ÉTUDE DE L’AFFAIBLISSEMENT DU COMPORTEMENT MÉCANIQUE DU
PERGÉLISOLDÛ AU RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE
Thèse présentée
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
pour l’obtention
du grade dePhilosophiaeDoctor(Ph.D.)
Département de géologie etde génie géologique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC
DÉCEMBRE 2002
Le réchauffement climatique prédit pour les prochaines décennies, aura des impacts majeurs sur le pergélisol qui sont très peu documentés pour l’instant. La présente étude a pour but d’évaluer ces impacts sur les propriétés mécaniques du pergélisol et sa stabilité à long terme. Une nouvelle technique d’essai de pénétration au cône à taux de déformation contrôlé, a été développéepour caractériser en place le pergélisol. Ces essais géotechniques etla mesure de différentes propriétés physiques ont été effectués sur une butte de pergélisol au cours du printemps 2000. Le développement et l’utilisation d’un modèle géothermique 1D tenant compte de la thermodépendance du comportement mécanique ont permis d’évaluer que les étendues de pergélisol chaud deviendraient instables à la suite d’un réchauffement de l’ordre de 5 °C sur cent ans. En effet, la résistance mécanique du pergélisol diminuera alors rapidement jusqu’à ll,6MPa, ce qui correspond à une perte relative de 98% de larésistance parrapport àun scénario sans réchauffement.
Québec, le jeudi 12 décembre 2002
Sylvie Buteau
Étudiante au troisièmecycle
Dr. Richard Fortier Directeur de recherche
Dr. Michel Allard Codirecteurde recherche
L’objectif principal du présent projet de recherche est la prédiction de l’évolution des propriétés thermique et mécanique d’un site pergélisolé en fonction de différents scénarios de réchauffement climatique. Et ceci, afin d’en évaluer les impacts sur les infrastructures civiles. Puisque l’occurrence et les conditions internes du pergélisol sont intimement liées au climat, la compréhension des interactions entre ceux-ci est donc primordiale pour la conception d’ouvrages de génie fondés sur le pergélisol particulièrement dans un contexte de réchauffement global.
La présente étude consiste à utiliser un ensemble de mesures in situ pour alimenter un modèle de simulation numérique du régime thermique afin de reproduire la dynamique du pergélisol sous différents scénarios de réchauffement climatique. Une campagne de terrain a donc été réalisée sur une butte de pergélisol près de la communauté Inuit d’Umiujaq au Québec nordique durant le réchauffement saisonnier du printemps 2000; permettant ainsi de caractériser la dépendance en température de différentes propriétés du sol gelé. La méthodologie adoptée comprend un essai depénétration au cône (CPT) profond, plusieurs CPT par palier, un carottage ainsi que la mesure de laconductivité thermiqueet de lateneur en eau nongelée àl’aide de sondes thermiques et d’antenne TDR. Cette méthodologie a été répétée sur une base hebdomadaire lors de la campagne de terrain en 2000, d’une période de deux mois. Les dix CPT profonds et les soixante-un CPT par paliers ont permis d’obtenir le profil stratigraphique et d’étudier le comportement au fluage du pergélisol respectivement. L’échantillonnage du sol gelé a permis d’effectuer une description de la cryostratigraphie et de mesurer la densité, les contenus en glace et en eau non gelée et la chaleur spécifique en utilisant la méthode calorimétrique de terrain. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un modèle unidimensionnel de conduction de la chaleur basé sur la méthodenumérique des différencesfinies.
La simulation numérique prédit qu’un scénario de réchauffement climatique de 5 °C/100 ans rendrait la butte de pergélisol complètement instable : l’épaisseur du mollisol
s’accroîtrait de 1,7 à 4,6 m, le-tassement atteindrait 1,4 m, le plancher du pergélisol aurait commencé à migrer vers la surface et la résistance du sol aurait déjà diminué jusqu’à ll,6MPa ce qui représente une perte relative de 98% de la résistance par rapport au scénario sans réchauffement. Après ce siècle de réchauffement, toute la section pergélisolée restante serait à la température de changement de phase et seul le dégagement de lachaleur latente defusion de laglace retarderait la fontecomplète dela butte de pergélisol.
Québec, le jeudi 12 décembre2002
Sylvie Buteau
Étudianteau troisièmecycle
Dr. RichardFortier Directeur derecherche
Dr.Michel Allard Co-directeur de recherche
The major goal of the présent research project is to predict the évolution of the thermal and mechanical properties of permafrost for different climate warming scénarios to evaluate its impacts on civil infrastructures. Since the occurrence and the internai conditions of permafrost dépend directly on climate, the understanding of the permafrost response to climate change is fondamental for the design and maintenance of engineering structures foundedon permafrost in the présent context of global warming.
In situ measurements hâve been used as an input in a numerical simulator representing the permafrost dynamics response to different scénarios of climate warming. A geotechnical characterization program has hence been carried out in a permafrost mound near Umiujaq, Northem Québec, during the seasonal warming of spring 2000, thus allowing the study of the températuredependencies ofvarious soil properties. This program includes a deepCône Pénétration Test (CPT), numerous step-strain-rate-increase CPT, a 3 m deep borehole drilling for frozen ground sampling and the measurement of thermal conductivity and unfrozen water content using thermal conductivity probes and TDR antennas permanently buried into the active layer. This methodology was repeated weekly over the study period. The deep and step-strain-rate-increase CPTs allowed not only to study the permafrost stratigraphy but also the characterization of the creep behavior of the active layer and permafrost. The frozen ground samplingallowed the description of its cryostratigraphy and the measurement ofits density, ice content, unfrozen water content and spécifie heat using a field calorimetric method. The measured properties and conditions were used to support the development of a finite différence,one-dimensional, heat conductionmodel, which was usedto predictthe long-term behavior of the moundunder global warmingscénarios.
The numerical simulations predict that a climatic warming of 5 °C over a period of 100years would bring the permafrost mound into an unstable state: the thickness of the active layer would increase from 1.7 to 4.6 m, the thaw seulement would reach 1.4 m, the permafrost base would gradually move upwards and the permafrost layer would lose 98%
of ils relative strength in comparison to the scénario without any warming. After this warming period, the remaining permafrost layer would then be isothermal at the phase change boundary. The total decay of permafrost would then only be delayed by the dissipation ofthe latent heat offusion of the remaining ice.
Québec,Thursday, December 12, 2002
SylvieButeau Student Dr. Richard Fortier Director Dr. Michel Allard Codirector
La présente thèse est composée de trois manuscrits écrits en anglais pour soumission à des revues spécialisées sur le pergélisol et la géotechnique, qui nécessitent une mise en perspective avant même de les aborder. En effet, différents aspects se rattachant à leur forme se doivent d’être abordés: la présentation des différents auteurs ainsi que le rôle exact de la présente candidate au grade de philosophiae doctor dans la préparation de ces manuscrits; l’étape du processus de soumission où se trouvent les articles lors de la rédactionetenfin, toute modification apportée aux articles composant la présente thèse.
Sylvie Buteau est étudiante au doctorat dans le cadre du programme inter-universitaire en sciences de la Terre du département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval. Monsieur RichardFortier, ing., Ph.D., professeur agrégé au département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval est le directeur des études de la candidate. Le co-directeur des études est Monsieur Michel Allard, géomorphologue, Ph.D., professeur titulaire et directeur du département de géographie de l’Université Laval. Le rôle de Sylvie Buteau dans la préparation de chacun des articles correspond à la totalité de la recherche (dirigée et codirigée respectivement par les Dr. Fortier et Dr. Allard) et la majorité de la rédaction des différents articles. Toutefois, les Dr. Fortier et Dr. Allard ont contribué de façon majeure au bon déroulement du programme de recherche par leurs implications constantes ainsi que de façon substantielle aux manuscrits parleurs critiques constructives surle fond etla forme deceux-ci.
Le premier manuscrit qui s’intitule: « Numerical simulation of permafrost decay related
to climate warming in Northern Quebec, Canada, based on field measurements » présente les résultats des mesures des propriétés thermiques et physiques obtenues lors de la campagne de terrain au printemps 2000 (Annexe A) ainsi que le travail de modélisation du régime thermique du pergélisol (Annexe B). Cette deuxième partie a été effectuée en partie lors d’un stage de recherche au Bundesanstaltfur Geowissenschaften undRohstoffe (BGR) à Hanovre en Allemagne, financé par le Fonds Canadien pour l’avancement de la Recherche (FQRNT), maintenantappelé Fonds Québécois dela Recherche sur laNature et
les Technologies (FQRNT). Ce séjour a permis à la candidate de se familiariser avec l’utilisation de la méthode numérique des différences finies pour la simulation du régime thermique du pergélisol avec l’aide de Monsieur Georg Delisle, M.A., chercheur au BGR. En effet, ce dernier ayant déjà écrit un modèle numérique simple en langage Fortran qui faisait abstraction de la thermo-dépendance des propriétés physiques et thermiques dont en particulier celle du changement de phase, il a fournit le point de départ de la simulation numérique développée dans le présent projet de recherche. Les algorithmes pour tenir compte de cette dépendance en température ont été développés à partir des travaux de terrain 2000. Ces algorithmes ainsi que la représentation de la cryostratigraphie et le tassement au dégel ont été par la suite additionnés au modèle existant. Le développement de la version finale du modèle numérique, effectué en totalité par la candidate, représente un travail original et utile car il permet de simuler la réponse du régime thermique du pergélisolà différents scénarios de réchauffements climatiques.
Ce premier manuscrit a été préparé et rédigé par le premier auteur, Sylvie Buteau. Le Dr. Fortiera révisé en profondeur le document initial et il a émis plusieurs suggestions quant à la présentation des résultats. Monsieur GeogDelisle, M.A., chercheur au Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) à Hanovre en Allemagne a été la personne référence pour le développement du modèle numérique. Il a également participé à l’élaboration du plan initial. Le Dr. Allarda révisé la deuxième version eta émis différents commentaires quant à sa structure. L’ouvrage a été soumis en novembre 2001 au journal
« Permafrost and periglacial Processes » et a été classé comme possiblement acceptable suite à une révision majeure en février 2002. Le manuscrit doit être réduit de moitié en longueur et le sujet doit être mieux cerné. L’article a donc été retravaillé de façon substantielle et est présentement entre les mains des co-auteurs : R. Fortier et M. Allard. Cet article qui va être soumis à nouveau prochainement, diffère sur deux points du manuscrit inclus dans la présente thèse (chapitre 1). Les différentes techniques utilisées pour les mesures in situ ne sont que citées dans l’article alors qu’elles sont succinctement décrites dans le présent document et, deuxièmement, la section sur l’étalonnage du modèle estbeaucoup plus brève etmoins détaillée.
Le deuxième manuscrit s’intitulant: « Pénétration rate-controlled CPT in permafrost » présente le nouveau système de poussée linéaire pour laréalisations d’essai de pénétration au cône (CPT) à taux de pénétration contrôlé dans le pergélisol ainsi que différents résultats obtenus avec ce dernier lors des travauxde terrain au printemps 2000. Le système a été développé conjointement par le Dr. Fortier et la candidate, Mme Buteau. La conception mécanique, électrique et électronique du système de poussée linéaire ainsi que l’achat des équipements ont été effectué en totalité par le Dr. Fortier. La candidate a, pour sa part, développé le programme de contrôle du système de poussée linéaire incluant les différentes protections (Annexe C), le programme d’acquisition automatique des données du CPT en langage de programmation orienté objet HP-VEE (Annexe D) ainsi que la nouvelle méthodologie propre au nouveau système de poussée linéaire (Annexe E). La candidate a procédé à tous les essais sur le terrain, assistée du Dr. Fortier en 1999 et en partieen 2000, et elle a finalement effectué latotalité du traitement des données.
Ce deuxième manuscrit doit être soumis au cours de l’été 2002 à la «Revue canadienne de géotechnique » (Canadian geotechnical journal). Les seules modifications actuellement
incluses au manuscrit du présent document (chapitre 2) consistent en une description légèrement plus détaillée des différentes sections du profil stratigraphique profond ainsi qu’une réduction importante de la section décrivant le site d’étude pour éliminer la répétition. Notons que S. Buteau et R. Fortier avaient présenté en septembre 2000, un court article sur le système de poussée linéaire et les CPT à taux depénétration contrôlé ainsi que certains résultats préliminaires lors de la 53emeConférence Canadienne de Géotechnique à
Montréal. Ce brefarticle de conférence inclus à l’Annexe F a aussi été initialement rédigé par S. Buteau et révisé par R. Fortier. Ce dernier a ajouté à cet article un tableau des exigences etspécifications du système depoussée linéaire.
Le dernier manuscrit, «Weakening of permafrost résistance following climatic
warming » présente le travail de synthèse du présent projetde recherche qui a été effectué par la candidate sur l’affaiblissement au réchauffement du comportement mécanique du pergélisol, démontrant ainsi l’atteinte de l’objectif premierdu présent projet de doctorat. Ce manuscrit est présentement en processus de révision par les coauteurs R. Fortier et M.
Géotechnique» ou au « Journal of Cold Régions Engineering ». La section sur le site d’étude contenue dans le présent document est de beaucoup diminué par rapport à celle de l’article en question.
J’aimerais, en tout premier lieu, remercier très sincèrement mon directeur de recherche, Monsieur Richard Fortier ainsi que Monsieur Michel Allard, co-directeur duprésentprojet de recherche. Tous deux ont su me faire entièrement confiance pour mener à bien cet imposant projet de recherche et ce, malgré des connaissances de base très limitées en géotechnique, géologie, géomorphologie ainsi qu’en physique des sols gelés au début de mes études de doctorat. Sans leurs constants appuis,jen’aurais pas été en mesure de mener à terme cette étude ainsi qu’à compléter mes études de troisième cycle. Je tiens à noter la disponibilité exemplaire et l’intérêt soutenu de ceux-ci tout au long de mes travaux; ce qui fut très apprécié. La constante rigueur dont a fait preuve Monsieur Fortier, allant des travaux de terrain, passant par le laboratoire jusqu’à l’écriture va toujours rester pour moi un modèle depremier choix.
Un remerciement tout spécial pour Herr Georg Delisle pour son aide constante lors de l’édification du modèle géothermique ainsi que et plusparticulièrementpour son amitié et son support moral tout au long de mon séjour en pays germanique.
Plusieurs autres personnes ont contribué, de près ou de loin, à la bonne réussite de ce travail : Monsieur Pierre Therrien pour son aide colorée en programmation; Christian Boyaud, Michaël Dubé et Anne-Marie Leblanc pour leur aide sur le terrain; Monsieur Claude Tremblay pour le support logistique; Catherine Thibault pour m’avoir donné le goût d’en savoir beaucoup plus sur la géologie et plusieurs autres sujets; Maud Storme pour avoir toujours su répondre à mes différentes questions d’ordre géotechnique et des plus diverses; Denis Sarrazin pour son aide et ses beaux paysages nordiques; Messieurs Yves Bégin, directeur du Centre d’études nordiques et Yves Michaud chercheur scientifique au centre géoscientifique de Québec pour leurs pertinents commentaires sur le projet. J’aimerais aussiremercier tous ceux et celles du département qui ont gravité autour de moi durant ces dernières quatre années et qui ont contribué à créer une bonne atmosphère de travail.
La généreuse hospitalité de la communauté d’Umiujaq lors de nos campagnes de terrain à l’été 1998, été 1999 et au printemps 2000, a été des plus appréciée. J’aimerais noter plus spécifiquement, l’entrain de Willie Kumarluk ainsi que la ponctualité et l’omniprésence magique de notre ami, Joshua Sala.
Je me dois de noter l’excellent travail de Monsieur Barbeau, machiniste accompli qui a su, malgré un échéancier très serré, donner forme au nouveau bâti. Le prêt d’un véhicule tout-terrain de la Commission géologique du Canada a été d’une aide incontournable sur le terrain. Les différents détailsde logistique fournis par le Centre d’Études Nordiques (CEN) ont de beaucoup favorisé le bon déroulement des différents séjours au Nunavik. L’aide financière sous formedebourses d’étudesdu CRSNG, FCAR ainsique de l’AUCEN m’ont permis de poursuivre mes études dans un climat financier stable. La participation du CEN, du fond de soutien au doctorat dudépartement de géologie et génie géologique ainsi que de la subvention FCAR-EQUIPE d’Allard et al. à ma rémunération se doit d’être aussi mentionnée. Un grand merci au RDDC Valcartier pour m’avoir permis de terminer la rédaction de ma thèse tout en étantà leur emploi.
Finalement,je tiens à remercier du plusprofond de mon coeur, mon très cher mari, Nicolas Turgeon, pour avoir su m’épauler tout au long de ces années d’étude ainsi que d’avoir très généreusement accepté les différents désagréments se rattachant à mes diverses périodes d’éloignement. Sans son constant appui à la maison et avec les enfants, je n’auraisjamais été en mesure de terminer mes études de doctorat dans un laps de temps raisonnable. Merci encore à toute ma famille qui a su démontrer de l’intérêt et qui ont toujours été source d’encouragement pour la poursuite de mes buts. Enfin, un doux merci à Maëlle et Félix poursimplementêtre là, avec nous.
RÉSUMÉ COURT...ii
RÉSUMÉ LONG... iii
ABSTRACT... v
AVANT-PROPOS...vii
REMERCIEMENTS...xi
TABLE DES MATIÈRES...xiii
LISTE DES TABLEAUX...xvii
LISTE DES FIGURES... xix
LISTEDES ANNEXES...xxiii
LISTE DES SYMBOLES...xxiv
SYMBOL LIST...xxviii
INTRODUCTION... 1
CHAPITRE I - SIMULATION DU RÉGIMETHERMIQUE DU PERGÉLISOL...13
NUMRICAL SIMULATION OF PERMAFROST DECAY RELATED TO CLIMATE WARMING IN NORTHERN QUÉBEC, CANADA, BASED ON FIELD MEASUREMENTS...16
Abstract...16
Résumé...17
1.1 Introduction...18
1.2 Studysite...20
1.3 Field measurements of physical andthermal properties...22
1.3.1 Thermal profile... 23
1.3.2 Core sampling...25
1.3.3 Field calorimetrie method... 25
1.3.4 Time-domain reflectometry (TDR)...28
1.3.6 Field measurementsof thermal conductivity... 32
1.4 Numerical simulation ofpermafrostthermal régime...34
1.5 Heatflow...38
1.6 Model calibration...40
1.7 Effectof climatic warming...43
1.8 Discussion...50
1.8.1 Initialstate of thepermafrostmound... 50
1.8.2 Relativeinfluence of the different thermal parameters... 50
1.8.3 The moundthermal régime évolution...51
1.8.4 Impacts forthe study région... 53
1.9 Conclusion...54
1.10 Ackno wledgements... 55
1.11 References...55
CHAPITRE II - ESSAIS DE PÉNÉTRATION AU CÔNE À TAUX DE DÉFORMATIONCONTRÔLÉ...61
PENETRATION RATE-CONTROLLED CPTIN PERMAFROST... 64
Abstract...64
Résumé...65
2.1 Introduction...66
2.2 CPTin frozensoils... 67
2.3 Pénétrationrate controlledCPT apparatus...70
2.3.1 Linear pushing System...71
2.3.2 Penetrometer...74
2.3.3 ReactionSystem...75
2.3.4 Dataacquisition System...75
2.3.5 Safeties...75
2.4 Testsite...76
2.5 Field methodology...76
2.6 CPTs in permafrost:results...77
2.6.2 Creep tests... 79
2.7 Discussion...85
2.7.1 Stratigraphie profiling...85
2.7.2 Creep tests...90
2.8 Structural impactof CPT in the ground...92
2.9 Conclusion...96
2.10 Acknowledgment...98
2.11 References...98
CHAPITRE III - AFFAIBLISSEMENT DU COMPORTEMENT MÉCANIQUE DU PERGÉLISOL DÛ AU RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE...101
WEAKENING OF PERMAFROST RESISTANCE FOLLOWING CLIMATIC WARMING...104 Abstract...104 Résumé...105 3.1 Introduction...106 3.2 Background...106 3.3 Studysite...108 3.4 Methodology...108
3.5 Température dependency of permafrost résistance...110
3.6 Permafrostweakeningdue to warming...120
3.7 Conclusion...128
3.8 Recommendations for research...129
3.9 Acknowledgements...129
3.10 References...130
CONCLUSION...133
BIBLIOGRAPHIE...142
Table 1.1 Values ofthe density p, volumétrieheat capacitycv, volumétrie ice content 0i and volumétrie total water content 9wt ofthe active layer and upper part of permafrost obtained from the numerous field calorimetric tests... 27 Table 1.2 Values of the densityp, the mass proportion of dry soil ms/mt and
the porosity np of the active layer divided in the upper layer between the surface and 0.5 m in depth, and the lower layer between 0.5 and 1.5 m in depth... 28
Table 1.3 Values of the thermal conductivity 2, volumétrie heat capacity cv,
and volumétrie unfrozen water content 0 for the frozen and unfrozen soil layers, ice lenses and water used in the numerical simulation... 37 Table 1.4 Values of the thickness of the active layer, thaw settlement and
depth of the permafrost base following differentwarming scénarios atthe end of thewarmingperiod of 100 years...44 Table 2.1 Requirements and spécifications of the developed linear pushing
System...73
Table 2.2 Summary of the typical values of the pénétration résistance qc, friction ratio Rs electrical resistivity p and a qualitativ information on the variability of these parameters for the 5 sections identified on a deep stratigraphie profiling of the permafrost mound performedatat a pénétration rate of 0.1 cm/s (06/26/00)...85 Table3.1 Physical and thermal properties measured in spring 2000 in a silty
sandpermafrost mound...112 Table3.2 Values of qcmax and Tmin obtained from the parabolic and third
order polynomial fits respectively of the 6 stratigraphie profiles performed at a pénétration rate of 0.05 cm/s carried out in spring 2000...115
Table 3.3 Dependency on température of the tip load Aqc/AT for CPTs performed at a pénétration rate of 0.05 cm/s (white boxes) and 0.1 cm/s (shaded boxes) calculated from the deep profiles of tip load Aqc/Az andtempérature AT/Azas a fonction of depth...119
Table 3.4 Maximum tip load qcmax in mid-September and the corresponding relative loss for different warming scénarios at the end of the warming period of100 years...123 Table D.l Assignation des différents canaux aux mesures effectuées...195 Table E.l Vitesses recommandées pour différentes situations...204
Figure 1.1 Permafrost distribution in Northem Quebec and location of the study site... 21 Figure 1.2 The studied permafrost mound in the Vallée-des-Trois, near
Umiujaq, Northem Québec... 22
Figure 1.3 Variation of air and ground température measured in 2000...23
Figure 1.4 Mean monthly ratio of surface and air indexes (n-factor) for the studysite duringthe 1999-2000 period...24
Figure 1.5 One example of results from the field calorimetric method : unfrozen water wuw and ice w; content, frozen ground density p, température T and the spécifie heat capacity of frozenground cm as a function ofdepth (borehole #7, 06/09/2000)...26
Figure 1.6 Volumétrie unfrozen water content as a function of ground températurefrom TDR and calorimetric measurements...30 Figure 1.7 Volumétrieheat capacity of the active layer as a function of ground
températurecalculated from TDRand calorimetric measurements...31
Figure 1.8 Thermal conductivity as afunction of ground température...33
Figure 1.9 Geothermal profiles in two adjacent permafrost mounds in 1990
and 1998 (Fortier and Allard, 1998) and 2000 (présent study)...40
Figure 1.10 Daily mean air température at the study site from 1992 to 2001. Black and gray symboles represent real and borrowed from other year’s températuremeasurements respectively...41
Figure 1.11 Geothermal profiles at interval of 20 days over a year measured in 2000 (symbols) and predicted (lines) after the 20-year calibration period...42
Figure 1.12 Predicted changes in the active layer thickness with time for different warming scénarios... 45
Figure 1.13 Predicted depth of the permafrost base with time for different warming scénarios...46
Figure 1.14 Groundtempérature évolution in September ofeach year following
a linear warming ofa) 2 °Cand b) 5 °Cover a century...48
Figure 1.15 Predicted geothermal profiles at interval of 30 days over a year followinga linear warming of a) 2 °C andb) 5 °C over a century... 49
Figure 2.1 Sketch of the overallrate-controlledCPT System...69
Figure 2.2 Linear pushingSystem for pénétration rate-controlled CPT... 70
Figure 2.3 Detailed viewof theVertekpenetrometer with itssensors...72
Figure 2.4 Stratigraphie profile in terms of pénétration résistance qc, friction ratio Rs, température T, electrical resistivityp and vertical tilt of the penetrometer i with depth at a pénétration rate of 0.1 cm/s (06/26/00)...78
Figure 2.5 Distribution of the creep exponent with depth obtained from the sixty-one creep testsperformed inspring 2000...79
Figure 2.6 Examples of plateau case for the creep behaviour: sériés of quasi-static cône pénétration tests at different pénétration rates in the permafrost (full black symbols) and in the frozen active layer (empty grey symbols). Inset : détermination of the creep exponents: np in permafrost (#35 : 06/12/00) and nai in the active layer (#20 : 06/01/00)...80
Figure 2.7 Slope change case: creep test performed in permafrost (full black symbols) and in the frozen active layer (empty grey symbols). Inset : détermination of the creep exponents: npi and nP2 in permafrost (#17 : 05/27/00) and naii and nai2 in the active layer (#32:06/11/00)...82
Figure 2.8 Short transition case: sériés of quasi-static cône pénétration tests at different pénétration rates in the permafrost (full black symbols) and in the frozen active layer (empty grey symbols). Inset : détermination of the creep exponents: np in permafrost (#5 : 06/07/00) and nai in the active layer (#37 : 06/17/00)...83
Figure 2.9 Major transition cases: to a higher strength level in the permafrost (full black symbols) and to a lower one in the frozen active layer
(empty grey symbols). Inset : détermination of the creep exponents:
np in permafrost (#10 : 05/22/00) and nai in the active layer (#42 : 06/23/00)...84
Figure 2.10 Tip température relaxation after a 0.1 cm/s pénétration rate for three different layers: the unfrozen active layer at 1.08 m, the permafrost at 3.01 m and the noncryotic ground under the permafrost base at 24.0 m...87
Figure 2.11 Ice lenses deformation followingthe cônepénétration (06/29/00)...93
Figure 2.12 Close up of an ice lensdeformation following a CPT (06/29/00)...94
Figure 2.13 The settlement effect after the cône pénétration (06/29/00)...95
Figure 2.14 The redistribution of fines afterthe cônepénétration(06/29/00)...96 Figure3.1 Three cryostratigraphic profiles from CPTs at a pénétration rate of
0.05 cm/s carried out in May, June and July 2000 and their respectiveparabolic fits (dashed lines)...113 Figure 3.2 Température profiles (symbols) measured ona thermistor cable the
same days as the CPTs at 0.05cm/s (Figure 3.1) and their 3rd order polynomial fits (lines)... 114 Figure3.3 Discrète values and the linear fit (solid line) ofqcmax found from the
parabolic fits of the CPTs at a pénétration rate of 0.05 cm/s as a function of Tmin measured on the thermistor cable and the average température dependency of the tip load (dashed line) found from a deep CPT at a pénétration rate of 0.1 cm/s and température profiles in thepermafrostmound...116 Figure 3.4 Tip load and température profiles measured with a CPT carried out
on June 26*, 2000, at a pénétrationrate of 0.1 cm/s...117 Figure 3.5 Evolution of the mid-September maximum tip load qcmax in
permafrostwith time for different warming scénarios...122
Figure 3.6 Evolution of the tip load in mid-September of each year following a graduai warming of 2 °C/100 years... 124
Figure 3.7 Evolution of the tip load in mid-September of each year following a graduai warming of 5 °C/100 years... 125
Figure3.8 The permafrost layer distribution and some soil résistance obtained with the numerical simulation in response to a graduai warming of 2 and 5 °C over 100 years compared to the state obtained without any warming...127 FigureA. 1 Plan de localisation des différents CPT, forages, sondes à
conductivité thermique et TDR surla butte de pergélisol...156 Figure B.l Organigramme du code utilisé pour la simulation numérique de
l’évolution thermique et mécanique du pergélisol...160
FigureB.2 Étatinitial pourla simulation numérique du pergélisol...161 Figure D.l Environnementde développement HP-VEE...178
FigureD.2 Les deuxaspects d’un objet : la formeouverte et l’icône...179 Figure D.3 Pins d’entrée et de sortie...180
Figure D.4 Représentationdétaillée destratigra (Main)...181
Figure D.5 Représentationdétaillée de prerun...182
Figure D.6 Interface de prerun...185
Figure D.7 Représentationdétaillée d’aquisition...186
Figure D.8 Interface de la sous-routine aquisition...189
Figure D.9 Représentation détaillée de la sous-routine limit...190
Figure D.10 Représentation détaillée (gauche) et interface (droite) de la sous-routine waming...191
FigureD.il Représentation détaillée (gauche) et interface (droite) de la sous-routinealarm...192
ANNEXE A CALENDRIER ET CARTE DE LA CAMPAGNE DE TERRAIN 2000...152 ANNEXE B PROGRAMME POURLA SIMULATIONNUMÉRIQUE...157 B. 1 Descriptiondela structure...157 B.2 Fichiers d’entrés...159 B.3 Organigramme...159 B.4 État initial...161 B.5 Code FORTRAN...162 ANNEXE C PROGRAMMEPOUR LES MOTEURS...174 ANNEXE D PROGRAMME D’ACQUISITION LORSD’UN CPT...177 D.l Notions de HP VEE...178 D.2 Programme stratigra (Main)...181 D.3 Sous-routineprerun...;...182 D.4 Sous-routine aquisition...186 D.5 Sous-routines limit, warning, alarm...190 D.6 System detransmission...193 D. 7 Carte d’acquisition...194 ANNEXEE PROCÉDURE POUR LES ESSAIS DE PÉNÉTRATION AU
CÔNE...196 E. 1 La levée du système...196 E.2 La préparation...198 E.3 Le test de pénétration...200 E.4 Le retrait du traindetige...202 E.5 Ladescente du système...203 E.6 Notes importantes...203 ANNEXE F PENETRATION RATE-CONTROLLED CPT IN PERMAFROST....205
Symbole Description
Cm chaleur spécifiquemassique totale [Jkg'1 K'1]
cmw = 4192,1 chaleur spécifique massique de l’eau à 10 °C [J kg'1 K'1] (Raznjevic, 1976)
Cmi = 2039 chaleur spécifique massique de la glace à 0°C [J kg'1 K'1] (Raznjevic, 1976)
Cms =795 chaleur spécifiquemassique d’un sol sec à granulométrie fine [J kg'1 K'1] (Haynes étal., 1980)
cv- P*cm chaleur spécifique volumique[J m'3 K'1]
CPT essai de pénétration au cône (CônePénétration Test)
CRREL U.S. ArmyCold Régions Research andEngineering Laboratory CR10X système d’acquisition automatique dedonnées
dX/dt tauxde variation de la frontière du changement dephase [m s'1]
fs frottement local [MPa]
la,g indice de gel de l’air [degré-jour] Ia,d indicede dégel de l’air [degré-jour]
Is,g indicede gel ou de dégel de la surface du sol [degré-jour] Is,d indice de dégel de la surfacedu sol [degré-jour]
L chaleur latentevolumique [J m' ]
ms massedesconstituants solides dans l’échantillon[g] mt masse totale de l’échantillon [kg]
muw massede l’eaunon-gelée dans l’échantillon [kg] mw masse totale de l’eau dans l’échantillon [kg] Ms= ms*100/mt proportion massique en constituants solides [%]
MAAT température de l’air annuelle moyenne (Mean Annual Air
MGST température de la surface du sol moyenne (Mean Ground Surface Température)
n paramètrede fluage
ni paramètre de fluage obtenu pour un taux de pénétration inférieur à 0,0005 cm/s
n2 paramètre de fluage obtenu pour un taux de pénétration supérieur à 0,0005 cm/s
np = Vv*100/Vt n-factor — Is,x/Ia,x
porosité
facteur n, où x repésente g ou d
P paramètre caractérisant l’ouverture d’une parabole
q flux géothermique [W m' ]
qc résistanceà la pointe [MPa]
qcmax résistanceà la pointe maximale d’un profil stratigraphique [MPa] qcüAL résistanceà la pointe caractérisant lemollisol dégelé [MPa]
qcNG résistance à la pointe caractérisant le sol non-cryotique sous la base dupergéliol [MPa]
q0 résistance à lapointe d’un point de référence [MPa] qu = Q1-G3 résistance à la compression [MPa]
W flux géothermique équivalent [ W m‘ ]n
t temps [s]
T température [°C]
T10 températurede référence de —1 °C [°C]
Tcable températureobtenuedu câble à thermistance [°C]
T1 cône températureobtenuedusenseur en température du pénétromètre [°C] T1 min température minimum d’un profil thermique [°C]
TDR réflectométrie dans le domaine du temps (Time Domain
Reflectometry)
V taux de pénétration [cm s'1]
vd= md/ps Vi= mj/pi
O volume des constituants solides dans l’échantillon [m ]
O volume de la glace dans l’échantillon [m ] Vt=Vd+Vi+Vuw
Vuw ~ rnuw/puw Vi= Vi*100/vt
volume total de l’échantillon [m3]
volume de l’eaunon-gelée dans l’échantillon [m3] proportionvolumétrique en glace [%]
Vwt= (Vi+vuw)*100/vt proportion volumétrique en eau totale [%] wuw = muw* 100/ms teneur en eau non-gelée [%]
Wi= mi*100/ms teneur en glace [%]
x, y et z axes cartésiens de référence de l’espace
z profondeur [m]
Zçcmax profondeur de qcmax [m] a diffusivité thermique [m2 s'1]
au diffusivité thermique d’un matériau dégelé [m s’ ] aF diffusivité thermique d’un matériau gelé [m s’ ]
P exposant dans larelationdécrivant la loi de puissance entre0 et T. Aqc différence de la chargeà la pointe
Aqc/AT variation moyenne deqc en fonction dela température Aqc/Az variation moyenne de qc en fonction de la profondeur
AT/Az variation moyenne de la températureen fonction de la profondeur
AT différence de température
Az différence de profondeur
A^a^/aT l’intervalleen profondeur sur lequelAqc et ATont été évalués 4 taux de déformation de référence [s-1]
éef taux de déformation à la rupture [s'1]
ê1 taux de deformation dans le sens de la contrainte principale majeure ai [s'1]
X conductivité thermique [Wm'1 K’1]
Xu conductivité thermiqued’un matériau dégelé [W m"1 K’1]
p = mt/Vt masse volumiqueou densité totale ou densité [kg m'3] pd = md/Vt
Pi = 0,917*103 pw=l*103
masse volumique ou densité du sol sec [kg m’3] masse volumique ou densité de la glace [kgm’3] masse volumique ou densité de l’eau [kgm’3]
C^cO contrainte de référence ou module de fluage pour une température 0 [MPa]
CTef contrainte déviatorique équivalente de Von Mises à la rupture [MPa] H1-O3 contrainte déviatorique [MPa]
0= VUW*1OO/Vt contenu ou proportion volumétrique en eaunon-gelée [%]
0o contenu ou proportion volumétrique en eaunon-gelée àTo = —1 °C 0max contenu ou proportion volumétrique en eautotale : 0 à T > 0 °C
Symbol Description
Cm spécifie heatcapacity[J kg'1 K'1]
Cmw = 4192.1 spécifie heatcapacity ofwaterat 10 °C [Jkg'1 K'1] (Raznjevic, 1976) Cmi = 2039 spécifie heat capacity ofice at 0 °C [J kg'1 K'1] (Raznjevic, 1976) Cms= 795 spécifie heat capacity of fine grained soil [J kg'1 K'1] (Haynes et al.,
1980)
Cv = P*Cm volumétrie heatcapacity [J m’ K' ]
CPT Cône Pénétration Test
CRREL U.S. Army ColdRégionsResearch and Engineering Laboratory CR10X automatic data recorder (datalogger)
dX/dt rate of movement of the phase changeboundary [ms'1]
fs local friction [MPa]
la,g airfrozenindex [degree-days] la,d air unfrozenindex [degree-days] Is,g soil frozen index [degree-days] Is,d soil unfrozen index [degree-days] L
O volumétrie latentheat [Jm' ] ms mass of dry soil in a sample [g]
mt total mass of a samplefkg]
muw mass of unfrozenwaterin asample [kg] mw total mass of waterina sample [kg] Ms=ms*100/mt dry soil mass proportion [%]
MAAT Mean AnnualAirTempérature
MGST Mean Ground Surface Température
n creep parameter
n2 creep parameter obtained at a pénétration rate higher than 0.0005 cm/s
np = Vv*100/Vt n-factor = IS)X/Ia,x
porosity
n-factor , where x represents g or d
P parabola parameter
q terrestrial heat flow [W nf ]
qc cône pénétration résistance [MPa]
qcmax maximum cône pénétration résistance in a profile [MPa]
qcUAL cône pénétration résistance characterizing the unfrozen active layer [MPa]
qcNG cône pénétration résistance characterizing the noncryotic ground belowthe permafrost base [MPa]
q0 cône pénétration résistance of a reference point [MPa] qu = 01-03 uniaxial compression strength [MPa]
qq équivalent terrestrial heat flow [W m' ]
t time [s]
T température [°C]
To reference températureof—1 °C [°C]
Tcable température obtained withthe thermistor cable [°C]
Tcone température obtained with thetempérature sensorof the penetrometer [°C]
Tmin minimum températureof a thermal profile [°C]
TDR Time Domain Reflectometry
V pénétrationrate [cm s'1]
Vo reference pénétration rate [cm s’1] Vd=ma/ps
O volume of dry soil in a sample [m ] Vi= lïli/pi volume of ice in a sample [m3] Vt= Vd+Vj+Vuw
■J total volume of a sample [m ]
vuw = muw/Puw volume of unfrozen water in a sample [m ] Vi = Vi*100/vt volumétrie ice content [%]
Vwt= (vi+vuw)*100/vt volumétrie totalwater content [%] wuw = mUw*100/ms unfrozen watercontent [%]
w;= mi*100/ms ice content [%]
x, y et z cartesian reference axes
z depth [m]
Zqcmax depth of qcmax [m]
a thermal diffusivity [m s' ]
au unfrozen material thermal diffusivity [m s' ] aF frozenmaterial thermal diffusivity[m s' ]
P exponentinthe power-law relationship between 0 and T. Aqc gradient of thetip load
Aqc/AT mean variation of qc in function oftempérature Aqc/Az mean variationof qcin function of depth
AT/Az mean variation of température in function of depth AT gradient of the température
Az depth différence
éc
depth intervalon which Aqc and AT were evaluated reference strainrate [s'1]
Êef strain rate at failure [s'1]
êi minimum creeprate [s-1]
X thermal conductivity [W nf1 K'1]
Àu thermal conductivity of an unfrozen material [W m'1 K’1] Xf thermal conductivity of a frozen material [W m'1 K'1]
p =mt/Vt total density [kg m'3] pd=mdArt
Pî = 0,917*103 p,= l»103
dry soildensity [kg m'3] ice density [kg m’3] water density [kg m'3]
ace reference stress or creep modulus for a giventempérature 0 [MPa] CTef Von Mises équivalent stress atfailure [MPa]
0 = Vuw*100/Vt unfrozen water content [%]
9o unfrozen water content at To = —1 °C 0max total unfrozen water content : 0 at T > 0 °C
Le développement des régions nordiques depuis plus de 70 ans a largement fait prospérer le domaine de l’ingénierie nordique suite aux besoins toujours croissants du sud enmatièred’énergie et de ressourcesnaturelles. En effet, la conception ainsi que les méthodes de construction d’infrastructure nordique nécessitent des connaissances particulières en ce qui a trait aux propriétés physiques, thermiques et mécaniques des sols gelés afin que les ouvrages de génie répondent aux différents critères de sécurité tout au long de leur vie utile. Les étendues plus ou moins grandes de pergélisol aux hautes latitudes sont effectivement sources de plusieurs contraintes pour l’ingénierie nordique dues à la présence de glace et d’eau dans le sol. La glace, qui n’a aucune résistance àlongterme carelle fluemême sous detrèsfaibles contraintes, rend sensible le comportement mécanique et la résistance des sols gelés à différents paramètres dont principalement la température et le niveau de contrainte. La compréhension de cette dépendance en température du comportement mécanique du pergélisol est primordiale dans l’actuel contexte de changements climatiques afin de prédire le comportement à long terme desinfrastructures civiles fondées surle pergélisol.
Le pergélisol fournit une sous-fondation parfaitement adéquate aux infrastructures nordiques lorsqu’il est en équilibre thermique avec son environnement. Toutefois, cet équilibre est précairepuisque lepergélisolest unmilieu ouvert et que plusieurs facteurs externes sont susceptibles d’affecter son régime thermique. Parmi ceux-ci, en plus de l’apport de chaleur ou de l’effet isolant d’une infrastructure, les changements climatiques prédits pour les prochaines décennies auront sans nul doute un impact majeur : la modification des conditions atmosphériques (température de l’air, rayonnement, humidité, précipitation) affectera alors les conditions de surface du pergélisol (épaisseur du couvert nival, végétation). Ces changements des conditions d’équilibre du pergélisol induiront une altération deson régime thermique et, par le fait même, des changements dans ses propriétés physiques (teneurs en eau non-gelée et en glace, structure de la glace). Le comportement mécanique du pergélisol en sera alors directement affecté. En particulier, un affaiblissement généralisé de la résistance mécanique se produira. Par conséquent, la stabilité d’une infrastructure fondée sur ce pergélisol sera ainsi menacée par une accélération du taux de fluagedu pergélisol etpar des tassements plus importants que prévus. La vie utile de l’ouvrage pourrait en être écourtée. Les ingénieurs nordiques ont donc le devoir d’évaluer les impacts potentiels du réchauffement graduel du climat sur le régime thermique du pergélisol et surla vie utile des infrastructures nordiques établies sur pergélisol afin d’éviter les coûts énormes encourus par la réhabilitation ouencore la pertetotale d’un ouvrage de génie.
Actuellement, lors de la conception d’infrastructures nordiques, les ingénieurs tiennent compte de la présence du pergélisol et voient à la préservation de ses conditions d’équilibre mais ne tiennent toujours pas compte de son évolution en fonction des variations climatiques.En effet, l’état actuel desconnaissances ne permet pas d’intégrer la thermo-dépendance des propriétés mécaniques du pergélisol dans la pratique de l’ingénierie nordique. L’étude des interdépendances entre les propriétés thermiques, physiques etmécaniques est donc nécessaire afin de mettreenperspective la dynamique du pergélisol affectée par un changement climatique.
L’étude du comportement mécanique des sols gelés s’effectue soit sur des échantillons reconstitués ou non-perturbés en laboratoire où les différents paramètres externes peuvent être contrôlés de façon précise ou soit directement surleterrain. Lesméthodes in situ sont habituellement favorisées car elles éliminentleproblème de logistique liéà
la préservation et au transport des échantillons au laboratoire et, de plus, la structure complexe des sols pergélisolés riches en glace peut ainsi être investiguée de façon beaucoup plus adéquate que sur un simple échantillon en laboratoire (Ladanyi, 1976). Fortier (1994) fait un survol de l’ensemble des études sur le comportement mécanique des sols gelés. Les enjeux, les différentes techniques ainsi que les résultats importants del’investigation in situ dessols gelés sont présentés par Ladanyi et Johnston (1978).
Les relevés géophysiques, les forages, les mesures de température ainsi que les essais géotechniques sont les types d’investigation normalement utilisés sur le terrain pour recueillir des informationsutiles pour la conceptiond’infrastructures en régionsfroides. L’ouvrage de Ladanyi (1996) résume parfaitement l’état des connaissances en ce qui à trait à la conception en milieux nordiques. Les méthodes géotechniques in situ pour l’étude des sols gelés ont été conçues principalement pour fournir de l’information sur la résistance mécanique et sur les propriétés à la déformation; plus particulièrement le comportement au fluage à long terme. L’étude in situ des sols gelés par des méthodes géotechniques se fait essentiellement par l’essai pressiométrique (Ladanyi et Johnston, 1973) et l’essai de pénétration au cône (Ladanyi 1976, 1982, 1985). De plus, une techniqueutilisantuncôneeffilé (Sharp CôneTest)développéeily a un peu plus de dix ans permet aussi d’obtenir des informations sur les propriétés de fluage des sols gelés (Ladanyiet Talabard, 1989; Leite et al., 1993)
L’essai de pénétration au cône (CPT) qui est depuis plusieurs générations utilisé dans les sols ordinaires (Broms et Flodin, 1988) est aussiun outil géotechnique qui peut être utilisé dans les sols gelés. En plus d’être utile pour l’identification des couches gelées (Kurfurst et Woeller, 1988) et l’étude de la stratigraphie du milieu pénétré, cette méthode permet égalementd’étudier la dépendance de larésistance mécanique des sols gelés au taux de déformation (Ladanyi, 1976 et 1982 ; Ladanyi et Huneault, 1989; Ladanyi et Paquin, 1978; Ladanyi et al., 1991; Fortier et al., 1993). L’ensemble des essais relevés dans la littérature utilise des systèmes de poussée hydraulique ce qui permet essentiellement de contrôler la charge lors de la pénétration du cône dans le pergélisol. Toutefois, pour définir correctement les propriétés d’un milieu, des essais à taux de déformation constant sont nécessaires (McCartey, 1976). Pour effectuer ce type d’essai à partir d’un système hydraulique usuel, le taux de pénétration doit être contrôlé manuellement (Ladanyi, 1976) ou par une boucle de rétroaction efficace (Gameau et
Samson, 1974). Ces ajustements ont toutefoisune limite d’efficacité, d’où la préférence d’utiliser des systèmes mécaniques. Notons que Gameau et Samson (1974) ont réussi à obtenir un taux de pénétration constant minimum de 4 x 10"4 cm/s (0,25 mm/min) avec un système hydraulique et un régulateur de débit d’huile. Pour déterminer la dépendance de la résistance d’un sol gelé avec le taux de déformation à partir d’un système à charge contrôlée, Ladanyi (1976) a développé une méthodologie consistant en une série de CPTs quasi-statiques à charges croissantes et Fortier (1994) apour sa part utilisé la combinaison de quatre CPTs à différentes vitesses constantes dans la même couche de pergélisol. La première méthode fait intervenir le temps quin’est pas, strictement parlant, une propriété du milieu et la deuxième nécessite un traitement important avant d’obtenir l’information désirée. Les CPTs sont aussi utilisés pour la conception des pieux (Ladanyi, 1985), pourprédire la consolidation au fluage (Ladanyi et al., 1995) ainsi que pour déterminer la capacité portante des pieux (Ladanyi, 1985; Trofimenkov étal., 1986).
En plus de la vitesse de pénétration, la résistance des sols gelés dépend également de différents paramètres, dontla température, les contenus en glace et eneau non gelée, de la saturation en eau, et delagranulométrie pour n’en nommerque quelques-uns.Fortier (1994) a réalisé une étude sur l’influence des propriétés physiques du pergélisol sur la résistance à la pointe et l’effet de la vitesse de pénétration surcesrelations. Ses résultats montrent quela corrélation de la résistance àla pointe du pergélisol avecson contenu en eau non-gelée est laplus appropriée (Fortier etal., 1993). Comme ce dernier paramètre relève directement de la température pour un sol donné, lacompréhension des variations spatiale et temporelle de la température du pergélisol est primordiale pour l’étude du comportement mécanique de ce dernier.
Les différentes données climatiques recueillies dans l’ensemble du pays par Environnement Canada depuis 1948démontrentclairement l’augmentation graduelle de la température moyenne annuelle. On observe la même tendance à l’échelle mondiale : une augmentation deplus d’un demi-degrépour le dernier siècle (National Oceanicand Atmospheric Administration). L’ensemble de la communauté scientifique prévoit un réchauffement important du climatpourles prochaines décennies(CCS, 1997). Pour le Québec nordique, un examen comparatif des divers scénariosdechangement climatique tirés des modèles de circulation générale (MCG) produits par Environnement Canada
permet de faire les observations suivantes sur les régimes de température et de précipitation qui pourraient prévaloir dans un environnement où la concentration du CO2 atmosphérique est doublée :
1. réchauffementde 2 à 4 °Cdu printempsà l’automne et un réchauffement de 2 à 9 °C pour l’hiver;
2. une augmentation des précipitationsjusqu’à 20% pour toute l’année.
Ceci représente une variation climatique avec un potentiel d’impact considérable sur l’environnement nordique étant donné la sensibilité du pergélisol présent dans cet environnement. C’est dans ce contexte quel’étude Pan-Canadienne (CCS, 1997) surles répercussions et l’adaptation à la variabilité et auchangement climatique a vu lejour en 1996. Dans le tome V de cette étude, qui est spécifique au Québec, on y trouve un tableau synthèse sur les connaissances du lien climat-secteur pour différents domaines majeurs dont, en particulier, celui des infrastructures et du pergélisol. Le niveau des connaissances sur la sensibilité au climat et sur les répercussions d’un changement climatique pource secteur aété respectivement qualifié de faible etde très faible. Ilest donc important et urgent d’étudier l’impact d’un réchauffement climatique sur les milieux pergélisolés pour ainsi tenter d’en minimiser l’impact sur les infrastructures routières, maritimes, hydroélectriqueset gouvernementales des régions nordiques.
L’étude et la compréhension du régime thermique du pergélisol sont les premiers pas pour en arriver à prévoir son comportement futur et ainsi être en mesure d’évaluer et idéalement de prévenir les impacts négatifs de ces changements climatiques sur ce milieu. En effet, Lagarec et Dewez (1990) ont évalué que la distribution spatiale des formes dues aupergélisol et à sa dégradation s’explique à 80%par unecombinaison de variables climatiques dont la plus importante est la température moyenne annuelle de l’air. Même si l’influence des variations climatiques sur le régime thermique du pergélisolest évidente, la relation de causeà effet ne l’est pas pour autant (Romanovsky et Osterkamp, 1995; Smith etRiseborough, 1983). L’utilisation de modèles numériques du régime thermique étalonnés sur celui mesuré z« situ constitue une façon efficace de modéliser le réponse du pergélisolaux changement climatiques prédits (Romanovskyet al., 1997).
Gavrilova (1993), l’IPCC (1990) ainsi que Nelson et Anisimov (1993) ont ainsi prédit que de grandes étendues de pergélisol allaient disparaître dans les 100 prochaines années. Toutefois, leur prédiction se base sur un modèle qui n’inclut pas ladynamique des changements du pergélisol. Lunardini (1996) a cherché à prédire les effets transitoires de l’augmentation de la température atmosphérique sur celle du pergélisol. Ses résultats indiquent que seulementdes parties réduites, particulièrement le pergélisol qualifié de chaud ou relique, disparaîtront lors des 50 à 100 prochaines années. Tous affirment que l’épaisseur du mollisol s’ajuste pratiquement sans aucun délai et que la rapidité de migration de l’interface inférieure de cette couche dépend de la quantité de glace présente (Anisimov et al., 1997; Goodrich, 1978; Gravrilova, 1993; Kane et al., 1991; Nakayama et al., 1993; Romanovsky et Osterkamp, 2000). La création d’une couche dégelée en permanence, appelée talik, entre la couche qui gèle de façon saisonnière et le pergélisolaété prédit par Kane et al. (1991) et Nelson et al. (1993) de même qu’observé par Romanovsky et Osterkamp (2000). Vyalovet al (1993) prédisent des effets négligeables pour les régions pergélisolées de l’extrême Nord et assez prononcés pour le Sud (Russie), particulièrement dans les régions de pergélisol discontinu, incluant même la possibilité de dégradation totale. Les prévisions faites par Lunardini (1999) pour les 55prochaines années ne sonttoutefois pasalarmistes du point de vue de la disparition d’étendue pergélisolée. Delisle (1998) conclut dans le même sens : les scénarios de décroissance rapide en Sibérie et en Alaska suite à un changement climatique seraient non réalistes. Toutefois, ces conclusions n’impliquent pas que le réchauffement du pergélisol se fera sans l’identification de différents problèmes environnementaux et d’ingénierie et ce, particulièrement dans les régions de pergélisol chaud (Esch et Osterkamp, 1990; Nixon, 1990; Osterkamp et Lachenbruch,
1990; Smith, 1990).
Nixon (1990) a prédit le comportement au fluage d’un pieu chargé enfoui dans le pergélisol à l’aide d’un modèle géothermique unidimensionnel pour un réchauffement de 0,1 °C/année de la surface du sol pendant 25 années. A la fin de cette période, le tassement total dupieu en comparaison avec celui d’unpieu dansun climat stable peut augmenter entre 30 et 100% selonlemilieu. DE plus,un pergélisol salin même froid par rapport à un pergélisol formé dans un milieu non-salin est beaucoup plus sensible au fluage et aux variations de température. Il est clair selon ces prévisions qu’un
réchauffement significatif du pergélisol produit des taux de fluage plus importants au détriment de lavieutile desinfrastructures nordiques.
Ladanyi et al. (1996) etLadanyi (1998) ontproposé de qualifier, à l’aide d’un indice, la sensibilité de la résistance mécanique du sol gelé à une augmentationde la température. Ceci permettrait de cartographier les zones de pergélisol potentiellement stables et instablesce qui servirait d’outil diagnostic pour les ingénieurs nordiques.
Sadovsky etal. (1997) présentent différents exemplesde perturbation du pergélisol aux environsdegrandes villes du nord de laRussie en réponse à l’activité humaine. D’après leur observation, 35% des édifices de la ville de Dudinka présentent des déformations importantes suite à une diminution de la capacité portante des sous-fondations pergélisolées dueà une augmentation de la températuredu sol gelé. Khroustalev (1999) a estimé à 23% la diminution de la capacitéportante du solsous les édifices suite àune augmentation de 1,5 °C des températures de surface à Yakutsk, Russie.
Les propriétés mécaniques des sols gelés vont être inévitablement affectées par une augmentation des températures : diminution de la capacité portante ainsi qu’une augmentation des taux de fluage et de la consolidation (Ladanyi et al, 1996; Osterkamp et Lachenbruch, 1990; Smith, 1990). Plusieurs phénomènes connexes se feront alors graduellement sentir, dont une diminution de lastabilité despentes et une augmentation des tassements différentiels. Vyalov et al. (1993) proposent différentes méthodes pour tenter de neutraliser l’effet d’une augmentation de la température de l’air, dont l’enlèvement du couvert de neige ainsi que la ventilation naturelle ou forcée du sous-sol. Ces mesures ne sontpas nécessairement toujours pratiques ou économiques. Smith (1990), Esch etOsterkamp (1990) ainsi qu’Osterkamp et Lachenbruch (1990) concluent en dressant une liste des différents axes de recherche qui doivent être particulièrement préconisés :
1. prédire lavitesse et l’amplitude des modifications que subira le pergélisol; 2. déterminer lesrelations physiques entre les températures de l’airet dela surface
du pergélisol;
4. déterminer l’effet modulateur des conditions physiques et thermiques, dont le contenu en glace, sur la réponsedupergélisol; et
5. utiliserdes analogues court-termes (printemps et année chaude) pour évaluer la sensibilité de différents sites pergélisolés.
La présente étude tentera de répondre à certaines de ces attentes en utilisant une approche globale qui intègre les principaux paramètres thermiques, physiques et mécaniques enjeu.
Le but premier du projet de recherche ici présenté est de développer un modèle de prévision de l’affaiblissement au réchauffement du comportement mécanique du pergélisol. L’approche choisie est le développement d’un modèle géothermique 1D du pergélisol permettant de simuler l’évolution de certaines propriétés mécaniques et physiques de celui-ci en fonction de différents scénarios climatiques sera utile pour la compréhension de la dynamiquedu pergélisol. Lesretombées de cette étude seront des majeures puisque l’évaluation de l’affaiblissement au réchauffement du pergélisol permettra aux administrateurs publics et aux ingénieurs de tenir compte de façonplus éclairée de ce phénomène dans la gestion municipale, les plans d’aménagement et la conception des infrastructures des villages nordiques. Cet objectif à long-terme nepeut être basé que sur le développement de connaissances fondamentales du comportement des sols gelés issues de travaux menés sur le terrain où les changements réels se produisent. Puisque le site d’étude est constitué de sol fin gélif d’origine marine, il est particulièrement sensible à toute forme de perturbations. Comme ce type de sol se retrouve fréquemment le long des côtes, là où les villages Inuits sont habituellement localisés, la présente étude est donc d’un intérêt certain. De plus, une route en voie de construction qui donnera accès au Lac Guillaume-Delisle par voie de terre à la communauté d’Umiujaq est tout près du site d’étude. Les résultats obtenus de cette étude seront donc utiles à cette communauté pour le suivi de la stabilité de la route. Finalement, l’expertise développée dans ce programme de recherche sera aussi exportable vers d’autres régions nordiques qui sont aux prises avec les mêmes problèmes.
1) le suivi du régime thermique et la mesure de certaines propriétés physiques et thermiques d’une butte de pergélisol au Québec nordique lors du dégel et du réchauffement saisonnier du mollisol et du pergélisol respectivement afin de déterminerla thermo-dépendance de cespropriétés dont notamment :
• les teneurs en glace et en eau non-gelée;
• laconductivitéthermique et la chaleurspécifique;
2) la simulation du régimethermique du pergélisol à l’aide d’un nouveau modèle géothermique de simulation numérique unidimensionnel spécifiquement adapté aux paramètres thermiques mesurés précédemment qui dépendent de la cryostratigraphie, des propriétés physiques et de la température interne du pergélisol;
3) le développement d’un nouveau système de poussée linéaire pour la réalisation d’essai de pénétration au cône (CPT) à taux de déformation contrôlé pour la caractérisation in situdu comportement mécanique du pergélisol;
4) le développement d’un système d’acquisition automatique dedonnées lors d’un essai de pénétration au cône pour faire le suivien temps réel de saprogression
5) l’élaboration d’une méthodologie suite au développement précédent pour étudier la cryostratigraphie du pergélisolainsi que pour caractériser la résistance à la pénétration et le comportement au fluage du pergélisolen relation avec le réchauffement saisonnier;
6) la définition des lois constitutives du comportement rhéologique dupergélisol, du point de vue mécanique, en fonction des propriétés physiques et de la température;
7) et l’intégration de ces lois constitutives dans le modèle géothermique 1D afin de prédire quantitativement l’affaiblissement au réchauffement du pergélisol.
Le systèmede poussée linéaire a été conçuetdéveloppé à l’automne 1998, à l’hiver et à l’été 1999. La technologie des vis sans fin (actuators en anglais) asserviespardesservo
moteurs de la compagnie Thomson Saginaw aux Etats-Unis a été choisie. Le pénétromètre a été acquis directement du fournisseur; Applied Research Associâtes inc. ou Vertek. Il comprend les cellules de chargementpourmesurer la résistance à la pointe et le frottement mobilisé le long dufutdu pénétromètre, des capteurs en températurede la pointe et de l’inclinaison de pénétromètre ainsi qu’un module de quatre électrodes métalliques pour mesurer la résistivité électrique in situ des matériaux pénétrés. Lors d’un essai de pénétration au cône, tous ces paramètres sont mesurés automatiquement selon un intervalle de temps choisi par l’opérateur. L’enfoncement du pénétromètre dans le pergélisolest aussi mesuré à l’aide d’un capteur de déplacement. Un instrument virtuel a également été développé en 1999 en langage de programmation orienté-objet HP-VEE, permettant de faire le suivi en temps réel de la progression de l’essai de pénétrationau cône dans le pergélisol.
Le site d’étude est une butte de pergélisol dans la Vallée des Trois à proximité du village Inuitd’Umiujaq au Nunavik, Québec. Il s’agitd’une forme périglaciaire riche en glace commune dans la zone de pergélisol discontinu que l’on retrouve dans les sédiments fins gélifs de lamer deTyrrell (Allard etSeguin, 1987a). Labutteétudiée est caractérisée parun diamètre de près de 30 m, une élévation d’environ 14 m parrapport au niveau des lits des cours d’eau environnants, unmollisol d’une épaisseur de 1,5m et unpergélisol atteignant une profondeur de22,5m.
Pour atteindre l’ensemble des objectifs précédents, une méthodologie efficace ainsi qu’un échéancier bien structuré ont été nécessaire. À l’été 1999, un câble à thermistances de plus de 12 , dont la lecture automatique est assurée par une station météorologique ainsi que 7 sondes pour la mesure manuelle de la conductivité thermique (Goodrich, 1986) et de la teneur en eau non gelée (Top et al., 1980) ont été enfouis en permanence dans le mollisol et la couche supérieure du pergélisol. Au total, 21 ancrages ont aussi été foncés en 1999 dans la butte de pergélisol afin de fournir la réaction nécessaire lors des essais de pénétration au cône dans le pergélisol, de 8 m de profondeur en moyenne et pouvant atteindre une profondeur limite de 24 m. Durant cette campagne de terrain, le nouveau système de poussée linéaire et le pénétromètre ainsi que différentes méthodologies ont été testées autant pour produire des profils stratigraphiques que pour l’étude du comportement au fluage du pergélisol. Suite à cette campagne, certains ajustements ont étéfaits au niveau du système de poussée linéaire et
le traitement des différentsrésultats alors obtenus a permis d’évaluer la méthodologie la plus adéquate pour l’étude des propriétés mécaniques du pergélisol. L’étude de terraina été réalisée au printemps 2000 afin de faire le suivi de l’évolution des différentes propriétés avec le dégel du mollisol et le réchauffement dupergélisol. La méthodologie qui inclut un carottage atteignant une profondeur de 2 à3 m,lalecture des sondes TDR et à conductivité thermique, un essai de pénétration aucône à plusde 8 m de profondeur pour obtenir le profil stratigraphique ainsi qu’un minimum de quatre essais de pénétration aucône parpaliers à différentes profondeurs de 0 à 3 m pour caractériser le comportement au fluage a donc été répétée sur une base hebdomadairement tout au long de la campagne deterrain. Cette méthodologie a été effectuée à huit reprises lors de la campagne de terrain qui s’est déroulée du 3 mai au 3 juillet 2000. Les CPTs profonds nécessitaient unejournée complète de travail tandis que les essaispar palierspouvaient prendre de 2 à 4heures. Ces derniers essais permettent d’évaluer la dépendance de la résistance à la pénétration du sol avec le taux de pénétration du cône pour une couche de sol aux propriétés mécaniques constantes.
Lorsque le traitement de l’ensembledes résultats portant sur les propriétés physiques et thermiques de cette étude in situ a été achevé, la modélisation du régimethermique du pergélisol basée sur les différents acquis a été entreprise. La dernière étape consistaità introduire les comportements thermo-mécaniques déduits de l’ensemble des essais de pénétration aucône dans le modèle géothermique.
Le premier chapitre expose les différents résultats obtenus du suivi des propriétés physiques etthermiques lors duréchauffement saisonnier du printemps 2000. En outre, le modèle géothermique développé dans le présent projet y est décrit et les résultats de la simulation numérique sur l’évolution du comportement thermique du pergélisol en réponse à différents scénarios de changement climatique y sont discutés. Le deuxième chapitre présente le nouveau système de poussée linéaire ainsi que l’ensemble de l’appareillage utilisé pour effectuer les essais de pénétration au cône à taux de pénétration contrôlé. Différents résultats dont un profil cryostratigraphique profond et les essais par paliers sont présentés dans ce chapitre. L’interprétation éclairée de ces essaisnécessitait les résultats desmesures physiques et thermiques quiontétéprésentés dans le chapitre précédent. Enfin, le chapitre 3 porte sur les relations thermo mécaniques qui ont pu être déduites des différents essais ainsi que les prévisions de
l’évolution de la résistance mécanique du pergélisol suite à différents réchauffements climatiques hypothétiques. L’ensemble du travail de recherche est globalement évalué par rapport aux objectifs de départ dans la conclusion. Différentes recommandations pour la suite éventuelle du projet sont finalement émises.
SIMULATION DU RÉGIME THERMIQUE DU PERGÉLISOL
Afin de pouvoir prédire l’évolution thermique future du pergélisol, son état passé et actuel doit être précisément reproduit par une méthode de simulation numérique appropriée aux applications projetées. En effet, comme le but poursuivi par la présente étude est de poser un diagnostic clair sur l’état futur de certaines formes de pergélisol présentes dans les zones de pergélisol discontinu, les propriétés physiques spécifiques du pergélisol ciblé ainsi que des échelles spatiale et temporelle fines doivent être utilisées dans le modèle numérique.
La méthode utilisée dans le présent travail pour simuler le régime thermique du pergélisol est basée sur une méthode numérique de différences finies représentant les mécanismes de transfert de chaleur en 1D dans le pergélisol et alimentée par des mesures in situ de différentes propriétés physiques et thermiques du site d’étude; une butte de pergélisol près de la communauté Inuit d’Umiujaq au Québec nordique. La prise de mesures s’esteffectuée sur une base hebdomadaire du 6 mai au 1erjuillet 2000 lors du réchauffement saisonnier de la couche supérieure de la butte de pergélisol, afin
