banc d’essai. Vue des deux bains de circulation.
Sur la photo, le bain de circulation de liquide ‘froid’ est identifié A et le bain de circulation de liquide ‘chaud’ est identifié B. ... 31
Figure 2.2: Photo de l’intérieur du cabinet réfrigéré lors d’un essai. Le cabinet et la
cellule œdométrique ont été préalablement conditionnés et tout le système hydraulique est saturé du liquide antigel. Le système de charge est poussé contre la tige supérieure du piston et le capteur de déplacement est en voie d’être installé. ... 34
Figure 2.3: Photos de la cellule œdométrique sans sa protection externe. A) Le
pousse-échantillon est inséré dans la cellule. B) Vue du dessous de la cellule sans sa base, l’échantillon est sur le point d’être évacué. ... 37
Figure 3.1: IKONOS satellite image of the region of Umiujaq along the east coast
of Hudson Bay, Nunavik (Québec), Canada, taken on July 26th, 2005. For the scale, the airstrip at the airport of Umiujaq is about 1.2 km long. Inset: map of Canada with the location of Umiujaq in Nunavik. ... 44
Figure 3.2: North oblique photograph of the Tasiapik Valley taken from the cuesta
ridge (Figure 3.1). The grey-brownish zones in the foreground are ice-rich permafrost mounds. The gullies between the permafrost mounds invaded by vegetation are free of permafrost. The gravel road leading to Tasiujaq Lake to the south and northern village of Umiujaq to the north gives the scale. ... 45
Figure 3.3: Light drilling equipment operated by two drillers used to sample
ice-rich permafrost (Calmels et al., 2005). The core barrel is a standard industrial 10 cm (4 inches) diameter diamond core barrel to drill holes in concrete floor or wall. A home-made core catcher which is an open core barrel without diamond bit to recover lost sample in the borehole is also shown. ... 46
Figure 3.4: Photographs of ice-rich permafrost samples from a depth of 285 to 412
cm recovered at the study site (Figure 3.2). The ice lenses appear as dark layers. The yellow measuring tape gives the scale. ... 47
Figure 3.5: Left photograph: vertical press drill used to machine ice-rich permafrost
samples (A- Rotational machining device. B- Sample holder). The rotating handle to manually feed the motionless sample in the machining device in rotation is identified by the arrow. Right photograph: details of the two-orthogonal-motion-axes sample holder with a sample. ... 50
Figure 3.6: Ice-rich permafrost sample immobilized in the sample holder exhibiting
the different diameters of the four trimming stages from a rough diameter of about 100 mm after sampling in the field (a) to diameters of 92 (b), 76 (c), 68 (d), and 63 mm (e). The final length of the trimmed sample shown in this photograph is 15.5 cm. ... 51
ix
Figure 3.7: Left photograph: band saw and screw sample holder used to cut
perfectly parallel the bottom and top of the sample. Right photograph: sample in the jaws of the sample holder. To avoid any sample disturbance during handling and cutting, the sample is placed in a longitudinally cut plexiglass cylinder. ... 52
Figure 3.8: Left photograph: final trimmed ice-rich permafrost sample protected by
a plexiglass cylinder. Right photograph: œdometer in a small temperature-controlled environmental chamber. ... 52
Figure 4.1: Propagation du front de dégel du sommet vers la base durant l’essai
no. 010819 réalisé le 1er août 2019. ... 57
Figure 4.2: Graphique semi-logarithmique de la déformation axiale en fonction du
temps lors du dégel de l’échantillon de l’essai no. 010819 sous une contrainte de 78.7 kPa. Les tangentes à la courbe de consolidation et les paramètres qui apparaissent sur ce graphique sont utilisés pour le calcul du coefficient de consolidation cv. ... 58
Figure 4.3: Sommaire de l’essai abrégé de consolidation au dégel no. 010819. 65
Figure 4.4: Graphique des séries temporelles de toutes les températures
mesurées dans la cellule œdométrique pour l’essai no. 010819. ... 66 Figure 4.5: Graphique de l’indice des vides en fonction de la contrainte axiale
effective pour les données de l’essai no. 030818. ... 69
Figure 4.6: Graphique de l’indice des vides en fonction du coefficient de
consolidation pour les données de l’essai no. 030818. ... 70
Figure 4.7: Graphique de la déformation axiale en fonction de la contrainte axiale
effective pour les données de l’essai no. 030818. Calcul de la contrainte de préconsolidation par la méthode de Casagrande décrite dans la norme ASTM D2435. ... 70
Figure 4.8: Graphique semi-logarithmique de la déformation axiale en fonction du
temps de l’échantillon de l’essai no. 030818 sous une contrainte axiale
de 65.8 kPa. Détermination graphique du paramètre t50 pour le calcul
du coefficient de consolidation cv tel que décrit par la norme ASTM D2435/D2435M-11. ... 71
Figure 4.9: Graphique de l’indice des vides en fonction de la conductivité
hydraulique corrigée à une température de 20 °C (k20) pour l’essai complet no. 030818. ... 78
Figure 4.10: Sommaire de l’essai no. 200418 pour la phase de dégel. Aucune
déformation axiale n’est visible pendant le dégel, car la charge n’était pas assez grande pour vaincre la friction du système. ... 81 Figure 4.11: Exemple de formation de glace superficielle sur les échantillons de
pergélisol prélevés lors d’une campagne de forage à Umiujaq en 2015 et utilisés deux ans plus tard lors des premiers essais de consolidation au dégel. ... 84
x
Figure 4.12: Montage de la nouvelle pompe pour augmenter le débit du liquide du
bain de circulation déficient. A) Vue de côté de la pompe installée sous la table du banc d’essai. B) Vue de devant de la pompe et du nouveau système de valves directionnelles. ... 87
Figure A.1: Carte descriptive des dépôts de surface de la vallée Tasiapik. Modifiée
de Banville (2016) et de POLY-GÉO Inc. (2014). La butte de pergélisol identifiée par un symbole X avec l’acronyme AML (Anne-Marie LeBlanc) est le site d’étude où le pergélisol riche en glace a été échantillonné pour réaliser les essais de consolidation au dégel. .... 97
Figure B.1: Analyse granulométrique d’un échantillon de silt sableux récupéré sur
le site de la Butte SB. ... 99
Figure D.1: Vue de face du banc d’essai de consolidation au dégel à grandes
déformations d’échantillon de pergélisol avec la porte du cabinet réfrigéré ouverte. La cellule œdométrique est positionnée dans le cabinet avec tous les équipements connectés et prêts à réaliser un essai de consolidation et des essais de conductivité hydraulique. . 109
Figure D.2: Vue latérale du système d’acquisition. Sur la photo il est possible de
voir le montage du système de refroidissement de l’air du cabinet réfrigéré ainsi qu’une partie du panneau de contrôle qui se trouve derrière l’écran de l’ordinateur portable. ... 110
Figure D.3: Vue du banc d’essai du côté où se trouve le système de support de la
bouteille de Mariotte pour les essais à charge constante de conductivité hydraulique. Photo du cabinet réfrigéré avec la porte ouverte, de tous les équipements installés pour faire un essai de conductivité hydraulique et de la cellule œdométrique. ... 111
Figure D.4: Accessoires et équipements utilisés dans le cadre des essais de
consolidation au dégel: bouteille de désaération de l’eau distillée [A], pompe à vacuum [B], plaque chauffante, des béchers et des cylindres gradués [C] et la bouteille de Mariotte [D]. ... 112
Figure D.5: Vue du haut de la cellule œdométrique sans le couvercle vissé. Un
échantillon de pergélisol riche en glace est dans la cellule (non visible sur la photo), le piston est placé contre l’échantillon, le capteur de pression est inséré à la base et il est saturé de glycol, et les tuyaux d’alimentation sont tous saturés de liquide de refroidissement (couleur rose) pour le conditionnement en température de la cellule et de l’échantillon dans le cabinet réfrigéré. La photo a été prise lors de l’essai no. 010819 dans la chambre froide après l’usinage. ... 113
Figure D.6: Vue du haut de la cellule sans le couvercle lors du retrait du piston à
la fin d’un essai complet. À noter que les deux joints toriques sur le piston doivent être inspectés, nettoyés et graissés avant chaque essai de consolidation au dégel. ... 114
xi
Figure E.1: Une partie des outils et accessoires utilisés lors des essais de
consolidation au dégel. Voir la liste présentée au début de cette annexe. ... 117
Figure E.2: Une partie des outils et accessoires utilisés lors des essais de
consolidation au dégel. Voir la liste présentée au début de cette annexe. ... 118
Figure E.3: Une partie des outils et accessoires utilisés lors des essais de
consolidation au dégel. Voir la liste présentée au début de cette annexe. ... 119
xii
Liste des tableaux
Tableau 2.1: Liste complète des échantillons disponibles au laboratoire de
géophysique. ... 27
Tableau 2.2: Résultats de la consolidation au dégel d’une couche de silt sous un
remblai routier à Umiujaq. Essai in situ à grande échelle réalisé entre 2006 et 2015. (tableau modifié d’après Fortier et coll., 2015) ... 39
Tableau 4.1: Sommaire des résultats du premier essai abrégé de consolidation au
dégel d’un échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 1er août
2019 – Essai no. 010819. ... 61
Tableau 4.2: Sommaire des résultats du premier essai abrégé de consolidation au
dégel d’un échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 1er août
2019 – Essai no. 010819. (suite) ... 62
Tableau 4.3: Sommaire des résultats du premier essai abrégé de consolidation au
dégel d’un échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 1er août
2019 – Essai no. 010819. (suite) ... 63
Tableau 4.4: Sommaire des résultats du premier essai abrégé de consolidation au
dégel d’un échantillon de pergélisol riche en glace débuté le 1er août
2019 – Essai no. 010819. (suite) ... 63
Tableau 4.5: Sommaires des résultats des essais de consolidation au dégel réalisés
sur des échantillons de pergélisol riche en glace dans le cadre de ce projet de recherche et de ceux trouvés dans la littérature. ... 73
Tableau 4.6: Sommaire des résultats des essais de conductivité hydraulique à
charge constante effectués pour l’essai no. 030818. ... 76
Tableau 4.7: Sommaire des résultats des essais de conductivité hydraulique à
charge constante effectués pour l’essai no. 030818. (suite) ... 77
Tableau 4.8: Sommaire des résultats des essais de conductivité hydraulique à
charge constante effectués lors de l’essai no. 030818. (suite) ... 78
Tableau 4.9: Sommaire des résultats des essais de conductivité hydraulique. .... 79
Tableau E.1:Liste des outils et accessoires pour un essai de consolidation au dégel.
xiii
Liste des symboles
α Taux de dégel du pergélisol riche en glace (cm/s1/2)
εa Déformation axiale (%)
Δh Variation de l’épaisseur de la couche de sol au cours du temps durant
la consolidation (m)
Δσ’ Variation de la contrainte effective durant la consolidation (kPa)
l conductivité Longueur de l’échantillon au moment de l’essai de conductivité
hydraulique (cm)
l échantillon Longueur de l’échantillon au moment où le front de dégel atteint la base
(cm)
γf Masse volumique gelée (g/cm3)
μ Pression interstitielle de l’eau actuelle (kPa)
μe Pression interstitielle de l’eau en excès (kPa)
μhydro Pression hydrostatique de l’eau (kPa)
ρ Masse volumique (kg/m3)
ρd Densité sèche initiale (g/cm3)
σpré Contrainte de préconsolidation (kPa)
σ’v Pression verticale effective (kPa)
A Aire d’une section transversale de l’échantillon usiné (cm2)
cv Coefficient de consolidation (m2/s)
e Indice des vides (valeur adimensionnelle)
e0 Indice des vides initial (valeur adimensionnelle)
ef Indice des vides final (valeur adimensionnelle)
G Densité relative (valeur adimensionnelle)
g Accélération gravitationnelle (m/s2)
H50 Longueur du chemin de drainage à 50% de consolidation qui
correspond à la longueur complète de l’échantillon, car les essais sont réalisés avec un drainage unilatéral (cm)
Hs Hauteur équivalente de particules solides (cm)
h Épaisseur de la couche de sol durant la consolidation (cm)
ho Épaisseur initiale de la couche de sol (cm)
hcharge Hauteur de la charge hydraulique calculée entre la bouteille de Mariotte et l’échantillon (cm)
k Conductivité hydraulique (cm/s)
xiv
Md Masse de l’échantillon sec (g)
mv Coefficient de compressibilité (kPa-1)
q Volume d’eau recueillie pendant le temps d’écoulement (técoulement) au
travers de l’échantillon en régime permanent (ml)
R Ratio de consolidation au dégel (valeur adimensionnelle)
Sr final Degré de saturation final (%) Sr initial Degré de saturation initial (%)
t0 °C base Temps lorsque la base dépasse 0 °C (s) t0 °C sommet Temps lorsque le sommet dépasse 0 °C (s)
T50 = 0.197 Facteur de temps déterminé à 50% de la consolidation avec la
méthode de la section 12.5.1 (Test Method A, ASTM D2435) (valeur adimensionnelle)
t Temps (s)
t0 Temps initial
t50 Temps correspondant à 50% de la consolidation (s)
técoulement Temps d’écoulement requis pour récupérer le volume q (s)
Vs Volume de particules solides (cm3)
w0 Teneur en eau initiale (%)
wf Teneur en eau finale (%)
xv
Liste des abréviations
AML Anne-Marie LeBlanc
ASTM American Society for Testing Material
CEN Centre d’études nordiques
CPC Canadian Permafrost Conference
ICCRE International Conference on Cold Regions Engineering
LVDT Linear Variable Differential Transducer
°C degré Celsius cm centimètre L litre m mètre min minute ml millilitre mm millimètre N.C. normalement consolidé po pouce SB Sylvie Buteau S.C. sur-consolidé
xvi
Remerciements
Je tiens à souligner le soutien indéfectible tout au long de mes études de maîtrise de mon directeur de recherche, le professeur titulaire Richard Fortier, et de mon codirecteur de recherche, le professeur titulaire John W. Molson. Mes sincères remerciements à tous les deux pour leur aide prompte et précieuse durant mon projet de recherche. Ils m’ont donné tous les outils dont j’avais besoin et m’ont inculqué un raisonnement scientifique que j’applique déjà dans ma carrière professionnelle. De plus, je remercie John Molson pour son temps investi dans la partie de la modélisation du projet qui, malheureusement, n’est pas traitée dans mon mémoire de maîtrise pour en réduire la longueur. Ce sont des outils importants en modélisation qui font désormais partie de mon bagage de connaissances et qui me seront utiles tôt ou tard dans ma carrière.
De plus, je veux remercier Antonio Gatien pour son aide dans le prototypage et le démarrage initial des bancs d’usinage et d’essai de consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace. Les informations transmises sur la fabrication de la cellule œdométrique et du banc d’essai ainsi que les différentes contraintes lors de la conception m’ont grandement aidé à débuter rapidement mon travail de mise au point des bancs d’usinage et d’essai. Par ailleurs, je tiens à remercier Martin Plante, technicien expert, et Edmond Rousseau, technicien en travaux d’enseignement et de recherche, pour leur support et leur aide durant mon projet de recherche.
Je remercie toutes les personnes qui m’ont encouragé à poursuivre mes études de maîtrise dont notamment et plus particulièrement Jérôme Gosselin pour tous les cafés pris ensemble et toutes ces discussions triviales que nous avons eues.
Finalement, je veux remercier ma famille pour son support indéfectible. Je sais que vous êtes toujours présents pour m’encourager à chaque moment clé de ma vie et je vous en suis très reconnaissant.
xvii
Avant-propos
Un article de conférence est inséré au chapitre 3 de ce mémoire de maîtrise. Le manuscrit a été publié lors de la 18ième Conférence internationale sur l’ingénierie des
régions froides (International Conference on Cold Regions Engineering) et la 8ième
Conférence canadienne sur le pergélisol (Canadian Permafrost Conference) qui se sont tenues simultanément à Québec du 18 au 22 août 2019.
Un résumé de cet article a été déposé en novembre 2018 et accepté en décembre 2018. L’article complet a été soumis au comité d’édition de ces conférences pour révision en février 2019 et il a été accepté pour publication en mars 2019.
Cet article porte sur le forage, le transport, la préparation et l’usinage d’échantillons de pergélisol en vue de réaliser des essais de consolidation au dégel de ces échantillons. Les étapes de la récupération jusqu’à l’usinage final des échantillons de pergélisol y sont présentées et décrites. En tant que premier auteur de cet article, j’ai rédigé cet article.
Le premier coauteur de cet article est M. Richard Fortier, ing., Ph.D., professeur titulaire du Département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval. Je reconnais son aide précieuse dans la révision de cet article ainsi que son soutien et sa présence lors de ma présentation durant la conférence. Le deuxième coauteur de l’article, M. Antonio Gatien, a obtenu le contrat de conception et de fabrication du banc d’usinage, de la cellule d’essai œdométrique et du banc d’essai de consolidation au dégel. Il a été présent lors des premières tentatives d’usinage d’échantillons de pergélisol ainsi que pour le démarrage et la mise au point initiale du banc d’essai de consolidation au dégel du pergélisol. J’ai pu bénéficier de son expertise qu’il a développée comme technicien à l’École Polytechnique de Montréal.
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Introduction
Impacts du réchauffement climatique au Nunavik
Selon les différents scénarios de changement climatique, un réchauffement marqué du climat est anticipé aux hautes latitudes nordiques lors des prochaines décennies alors que, selon les suivis climatologiques, le réchauffement de l’Arctique a déjà commencé et qu’il affecte les glaciers, la végétation et le pergélisol (Kattenberg et coll., 1995; Serreze et coll., 2000).
En réponse à la tendance marquée au réchauffement climatique de l’ordre de 2 à 3 °C observé au Nunavik depuis le début des années 1990, le pergélisol montre déjà des signes de dégradation plus ou moins importants (Fortier et Aubé-Maurice, 2008). En effet, dans la zone de pergélisol discontinu le long de la côte est de la Baie d’Hudson, des tassements au dégel ont été récemment observés au droit des buttes de pergélisol riche en glace. À certains endroits, notamment dans la vallée Tasiapik près de la communauté Inuite d’Umiujaq, des tassements de plus d’un mètre ont été mesurés lors de la dernière décennie. Lorsque ces tassements deviennent importants, les dépressions se remplissent d’eau et forment des mares de thermokarst (Figure 1) qui exacerbent davantage la dégradation du pergélisol (Fortier et Aubé-Maurice, 2008).
À la suite du dégel complet du pergélisol, l’environnement terrestre des buttes de pergélisol est remplacé par l’environnement lacustre des mares de thermokarst. Il s’agit d’un changement majeur de l’écosystème et de son fonctionnement suite à la dégradation du pergélisol.
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Figure 1: Mares de thermokarst formées suite au dégel des buttes de pergélisol. Photo prise du sommet de la cuesta en bordure de la vallée Tasiapik près d’Umiujaq au Nunavik (Québec) durant l’été 2017.
Les tassements au dégel affectent non seulement le milieu naturel mais aussi les infrastructures civiles construites sur le pergélisol. C’est le cas notamment du remblai de la route d’accès à l’aéroport d’Umiujaq où des tassements de plus de 1.5 m ont été mesurés depuis la construction de cette route en 1991 (Fortier et coll., 2011 et 2015) (Figure 2). Ces tassements sont causés par la
consolidation au dégel à grandes déformations1 du pergélisol. Les grandes
déformations correspondent à des déformations plastiques contrairement aux petites déformations qui correspondent à des déformations élastiques. Lors du dégel, la glace de sol fond, des pressions interstitielles dans le sol sont générées et se dissipent progressivement, l’indice des vides diminue et cela provoque les tassements observés en surface. En fonction du taux de dégel du pergélisol suite à
1 Dans le but d’alléger le texte, la consolidation au dégel fera dorénavant référence à la consolidation au dégel à grandes déformations.
mare de thermokarst butte de pergélisol
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Figure 2: Tassements au dégel visibles à la surface de la route d’accès entre l’aéroport et le village d’Umiujaq au Nunavik (Québec).
un réchauffement climatique ou à des modifications des conditions de surface, il est possible d’anticiper les tassements au dégel ainsi que leur taux de progression si les propriétés de consolidation au dégel du pergélisol sont connues. Ces propriétés peuvent être déterminées en laboratoire lors d’essais de consolidation au dégel sur des échantillons de pergélisol dans une cellule œdométrique (Morgenstern et Smith, 1973; Nixon et Morgenstern, 1974).
Consolidation au dégel du pergélisol riche en glace
La consolidation sous une charge d’un sol naturel ou remanié est connue depuis plusieurs décennies. Le comportement des sols compressibles sous une charge peut être décrit à l’aide de l’équation différentielle suivante (Terzaghi, 1943):
4 ∂ue
∂t = cv ∂2ue
∂z2 [1]
où ue = u - uhydro est la pression interstitielle de l’eau en excès (kPa) qui
correspond à la différence entre la pression interstitielle de l’eau u et la pression hydrostatique uhydro,
t est le temps (s), z est la profondeur (m), = v v k c
m g est le coefficient de consolidation (m
2/s), = 0 v h h m
’ est le coefficient de compressibilité (kPa
-1),
k est la conductivité hydraulique (m/s),
ρ est la masse volumique (kg/m3),
g = 9.81 m/s2 est l’accélération gravitationnelle (m/s2),
h est l’épaisseur de la couche de sol durant la consolidation
(m),
Δh = h – ho est la variation de l’épaisseur de la couche de sol au
cours du temps durant la consolidation (m),
ho est l’épaisseur initiale de la couche de sol (m), et
Δσ’ est la variation de la contrainte effective durant la
consolidation (kPa).
La forme de cette équation différentielle est similaire à celle de la transmission de chaleur par conduction où la variable de la pression interstitielle de l’eau en excès est remplacée par la température et le paramètre du coefficient de consolidation par la conductivité thermique.
En laboratoire, la consolidation d’un échantillon de sol peut être réalisée lors d’un essai dans une cellule œdométrique. Lors d’un tel essai, un échantillon de sol de forme cylindrique est inséré dans un support cylindrique latéral entre deux plateaux
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de chargement avec des pierres poreuses et des papiers filtres situés à la base et au sommet de l’échantillon. Une charge initiale qui correspond au poids des terres au repos à la profondeur à laquelle l’échantillon a été récupéré est ensuite appliquée au sommet de l’échantillon. Cette charge est augmentée graduellement pour simuler une charge additionnelle qui serait due à la construction d’une infrastructure civile en surface tel un bâtiment ou un remblai routier. Lors de cet essai de consolidation, les déformations axiales et les pressions de l’eau interstitielle à la base de l’échantillon dans la cellule œdométrique sont mesurées à l’aide de capteurs de déplacement et de pression. L’essai de consolidation d’un échantillon de sol dans une cellule œdométrique doit respecter les normes de l’American Society for Testing and Materials (ou ASTM).
Il existe deux types d’essai de consolidation: 1) le premier essai est dit à charge contrôlée (ASTM D2435/D2435M - 11) alors que 2) le second est à déformation contrôlée (ASTM D4186/D4186M - 12). Le montage utilisé dans le cadre du présent projet de recherche permet de réaliser uniquement des essais à charge contrôlée qui respecte la norme en vigueur au moment de la réalisation des essais.
Pour l’essai à charge contrôlée, la charge axiale initiale est augmentée d’un certain incrément. Lorsque les pressions interstitielles générées par cette augmentation de charge se sont dissipées, une charge supplémentaire est ajoutée. Cette étape est répétée jusqu’à l’obtention d’une série de valeurs de l’indice des vides e en fonction
de la pression verticale effective appliquée sur l’échantillon σ’v. Ces données sont
ensuite portées en graphique de l’indice des vides e sur une échelle linéaire en fonction de la pression verticale effective σ’v sur une échelle logarithmique. Un
exemple d’un graphique e-σ’v obtenu d’un essai de consolidation est présenté à la
figure 3. Cette relation permet de déterminer non seulement les propriétés de consolidation de l’échantillon de sol testé dont notamment le coefficient de consolidation mais aussi son état de consolidation. En effet, cet échantillon peut être normalement consolidé (N.C.) ou sur-consolidé (S.C). Dans le cas où un échantillon
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Figure 3: Indice des vides e en fonction de la pression verticale effective σ’v.
a) Domaine sur-consolidé (S.C.). b) Domaine normalement consolidé (N.C.). c) Courbe de chargement-déchargement. (figure modifiée de la norme ASTM D2435/D2435M – 11)
est normalement consolidé, son indice des vides avant l’essai de consolidation correspond à celui du poids des terres au repos à la profondeur d’échantillonnage du sol. Dans le cas contraire où l’échantillon est sur-consolidé, son indice des vides est plus faible que celui attendu sous un poids des terres au repos à la profondeur d’échantillonnage du sol.
Les résultats d’un essai de consolidation d’un échantillon de sol réalisé dans une cellule œdométrique en laboratoire sont très près du comportement in situ et ces résultats sont souvent retenus pour la conception d’infrastructure sur ce même sol. Cependant, lorsqu’il est question de sols très hétérogènes ou de sols qui contiennent de la glace, il devient plus difficile de prédire leur comportement et leurs propriétés physiques lors de la consolidation.
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Normalement, le contenu en glace dans le pergélisol est très hétérogène bien que, dans des cas exceptionnels, il peut être homogène (Crory, 1970). Par ailleurs, il n’existe aucun essai normalisé pour la consolidation au dégel du pergélisol riche en glace. Le pergélisol riche en glace est défini d’après son volume en glace par rapport au volume total des pores que le sol aurait dans son état naturel non gelé. Lorsque le volume de glace est supérieur au volume total des pores, le pergélisol est alors considéré riche en glace (NSIDC, 2016).
Tsytovich et coll. (1965) ont été les premiers à proposer une théorie sur la consolidation au dégel de pergélisol. Ensuite, cette théorie a été utilisée pour trouver une solution aux problèmes de consolidation au dégel du pergélisol sous les infrastructures civiles (Nixon et Morgenstern, 1973). Morgenstern et Nixon (1971) ont présenté une théorie de la consolidation au dégel basée sur la théorie de consolidation linéaire d’un sol compressible de Terzaghi (1943) et la solution du dégel d’un sol unidimensionnel de Neumann (Carslaw et Jaeger, 1947). Il a été déterminé que les pressions interstitielles de l’eau et le tassement d’un sol riche en glace sont interdépendants du ratio de consolidation au dégel R définie de la façon suivante (Morgenstern et Nixon, 1971):
[2]
où R est le ratio de consolidation au dégel (variable
adimensionnelle),
α est le taux de dégel du sol riche en glace (cm/s1/2), et
cv est le coefficient de consolidation (cm2/s),
Pour vérifier si la théorie de la consolidation au dégel d’un sol riche en glace donne les résultats attendus, Morgenstern et Smith (1973) ont développé une cellule œdométrique qu’ils ont appelée « permode » qui permet de contrôler les conditions aux limites thermiques et les contraintes qui correspondent à une consolidation
R = α 2 cv
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unidimensionnelle durant le dégel. Le paramètre α est déterminé expérimentalement en calculant le temps de propagation du front de dégel, soit l’isotherme de 0 °C qui se propage du sommet à la base de l’échantillon.
Échantillonnage du pergélisol riche en glace et usinage des échantillons Pour les essais de consolidation au dégel réalisés en laboratoire par Nixon et Morgenstern (1974), leurs échantillons de pergélisol provenaient de Norman Wells et Noell Lake au nord d’Inuvik dans les Territoires du Nord-Ouest, Canada. Ces échantillons de pergélisol d’un diamètre de 89 mm ont été récupérés lors de forages. Avant d’être insérés dans le « permode », les échantillons ont été usinés à des dimensions finales de 64 mm de diamètre et de 51 mm de hauteur. Avant chaque test, l’échantillon usiné était pesé afin de déterminer sa masse volumique gelée. L’échantillon usiné était ensuite placé dans le « permode » conditionné à une température de -5 °C. Une fois que la température de conditionnement de l’échantillon atteignait -5 °C, la température imposée au sommet de l’échantillon était alors augmentée rapidement à 21 °C. Les pressions interstitielles, les tassements et la température étaient enregistrés à chaque minute. Le drainage de l’échantillon durant l’essai de consolidation au dégel était permis uniquement au sommet de l’échantillon à travers une pierre poreuse en contact avec le plateau de chargement du haut du « permode » (Morgenstern et Smith, 1973).
Morgenstern et Smith (1973) et Nixon et Morgenstern (1974) ont réalisé des essais de consolidation au dégel sur des échantillons d’argile reconstitués et de pergélisol riche en glace, respectivement. Les résultats qu’ils ont obtenus notamment au niveau des tassements au dégel mesurés, de la relation entre la génération de pressions interstitielles au front de dégel et le rapport de consolidation au dégel et de la dissipation des pressions interstitielles selon le taux de dégel s’accordent à la théorie de la consolidation au dégel (Morgenstern et Nixon, 1971). Cependant, l’application instantanée d’un gradient de température élevé ne permet pas de
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caractériser le dégel d’un pergélisol près du point de congélation à 0 °C. En réalité, le dégel du pergélisol dans la nature est beaucoup moins rapide que dans le « permode ». Les essais de consolidation au dégel en laboratoire devraient être menés en appliquant un gradient de température beaucoup moins élevé et en faisant un suivi plus régulier des tassements au dégel, des pressions interstitielles de l’eau et de la température.
Une autre approche assez similaire a été réalisée par la Mackenzie Valley Pipeline Research Limited (M.V.P.). Les principaux objectifs de cette étude étaient de développer une méthode de récupération de carottes de pergélisol à haute teneur en glace et de mettre au point une procédure en laboratoire pour mesurer les tassements au dégel, de déterminer les propriétés de tassements au dégel et de cisaillement, et d’obtenir les valeurs de perméabilité et de conductivité thermique des échantillons en corrélation avec les valeurs in situ (Watson et coll., 1973). Pour atteindre ces objectifs, des échantillons de pergélisol riche en glace de grand diamètre ont été récupérées à la station d’essais près d’Inuvik dans les Territoires du Nord-Ouest, Canada. Au niveau de l’usinage des échantillons, ils étaient montés sur un tour à métal dont la vitesse était de 690 rotations par minute. Suite à l’usinage au bon diamètre des échantillons, il est recommandé d’utiliser une scie à ruban pour la coupe parallèle des faces de l’échantillon cylindrique. En effet, le parallélisme entre les faces est plus précis et constant que lorsque les échantillons sont coupés à la main. Ces deux dernières opérations ont été effectuées dans une chambre froide dont l’humidité relative est très faible afin d’éviter la sublimation de la glace de sol exposée à l’air libre. À partir de cette étape, il n’existe aucune procédure normalisée pour effectuer les tests de consolidation au dégel. Les dimensions de l’échantillon (longueur, diamètre et le ratio longueur sur diamètre), la méthode de dégel (unidirectionnel, tridimensionnel ou à vitesse contrôlée) et la méthode d’application des charges (avant ou après le dégel et le nombre d’incréments de la charge) sont tous des choix arbitraires. Tous les effets cumulés sur les résultats finaux qui proviennent de la sélection arbitraire précédente ne sont pas connus (Watson et coll., 1973).
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Préparation des échantillons de sol gelé ou de pergélisol
Les résultats d’essais de consolidation au dégel trouvés dans la littérature proviennent de deux types d’échantillons: 1) certains échantillons sont créés en laboratoire dans des moules qui feront office de cellules œdométriques (Andersland et Ladanyi, 2004; Morgenstern et Smith, 1973; Qi et coll., 2013; Yao et coll., 2017) et 2) des échantillons naturels de pergélisol à l’état intact qui sont usinés (Baker, 1976; Nixon et Morgenstern, 1974; Still et coll., 2013).
Les échantillons artificiels de sol gelé sont relativement faciles à fabriquer en laboratoire mais ils ne représentent pas les propriétés d’un pergélisol naturel notamment au niveau des multiples cryofaciès qui sont susceptibles de rencontrer dans la nature. Il est possible, jusqu’à un certain point, de reproduire en laboratoire l’hétérogénéité du pergélisol naturel. Les échantillons artificiels de sol gelé sont normalement homogènes et la granulométrie du sol est uniforme pour l’ensemble de l’échantillon fabriqué. Un exemple d’échantillon artificiel est montré à la figure 4 (Qi et coll., 2013).
Figure 4: Photographies d’un échantillon artificiel de sol gelé pour la réalisation d’un essai de consolidation au dégel. (image modifiée d’après Qi et coll., 2013)
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Les échantillons de pergélisol prélevés dans un milieu naturel avec toutes leurs complexités et hétérogénéités naturelles et conservés intacts permettent d’obtenir des résultats d’essais de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique beaucoup plus près de la réalité. Cependant, l’utilisation de tels échantillons naturels nécessite beaucoup de manipulations qui peuvent perturber leur état intact. Cela nécessite des précautions lors de leur prélèvement, transport, conservation et usinage pour les insérer dans une cellule œdométrique qui seront traitées au chapitre 3 du présent mémoire de maîtrise. Les méthodes d’usinage normalement employées (Baker, 1976; Nixon et Morgenstern, 1973; Still et coll., 2013) nécessitent d’usiner manuellement l’échantillon aux dimensions de la cellule œdométrique (Figure 5) ou de monter l’échantillon dans une position horizontale sur un tour mécanique à une vitesse de près de 700 rotations par minute pour réduire le diamètre de l’échantillon de pergélisol prélevé sur le terrain avec un couteau au carbure et de couper ensuite les faces du cylindre et de s’assurer de leur parallélisme, soit avec un outil de coupe sur le tour mécanique ou soit avec une scie à ruban (Figures 6 et 7). La rotation d’un échantillon à grande vitesse sur un axe horizontal génère des contraintes de cisaillement importantes dans l’échantillon qui peut conduire à sa perte par des fissurations ou à usiner des échantillons beaucoup plus courts pour éviter ces contraintes.
Figure 5: Échantillons de pergélisol usinés manuellement. (image modifiée de Nixon et Morgenstern, 1973)
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Figure 6: Usinage manuel ou sur un tour tel qu’utilisé par Baker (1976).
13 Essais de conductivité hydraulique
Suite à un essai de consolidation au dégel d’un échantillon de pergélisol riche en glace, il est possible d’effectuer non seulement un essai de consolidation standard mais aussi des essais de conductivité hydraulique entre les paliers de chargement. En effet, la conductivité hydraulique influence le rapport de consolidation au dégel à cause des pressions interstitielles de l’eau générées lors du dégel de la glace. De plus, la fermeture des pores en augmentant la charge lors d’un essai de consolidation standard devrait diminuer la conductivité hydraulique. Par ailleurs, il est difficile de mesurer in situ les paramètres de compressibilité des sols et de conductivité hydraulique. Selon Morgenstern et Smith (1973), la conductivité hydraulique in situ est un facteur dominant dans la consolidation au dégel du pergélisol. Les essais de conductivité hydraulique bonifient donc l’essai de consolidation au dégel et l’essai de consolidation standard et améliorent la compréhension du comportement mécanique d’un échantillon de pergélisol au dégel.
Lorsqu’un sol gélif gèle et que les conditions thermo-hydrauliques sont réunies, des lentilles de glace de ségrégation perpendiculaires au gradient thermique peuvent se former (Figure 8). Par ailleurs, la cryosuccion de l’eau interstitielle sous le front de dégel pour alimenter une lentille de glace de ségrégation en voie de formation au-dessus du front de dégel est à l’origine d’une diminution de l’indice des vides; un peu à l’image de la consolidation d’un sol placé sous une charge. Cette diminution irréversible de l’indice des vides est à l’origine d’un réseau tridimensionnel de fines fissures de dessiccation qui se rempliront de glace lors du gel. Malgré la diminution de l’indice des vides du sol sous l’action de la cryosuccion, une fois dégelé, le pergélisol affiche généralement une conductivité hydraulique plus élevée que les sols naturels qui n’ont pas subi de cycle de gel-dégel (Othman et Benson, 2011).
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Figure 8: Échantillon de pergélisol riche en glace qui provient d’une butte de pergélisol dans la vallée Tasiapik à Umiujaq au Nunavik (Québec). Cet échantillon a un diamètre de 10.2 cm et une longueur près de 25 cm. La profondeur de la base de l’échantillon se trouve à 3.95 m alors que son sommet est à une profondeur de 3.70 m.
En effet, à la suite du dégel et sous de faibles contraintes, les fines fissures de dessiccation qui se sont formées lors du gel demeurent ouvertes. Ces ouvertures créent des chemins préférentiels pour l’écoulement de l’eau interstitielle et augmentent la conductivité hydraulique (Leroueil et coll., 1991).
Des essais normalisés pour déterminer la conductivité hydraulique d’un sol existent dont notamment l’essai à charge hydraulique constante qui peut être réalisé d’après la norme de l’ASTM (ASTM D2434 – 68). Dans le cas où le sol a une conductivité hydraulique très faible, il est préférable d’effectuer un essai à charge variable. Cependant, ces essais doivent être faits à une température ambiante au-dessus de la température de dégel. En effet, à basse température, l’eau est beaucoup plus visqueuse et, par conséquent, la conductivité hydraulique est plus faible dans de telles conditions. Cet effet de la température sur la conductivité hydraulique doit être tenu en compte lors des essais et normalisé pour une température de l’eau à 20 °C.
15 Problématique
Le tassement au dégel d’un pergélisol riche en glace se produit dès que son équilibre thermique est perturbé et que la température du sol s’élève au-dessus du point de congélation. Les dépôts pergélisolés au Nunavik (Québec) ont été très peu étudiés d’un point de vue géotechnique (Leroueil et coll., 1991). De plus, les méthodes de prélèvement, de transport et de conservation des échantillons de pergélisol riche en glace ainsi que l’essai de consolidation au dégel d’échantillon de pergélisol riche en glace ne sont pas normalisées. En outre, l’usinage d’échantillons de pergélisol riche en glace sans causer de bris est un défi.
La problématique d’évaluation des tassements au dégel du pergélisol à partir d’essai de consolidation au dégel peut être abordée sous la forme de deux questions: • Est-il possible de réaliser des essais de consolidation au dégel sur des
échantillons de pergélisol représentatifs de la réalité?
• Est-il possible de récupérer, transporter et usiner des échantillons de pergélisol riche en glace tout en évitant des perturbations et en conservant l’échantillon intact?
Ces deux questions sont le fondement de ce projet de recherche qui porte sur la consolidation au dégel à grandes déformations du pergélisol riche en glace.
16 Objectifs
Afin de répondre aux deux questions soulevées dans la section précédente, les objectifs principaux accompagnés de sous-objectifs méthodologiques de ce projet de recherche sur la consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace sont :
1) de mettre au point une méthode d’usinage d’échantillons de pergélisol riche en glace afin de les insérer dans une cellule œdométrique:
1.1) de tester cette méthode d’usinage sur des échantillons de pergélisol, 2) de développer un banc d’essai de consolidation au dégel d’échantillons de
pergélisol riche en glace et de mesure de la conductivité hydraulique des échantillons dégelés:
2.1) de réaliser des essais de consolidation au dégel d’échantillons usinés de pergélisol riche en glace,
2.2) de réaliser des essais de conductivité hydraulique sur des échantillons dégelés,
3) de déterminer différentes propriétés géotechniques du pergélisol riche en glace et du sol dégelé dont notamment celles de la consolidation au dégel et de la conductivité hydraulique, et
4) de proposer des recommandations pour une norme sur les essais de consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace.
Structure du mémoire de maîtrise
Avant de réaliser des essais de consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace, il a été nécessaire de prélever des carottes de pergélisol dans une butte de pergélisol riche en glace près de la communauté Inuite d’Umiujaq au Nunavik (Québec) à l’aide d’une foreuse portative, de les transporter dans un petit congélateur jusqu’au laboratoire de géophysique appliquée à l’Université Laval et de les conserver à l’état intact jusqu’au moment de leur usinage et de la réalisation des essais. À cet effet, le site d’étude sera présenté au chapitre 1 alors que la
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méthodologie sera détaillée au chapitre 2. La nouvelle méthode d’usinage des échantillons de pergélisol riche en glace développée dans le cadre du présent projet de recherche est une contribution originale à l’avancement des connaissances en sciences du pergélisol qui a fait l’objet d’une publication dans les comptes-rendus
de la 18ième Conférence internationale sur l’ingénierie des régions froides
(International Conference on Cold Regions Engineering) et la 8ième Conférence
canadienne sur le pergélisol (Canadian Permafrost Conference). Cette contribution apparaît au chapitre 3. Les résultats des essais de consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace sont présentés au chapitre 4 ainsi que ceux des essais de consolidation standard et de conductivité hydraulique. Le présent mémoire de maîtrise est complété par des conclusions et des recommandations, la liste de références et des annexes.
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Chapitre 1 Site d’étude
1.1 Communauté Inuite d’Umiujaq au Nunavik (Québec)
Depuis plus de trente ans, des travaux de recherche ont été effectués sur le territoire de la communauté Inuite d’Umiujaq au Nunavik (Québec). Au fil des années, des liens de confiance se sont tissés avec la communauté. En effet, la Corporation foncière Anniturvik d’Umiujaq qui contrôle l’utilisation des terres de catégorie I où le site d’étude se trouve en permet l’accès aux chercheurs. De plus, depuis 2011, le CEN a acquis une maison et un garage qui sont situés au cœur du village d’Umiujaq. Cette acquisition facilite la logistique des travaux de terrain à Umiujaq notamment au niveau du transport, de l’hébergement des chercheurs et de l’entreposage des équipements.
Le village nordique d’Umiujaq (approx. 56° 33’ 03’’ N, 76° 33’ 03’’ O) est situé sur la côte est de la Baie d’Hudson dans la région administrative du Nunavik au Québec
nordique. Il s’agit d’une petite communauté Inuite d’un peu plus de 400 habitants2.
Ce village se trouve à 160 km au nord du village nordique de Whapmagoostui-Kuujjuarapik et à 236 km au sud du village nordique d’Inukjuak. Il est accessible uniquement soit par voie aérienne à l’année longue ou soit par voie maritime durant l’été lorsque les glaces de mer sont absentes dans la Baie d’Hudson et le détroit d’Hudson. Aucune route terrestre ne relie le sud du Québec au Nunavik. À partir du village d’Umiujaq, une route d’environ 10 km se rend vers l’est du village pour donner accès à la vallée Tasiapik, la colline Umiujaq et au lac Tasiujaq. À la limite nord du lac Tasiujaq débute le Parc national Tursujuq. Ce parc national est le plus vaste du
Québec3 avec une superficie de 26 107 km2.
2 En 2018, d’après la Fédération des Coopératives du Nouveau-Québec (fcnq.ca).
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Le site d’étude se trouve dans la vallée Tasiapik dans la zone de pergélisol discontinu (Figure 1.1). Des buttes de pergélisol riche en glace qui sont des îlots de pergélisol se sont formées dans les dépôts de silts marins (Allard et Seguin, 1987). Le pergélisol dans cette région subarctique du Québec montre des signes de dégradation depuis les 50 dernières années dont notamment sous la forme de tassement au dégel du pergélisol et de formation de mares de thermokarst (Fortier et Aubé-Maurice, 2008; Laberge et Payette, 1995; Payette et coll., 2004). En effet, selon les données climatiques recueillies par Environnement Canada aux villages nordiques de Kuujjuarapik-Whapmagoostui et d’Inukjuak, la région d’Umiujaq a subi une augmentation marquée de la température de l’air depuis le début des années 1990 (Figure 1.2). Cette dégradation soutenue du pergélisol peut affecter le développement durable des communautés Inuites du Nunavik.
Figure 1.1: Carte des zones de pergélisol dans le nord du Québec. Les villages nordiques de Kuujjuarapik, Umiujaq et Inukjuak sont identifiés le long de la côte est de la Baie d’Hudson. (image modifiée d’après Allard et Séguin, 1987)
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Figure 1.2: Température moyennes annuelles de l’air en fonction du temps pour Kuujjuarapik et Inukjuak. Une augmentation marquée des températures moyennes annuelles de l’air est visible pour ces deux villages nordiques à partir des années 1990.
1.2 Contexte géologique 1.2.1 Socle rocheux
En 2012, une campagne de forage pour la mise en place du réseau Immatsiak de puits d’observation des eaux souterraines dans la vallée Tasiapik à Umiujaq a été réalisée (Banville, 2016; Fortier et coll., 2013 et 2014). Les résultats de cette campagne ont permis d’identifier la stratigraphie locale des formations géologiques et des dépôts quaternaires. La colonne stratigraphique des différents groupes et formations géologiques apparait à la figure 1.3 alors que la photographie des formations géologiques visibles au front de la cuesta qui délimite la vallée Tasiapik à l’ouest est fournie à la figure 1.4.
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Figure 1.3: Colonne stratigraphique du socle rocheux dans le secteur du lac Tasiujaq. Les encadrés en rouge identifient les unités présentes dans la vallée Tasiapik. (modifiée de ARK (2007) et tirée de Banville (2016))
Figure 1.4: La formation de Qinkaluuk du Groupe de Richmond Gulf et la coulée basaltique subaérienne du Groupe de Nastapoka sont visibles au front de la cuesta. (photographie tirée de Banville, 2016)
22 1.2.2 Dépôts de surface
Une carte descriptive des dépôts de surface dans la vallée Tasiapik a été réalisée par POLY-GÉO Inc. (2014) (Annexe A). Une coupe stratigraphique a été produite à partir de cette carte descriptive des dépôts de surface et en tenant compte des résultats d’une investigation géophysique (Banville, 2016; Fortier et coll., 2020; Figure 1.5). Le site d’échantillonnage du pergélisol riche en glace réalisé dans le cadre du présent projet de recherche se trouve entre les puits d’observation des eaux souterraines aux sites 3 et 5. Dans ce secteur de la vallée Tasiapik, les dépôts sont composés d’une couche superficielle de sables littoraux et pré-littoraux au-dessus de sédiments marins. Suite à une analyse granulométrique par sédimentation et laser de ces sédiments marins (Annexe B), ces sédiments marins sont composés majoritairement de silts avec un faible pourcentage d’argile et de sable fin. Ce sont des sédiments dits gélifs qui, lorsque les conditions thermodynamiques sont réunies, peuvent devenir très riches en glace au moment de leur gel.
Le pergélisol dans la région d’Umiujaq se retrouve dans ces sédiments marins. Les échantillons de pergélisol riche en glace qui ont fait l’objet d’essais de consolidation au dégel réalisés dans le cadre de ce projet de recherche ont été prélevés dans une butte de pergélisol appelée « butte à Anne-Marie LeBlanc (butte AML) » (Figure 1.5) au nom d’une étudiante qui a réalisé de la tomographie sismique de cette butte de pergélisol dans le cadre de ses études de maîtrise (LeBlanc, 2003). La cryostratigraphie de la butte de pergélisol AML a été déterminée à l’aide d’essais de
pénétration au cône (Buteau et coll., 2005; LeBlanc, 2003;Figure 1.6). Le pergélisol
riche en glace dans cette butte fait une épaisseur de 19 m alors que le mollisol, la couche superficielle qui subit des cycles annuels de gel-dégel, a une épaisseur de 1.5 m.
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Figure 1.5: Coupe stratigraphique AA’ des dépôts de surface et du socle rocheux dans la vallée Tasiapik et identification de l’emplacement approximatif du site d’échantillonnage d’une butte de pergélisol riche en glace (butte AML). Consulter la carte descriptive des dépôts de surface dans la vallée Tasiapik à l’Annexe A pour la localisation de cette coupe stratigraphique AA’. (coupe modifiée de Banville, 2016)
Site d’échantillonnage de la butte de pergélisol AML
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Figure 1.6: Résultats d’un essai de pénétration au cône dans la butte de pergélisol AML.
À la fin du mois d’octobre 2016, au moment où l’échantillonnage du pergélisol riche en glace dans la butte de pergélisol AML a été réalisé dans le cadre du présent projet de recherche, le sommet du pergélisol a été rencontré à une profondeur près de 1.5 m. Des échantillons de pergélisol ont été prélevés jusqu’à une profondeur de 4.2 m. L’échantillonnage aurait pu être plus profond, mais l’arrêt volontaire du forage est lié à la capacité d’entreposage des échantillons dans un petit congélateur électrique portable, au transport et à l’équipement de forage.
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Chapitre 2 Méthodologie
Il n’existe aucune méthode normalisée pour effectuer des essais de consolidation au dégel sur des échantillons de pergélisol riche en glace. L’anticipation des tassements au dégel du pergélisol riche en glace à l’aide des résultats d’essais de consolidation au dégel est peu documentée et pratiquement inexistante lorsque cela implique des résultats tirés d’essais sur des échantillons intacts. Dans la plupart des cas disponibles dans la littérature, les essais de consolidation au dégel sont réalisés sur des échantillons remaniés. Ainsi, dans le but d’anticiper les tassements au dégel du pergélisol riche en glace qui peuvent se produire sur le terrain, des essais de consolidation au dégel ont été réalisés sur des échantillons de pergélisol riche en glace grâce au développement d’une méthodologie originale dans le cadre de ce projet de recherche.
2.1 Étapes de la méthodologie
La méthodologie proposée dans ce mémoire de maîtrise est composée de plusieurs étapes. Afin de faire une suite logique et compréhensible, ces étapes seront succinctement décrites dans ce chapitre et elles seront présentées plus en détails aux chapitres subséquents. Ces étapes sont:
Étape 1. L’échantillonnage du pergélisol riche en glace dans une butte de pergélisol à Umiujaq.
Étape 2. La préparation, le transport et la conservation des échantillons de pergélisol dans leur état intact.
Étape 3. La préparation de la cellule œdométrique et du banc d’essai avant la réalisation d’un essai de consolidation au dégel.
Étape 4. L’usinage à l’état intact des échantillons de pergélisol riche en glace. Étape 5. La réalisation de l’essai de consolidation au dégel.
