• Aucun résultat trouvé

Influence du soulèvement au gel sur la durée de vie utile des chaussées

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Influence du soulèvement au gel sur la durée de vie utile des chaussées"

Copied!
212
0
0

Texte intégral

(1)

Influence du soulèvement au gel sur la durée de vie utile

des chaussées

Mémoire

Olivier Sylvestre

Maîtrise en génie civil

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

(2)

Influence du soulèvement au gel sur la durée de vie utile

des chaussées

Mémoire

Olivier Sylvestre

Sous la direction de :

Guy Doré, directeur de recherche

(3)

iii

Résumé

En régions froides, les chaussées flexibles sont constamment soumises aux effets combinés des charges dynamiques induites par le trafic et de l’action du gel. Le soulèvement au gel dû à la formation de lentilles de glace dans le sol d’infrastructure est l'un des principaux mécanismes de dégradation impliqués dans l’accroissement du taux d’endommagement des infrastructures de transport. La relation entre la durée de vie des chaussées et les différents mécanismes de dégradation tels que la variabilité de la gélivité des sols, les charges associées aux effets du trafic, la capacité structurale des chaussées et l'effet de la fissuration est complexe à établir en régions nordiques où le soulèvement au gel joue un rôle majeur dans la détérioration des chaussées. L'objectif principal de ce projet est de présenter le développement de modèles d’endommagement de chaussée flexibles, développés grâce à une analyse de régression linéaire multiple, associant la performance de l’uni à long terme au soulèvement au gel et aux divers mécanismes de dégradation. Ces modèles seront essentiels pour évaluer les avantages ou les conséquences d'un soulèvement du gel inférieur, égal ou supérieur aux seuils admissibles établis par le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports (MTMDET) du Québec selon les classes fonctionnelles routières.

Le projet montre qu'une augmentation significative du taux de détérioration des chaussées flexibles, généralement causée par de grands soulèvements et d’importantes variations de la gélivité des sols, est susceptible de contribuer à accélérer la dégradation des chaussées. Ce qui se traduit par une réduction de la durée de vie et par des besoins de réhabilitation plus importants. Ce projet permettra aux administrations routières et aux entrepreneurs d'adapter les conceptions des infrastructures de transport soumises à l'action du gel en fonction de leurs besoins et leurs objectifs de conception et de mieux comprendre les effets du gel sur la détérioration des chaussées.

(4)

iv

Summary

In cold regions, flexible pavements are constantly submitted to the effects of climate combined with the repeated traffic loads effect. The frost heave of the subgrade soils due to formation of ice lens is among the main mechanism involved in the high degradation rate of the flexible pavement. The relationship between pavement service life and the various pavement degradation mechanisms such as the soil variability, the effects of traffic, the pavement structural capacity and the effect of cracking, is complex to establish in cold regions where frost heave plays a major role in pavement deterioration. The main goal of this project is to present the development of flexible pavement damage models, developed through a multiple linear regression analysis, associating the long-term roughness performance to frost heave and several degradation mechanisms. At a design stage, those models would be essential to evaluate the benefits or consequences to have a frost heave lower, equal or higher than the allowable threshold values established by the Ministère des Transports, de la Mobilité Durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) du Québec according to the roads functional classification.

The result illustrated that a significant increase in long-term IRI deterioration rate, usually caused by a more variable subgrade soil, is likely to contribute to the rehabilitation of the pavements before the end of the initial pavement service life. This project will allow the road administrations and contractors to adapt the designs of road infrastructure subjected to frost action according to their needs and design objectives, and to better understand to effect of frost heave on pavement deterioration.

(5)

v

Table des matières

Résumé ... iii

Summary ... iv

Table des matières ... v

Liste des tableaux ... viii

Liste des figures ... ix

Liste des variables et abréviations ... xii

Remerciements ... xvi

Chapitre 1 : Introduction, Problématique et Objectifs ... 1

1.1 Mise en contexte, problématique et objectifs ... 1

1.2 Structure du document ... 4

Chapitre 2 : Revue de la littérature ... 5

2.1 Structure des chaussées ... 5

2.2 Dégradation des chaussées ... 7

2.3 L’action du gel dans les sols ... 13

2.3.1 Effet de la température sous le point de congélation ... 13

2.3.2 Comportement de l’eau ... 17

2.3.3 Gélivité des sols ... 21

2.4 Formation des lentilles de glace ... 25

2.5 Soulèvement au gel différentiel ... 31

2.5.1 Les types de soulèvements ... 31

2.5.2 Modèles d’estimation du soulèvement au gel différentiel longitudinal ... 34

2.5.3 Estimation du soulèvement au gel ... 38

2.6 L’uni des chaussées ... 39

2.6.1 L’indice de Rugosité International... 39

2.6.2 Modèles de prédiction de l’IRI ... 43

2.6.3 Relation entre le ΔIRILT et le soulèvement au gel ... 45

(6)

vi

2.8 Alternative de recherche ... 53

2.9 Conclusion ... 54

Chapitre 3 : Méthodologie ... 55

Chapitre 4 : Base de données et manipulations sur les données brutes ... 59

4.1 Base de données principale pour le développement des modèles ... 59

4.1.1 Manipulations sur les données brutes du MTMDET ... 59

4.1.1.1 Taux d’endommagement annuel de l’IRI à long terme ... 60

4.1.1.2 Période d’analyse et IRIinitial ... 61

4.1.1.3 Indices de performance des fissures transversales et de fatigue ... 61

4.1.1.4 Soulèvement au gel ... 64

4.1.1.5 ÉCASannuel ... 65

4.1.1.6 ÉCASde conception annuel ... 66

4.1.1.7 Structure de chaussée et épaisseur de revêtement... 67

4.1.1.8 Coefficient de variabilité de la gélivité des sols ... 67

4.1.2 Résumé statistique de la base de données de développement ... 68

4.2 Base de données secondaire pour la validation des modèles ... 69

4.2.1 Base de données du MTMDET ... 69

4.2.2 Base de données LTPP ... 70

4.2.3.1 Description des relevés ... 72

Chapitre 5 : Développement des modèles d’endommagement ... 80

5.1 La régression linéaire multiple ... 80

5.2 Modèles préliminaires d’endommagement ... 82

5.2.1 Matrice de corrélation pour les modèles préliminaires ... 82

5.2.2 Développement préliminaire des modèles d’endommagement ... 84

5.3 Modèles d’endommagement ajustés ... 86

5.3.1 Matrice de corrélation pour les modèles ajustés ... 87

5.3.2 Développement des modèles ajustés ... 88

5.4 Évaluation de la performance des modèles ... 92

(7)

vii

Chapitre 6 : Validation des modèles d’endommagement ... 100

6.1 Base de données de validation ... 100

6.2 Validation des modèles ... 101

6.3 Analyse de l’écart entre les valeurs mesurées et calculées ... 102

6.4 Calage des modèles ... 104

6.5 Modèles finaux d’endommagement ... 105

Chapitre 7 : Discussion ... 107

7.1 Revue critique ... 107

7.2 Applications pratiques ... 109

7.2.1 Évaluation de la durée de vie résiduelle d’une chaussée en service (modèle 1) ... 110

7.2.2 Évaluation de la durée de vie à la conception (modèle 2) ... 112

7.3 Piste de recherche future ... 115

Chapitre 8 : Conclusion ... 117

Références... 119

Annexe A. Pourcentages d’endommagement accordés au trafic et au climat en milieu nordique ... 123

Annexe B. Sections utilisées pour le développement des modèles ... 124

(8)

viii

Liste des tableaux

Tableau 2.1 - Classification de la sensibilité au gel des sols [modifié de Casagrande (1948)] ... 23

Tableau 2.2 - Indice de gélivité des chaussées au Québec (Langevin, 2002) ... 24

Tableau 2.3 – Valeurs pour le coefficient de la variabilité des sols, CVG (Bilodeau & Doré, 2013) 38 Tableau 2.4 - Seuils de déficience du Ministère des Transports du Québec (Bergeron, 2005) ... 42

Tableau 2.5 - Gélivité des chaussées en fonction du ΔIRI hiver-été du MTMDET (St-Laurent, 2010) ... 42

Tableau 2.6 - Critères de soulèvement du MTQ et de la Finlande (Doré & Zubeck, 2009) ... 51

Tableau 4.1- Coefficient de variabilité pour les sols en milieu rural et urbain (Bilodeau et Doré 2013) ... 68

Tableau 4.2 - Résumé statistique de la base de données de développement ... 69

Tableau 4.3 - Structure de chaussée du boulevard Robert-Bourassa ... 75

Tableau 4.4 - Structure de chaussée du boulevard Champlain ... 77

Tableau 4.5 - Structure de chaussée du Chemin Royal ... 78

Tableau 4.6 – Résumé statistique de la base de données de validation ... 78

Tableau 5.1 - Matrice de corrélations utilisée dans le développement des modèles préliminaires .... 83

Tableau 5.2 - Matrice de corrélations utilisée dans le développement des modèles ajustés ... 87

Tableau 5.3 - Analyse de la variance pour les deux modèles d’estimation développés ... 93

Tableau 5.4 - Analyse des variables complexes en fonction de la valeur P ... 94

Tableau 5.5 - Synthèse des résultats de l’analyse de sensibilité sur la variation du ΔIRILT ... 98

Tableau 7.1 – Seuils de déficience utilisés par le MTMDET... 110

Tableau 7.2 - Paramètres d’entrée pour le premier exemple d’application ... 111

Tableau 7.3 - Paramètres d’entrée pour le deuxième exemple d’application ... 113

Tableau A.1 - Sommaire des pourcentages de dégradation accordés au trafic et au climat selon différentes sources (Doré et al., 2005) ... 123

(9)

ix

Liste des figures

Figure 2.1 - Structure typique d'une chaussée [modifiée de Doré et Zubeck (2009)] ... 6

Figure 2.2 - Évolution de la capacité portante de support des chaussées (Ministère des Transports du Québec, 2007) ... 10

Figure 2.3 - Affaissement de la chaussée en période de dégel (Ministère des Transports du Québec, 2007) ... 11

Figure 2.4 - Exemples de lézarde et de soulèvements différentiels (MTMDET, 2007) ... 12

Figure 2.5 - Paramètre de correction de l'équation de Berggren modifiée (Andersland & Ladanyi, 2004) ... 16

Figure 2.6 - Représentation de l’eau interstitielle dans les sols (Konrad & Duquennoi, 1993) ... 18

Figure 2.7 - Relations typiques de la teneur en eau et de la température de l'eau pour différents sols [de Konrad (2001) et modifiée de Nordal & Refsdal (1994)] ... 19

Figure 2.8 - Illustration de la frange gelée (Konrad & Morgenstern, 1983) ... 20

Figure 2.9 – Conditions dans un sol gelé (Konrad, 1999) ... 27

Figure 2.10 - Schéma de la formation des lentilles de glace avec la progression du front de gel [modifiée de Konrad & Morgenstern (1980)] ... 29

Figure 2.11 - Mécanisme du soulèvement différentiel transversal (Ministère des Transports du Québec, 2007) ... 32

Figure 2.12 - Soulèvement de fissures par contamination au sel (Doré & Zubeck, 2009) ... 34

Figure 2.13 - Paramètres considérés dans le calcul du facteur de variabilité longitudinal (Doré G. , 1997) ... 35

Figure 2.14 - Variogramme typique (Doré G. , 1997)... 36

Figure 2.15 - Modèle mécanique du corps de véhicule (Sayers & Karamihas, 1998)... 40

Figure 2.16 - Variation de l'IRI en fonction du type de route (Sayers & Karamihas, 1998) ... 41

Figure 2.17 - Relation entre le soulèvement au gel et l’évolution annuelle de l’IRI (ΔIRILT) (Doré & Zubeck, 2009) ... 46

Figure 2.18 - Relation entre la variation saisonnière de l’IRI et l’évolution annuelle de l’IRI (ΔIRILT) (St-Laurent, 2012) ... 47

Figure 2.19 - Relation entre le soulèvement au gel et la variation saisonnière de l’IRI (St-Laurent, 2012) ... 48

Figure 2.20 - Protection partielle au gel (St-Laurent, 2012) ... 52

Figure 4.1- Exemple de détermination de la dégradation annuelle de l’IRI à long terme... 60

Figure 4.2 - Exemple de détermination du taux de détérioration des indices de performance pour les fissures de fatigue et transversales ... 62

Figure 4.3 - Convertisseur spécifique aux fissures transversales ... 63

Figure 4.4 – Convertisseur spécifique à la fissuration par fatigue ... 63

Figure 4.5 - Exemple de mesure manuelle du soulèvement au gel pour la section de Chelsea en 2010 ... 65

Figure 4.6 - Profilomètre portatif de SurPRO ... 74

Figure 4.7 - Plan de localisation du site sur le boulevard Robert-Bourassa ... 75

Figure 4.8 - Plan de localisation du site sur le boulevard Champlain ... 76

(10)

x

Figure 5.1 - Valeurs prédites en fonction des valeurs mesurées pour les deux modèles d’estimation

développés (Sylvestre et al., 2017) ... 91

Figure 5.2- Résultats de l’analyse de sensibilité sur la variation du ΔIRILT ... 97

Figure 6.1 - Valeurs prédites en fonction des valeurs mesurées pour les deux modèles de prédiction validés ... 101

Figure 6.2 - Valeurs prédites et mesurées pour les deux modèles de prédiction suite au processus de validation ... 105

Figure 7.1 - Exemple de l’évolution de l’IRI d’une chaussée souple à l’aide des paramètres de performance récoltés durant les premières années de la mise en service ... 112

Figure 7.2 - Exemple d’évolution du taux d’endommagement en fonction du soulèvement au gel et du coefficient de variabilité de la gélivité des sols d’infrastructure ... 114

Figure B.1 - Données brutes section 00214-01-050 8+200 à 8+600 (MTMDET) ... 125

Figure B.2 - Données brutes section 00214-01-050 9+300 à 9+500 (MTMDET) ... 126

Figure B.3 - Données brutes section 00214-01-050 0+350 à 0+550 (MTMDET) ... 127

Figure B.4 - Données brutes section 00214-01-050 3+600 à 4+0000 (MTMDET) ... 128

Figure B.5 - Données brutes section 0143-03-030 3+290 à 3+700 (MTMDET) ... 129

Figure B.6 - Données brutes section 00283-01-130 3+150 à 3+450 (MTMDET) ... 130

Figure B.7 - Données brutes section 00283-01-130 4+450 à 5+750 (MTMDET) ... 131

Figure B.8 - Données brutes section 00269-01-110 0+300 à 0+600 (MTMDET) (1) ... 132

Figure B.9 - Données brutes section 00269-01-110 0+300 à 0+600 (MTMDET) (2) ... 133

Figure B.10 - Données brutes section 86850-01-010 2+850 à 3+050 (MTMDET) ... 134

Figure B.11 - Données brutes section 86850-01-010 1+400 à 1+600 (MTMDET) ... 135

Figure B.12 - Données brutes section 0277-01-050 3+300 à 3+500 (MTMDET) ... 136

Figure B.13 - Données brutes section 0277-01-050 4+700 à 4+900 (MTMDET) ... 137

Figure B.14 - Données brutes section 0349-01-101 2+090 à 2+400 (MTMDET) (1) ... 138

Figure B.15 - Données brutes section 0349-01-101 2+090 à 2+400 (MTMDET) (2) ... 139

Figure B.16 - Données brutes section 0349-01-101 2+400 à 2+510 (MTMDET) ... 140

Figure B.17 - Données brutes section 47788-01-000 0+075 à 0+175 (MTMDET) ... 141

Figure B.18 - Données brutes section 47788-01-000 1+175 à 1+285 (MTMDET) ... 142

Figure B.19 - Données brutes section 47788-01-000 4+000 à 4+2000 (MTMDET) ... 143

Figure B.20 - Données brutes section 47788-01-000 5+500 à 5+750 (MTMDET) ... 144

Figure B.21 - Données brutes section 00269-01-142 4+400 à 4+600 (MTMDET) ... 145

Figure B.22 - Données brutes section 0283-01-091 5+000 à 5+250 (MTMDET) ... 146

Figure B.23 - Données brutes section 0283-01-091 5+400 à 5+550 (MTMDET) ... 147

Figure B.24 - Données brutes section 0283-01-091 5+250 à 5+400 (MTMDET) ... 148

Figure B.25 -Données brutes section 0259-01-110 0+525 à 0+750 (MTMDET) ... 149

Figure B.26 - Données brutes section 0108-02-100 3+150 à 3+350 (MTMDET) ... 150

Figure B.27 – Données brutes section 0108-02-100 1+700 à 1+900 (MTMDET) ... 151

Figure B.28 - Données brutes section 00105-01-030 2+800 à 2+950 (MTMDET) (1) ... 152

Figure B.29 - Données brutes section 00105-01-030 2+800 à 2+950 (MTMDET) (2) ... 153

Figure B.30 – Données brutes section 00105-01-030 2+400 à 2+550 (MTMDET) (1)... 154

Figure B.31 - Données brutes section 00105-01-030 2+400 à 2+550 (MTMDET) (2) ... 155

Figure B.32 - Données brutes section 00105-01-030 1+650 à 1+800 (MTMDET) (1) ... 156

(11)

xi

Figure B.34 - Données brutes section 0108-02-190 1+150 à 1+300 (MTMDET) ... 158

Figure B.35 - Données brutes section 32770-02-020 8+460 à 8+610 (MTMDET) ... 159

Figure B.36 - Données brutes section 87650-01-021 1+310 à 1+680 (MTMDET) ... 160

Figure B.37 - Données brutes section 87650-01-021 7+100 à 7+400 (MTMDET) ... 161

Figure B.38 - Données brutes section 0040-04-081 2+430 à 2+630 (MTMDET) ... 162

Figure B.39 - Données brutes section 00343-02-090 0+450 à 0+800 (MTMDET) ... 163

Figure B.40 - Données brutes section 0040-04-081 0+200 à 0+500 (MTMDET) ... 164

Figure B.41 - Données brutes section 37570-01-000 2+070 à 2+230 (MTMDET) ... 165

Figure B.42 - Données brutes section 37570-01-000 2+600 à 2+750 (MTMDET) ... 166

Figure B.43 - Données brutes section 37570-01-000 1+000 à 1+200 (MTMDET) ... 167

Figure B.44 - Données brutes section 0271-01-181 0+745 à 0+995 (MTMDET) ... 168

Figure B.45 - Données brutes section 0131-01-020 1+900 à 2+050 (MTMDET) ... 169

Figure B.46 - Données brutes section 0131-01-020 4+050 à 4+200 (MTMDET) ... 170

Figure B.47 - Données brutes section 015-03-110 0+100 à 0+400 (MTMDET) ... 171

Figure B.48 - Données brutes section 0269-01-131 0+850 à 1+050 (MTMDET) ... 172

Figure B.49 - Données brutes section 00337-02-090 4+800 à 4+950 (MTMDET) ... 173

Figure C.1 - Données brutes section 015-03-110 0+300 à 0+400 (MTMDET) ... 175

Figure C.2 - Données brutes section 78363-02-000 0+600 à 0+800 (MTMDET) ... 176

Figure C.3 - Données brutes section 85390-01-202 1+000 à 1+200 (MTMDET) ... 177

Figure C.4 - Données brutes section 132-06-051 2+900 à 3+100 (MTMDET) ... 178

Figure C.5 - Données brutes section 0143-02-095 0+700 à 0+900 (MTMDET) ... 179

Figure C.6 - Données brutes section 161-01-070 2+800 à 3+200 (MTMDET) ... 180

Figure C.7 - Données brutes section 161-01-190 4+4990 à 5+230 (MTMDET) ... 181

Figure C.8- Données brutes section 0321-03-090 2+020 à 2+320 (MTMDET) ... 182

Figure C.9 - Données brutes section 0321-03-090 2+020 à 2+320 (MTMDET) ... 183

Figure C.10 - Données brutes section 0352-01-082 1+100 à 1+500 (MTMDET) ... 184

Figure C.11 - Données brutes section 0117-02-101 0+310 à 0+610 (MTMDET) ... 185

Figure C.12 - Données brutes section 26-1012 (LTPP) ... 186

Figure C.13 - Données brutes section 33-1001 (LTPP) ... 187

Figure C.14 - Données brutes section 84-1684 (LTPP) ... 188

Figure C.15 - Données brutes section 50-1004 (LTPP) ... 189

Figure C.16 - Données brutes section 87-1620 (LTPP) ... 190

Figure C.17 - Données brutes section 87-1622 (LTPP) ... 191

Figure C.18 - Données brutes section 87-1806 (LTPP) ... 192

Figure C.19 - Données brutes section 83-1801 (LTPP) ... 193

Figure C.20 - Données brutes section 42740-005-000 (Relevé de terrain) ... 194

Figure C.21 - Données brutes section 42740-005-000 (Relevé de terrain) ... 195

(12)

xii

Liste des variables et abréviations

AASHTO : Americain Association of State Highway and Transportation Officials Age : Âge du revêtement, période de conception, période d’analyse

ANOVA : Analysis of variance

CA : Coefficient d’agressivité des camions C0 : Effet pépite

CV : Capacité thermique volumétrique

CVG : Coefficient de variabilité de la gélivité des sols d : Épaisseur de la frange gelée

D : Épaisseur de la structure de chaussée dh / dt : Taux de soulèvement au gel

Dpw / dT : Différence de pression d’eau à l’intérieur de la frange gelée dT / dX : Gradient thermique

DJMA : Débit journalier moyen annuel dVi : Gonflement du volume d’eau interstitiel ÉCASA : Nombre d’ÉCAS moyen annuel

ÉCASDA : Nombre d’ÉCAS moyen annuel de dimensionnement FCTotal : Aire totale des fissures de fatigue

FIS : Indice de gel de surface

FWD : Déflectomètre à masse tombante

Grad Tf : Gradient thermique dans la frange gelée h : Soulèvement au gel

HBB : Épaisseur de revêtement bitumineux HP : Épaisseur totale de la chaussée IG : Indice de gel

IGn : Indice de gel normal

IRI : International Roughness Index (Indice de Rugosité International) IRImax : Valeur d’IRI en période de gel maximal

IRI0 : IRI initial

ΔIRI : Différence d’IRI entre l’hiver et l’été

(13)

xiii ΔIRId : Augmentation de l’IRI due dégradations

ΔIRIF : Augmentation de l’IRI due au soulèvement au gel du sol d’infrastructure ΔIRIS : Augmentation de l’IRI due au gonflement du sol d’infrastructure

IRI0 : IRI initial au début de la période d’analyse et/ou de conception K

̅f : Perméabilité moyenne des sols LCPC : Inclinomètre

Ls : Chaleur latente de fusion du sol Lw : Chaleur latente de l’eau

LTPP : Long-Term Pavement Performance

MEPDG: Mechanistic Empirical Pavement Design Guide MR Infra : Module reversible des sols d’infrastructure

MTMDET : Ministère des Transports, de la Mobilité Durable et de l’Électrification des Transports

PI : Indice de plasticité Pu : Pression au front de gel

Pw : Pression au front de ségrégation q : Flux de chaleur

q- : Flux de chaleur qui traverse la couche gelée vers la surface à partir du front de gel q+ : Flux de chaleur géothermique

qf : Flux de chaleur du changement de phase de l'eau à la glace

qs : Flux de chaleur de l'eau gelée qui migre du sol non gelé vers le front de ségrégation RC : Profondeur d’orniérage

R2 : Coefficient de corrélation

RMSE : Root Mean Square Error (Erreur quadratique moyenne) ri,w : Rayon de courbure à l’interface entre l’eau et la glace SF : Facteur de site

S0 : erreur standard SN : Nombre structural SP : Potentiel de ségrégation Sr : Degré de saturation tf : période de gel du sol

(14)

xiv TC : Fissures transversales

TC : Température à la surface Tl : Température du front de gel

TS : Température au front de ségrégation

T : Température au-dessus du point de congélation T0 : Température de gel

VL : Indice de variabilité longitudinale

vt : Vitesse totale de migration de l’eau interstitielle Vfn : Vitesse de remontée capillaire

Vuc : Vitesse de succion lors de la consolidation

Vu : Vitesse de succion par rapport à une source externe Vi : Volume de glace

Vw : Volume de l’eau Wf : Teneur en eau gelée X : Profondeur de gel

Y : Variable dépendante mesurée Ŷ : Variable dépendante calculée Ȳ : Moyenne des valeurs de Y Z : Profondeur maximale de gel

ZR : déviation normale associée à la fiabilité ZS : Déplacement de la masse suspendue (châssis)

ZU : Déplacement de la masse non suspendue (essieu et roue) α : Rapport thermique

β : facteur de correction λ : Conductivité thermique µ : Paramètre de fusion ρd : Masse volumique sèche ρi : Masse volumique de la glace ρw : Masse volumique de l’eau

σi,w : Contrainte exercée à l’interface entre l’eau et la glace

(15)

xv

ΔhL : Flèche de l’onde qui correspond à l’amplitude de soulèvement

ΔIPF : Taux de détérioration des indices de performance de la fissuration de fatigue ΔIPT : Taux de détérioration des indices de performance de la fissuration transversale %VL : Pourcentage de véhicules lourds

(16)

xvi

Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de recherche et titulaire de la chaire de recherche industrielle i3c, monsieur Guy Doré, pour m’avoir proposé un projet stimulant et formateur. Je désire lui présenter mes remerciements les plus sincères pour ses conseils judicieux, son support ainsi que pour la confiance démontrée à mon endroit tout au cours de mon projet.

Je tiens également à remercier monsieur Jean-Pascal Bilodeau pour sa disponibilité, son encadrement et son soutien technique quotidien dans les différentes étapes de mon projet sans quoi, je n’aurais pu accomplir ces travaux de recherche.

Je souhaite aussi souligner le soutien offert par tout le personnel et les étudiants de la chaire de recherche et plus particulièrement à Christian Juneau pour m’avoir aidé à structurer mes travaux de terrain et accompagné lors de ces mêmes travaux.

Je remercie le groupe de recherche de la Norwegian University of Science and Technology (NTNU) et, spécifiquement, ma superviseure immédiate, Elena Kuznetsova, pour leur accueil et leur soutien.

Je suis également reconnaissant envers le personnel du MTMDET pour avoir fourni les accès aux bases de données essentielles à la réalisation du projet de recherche.

Finalement, je souhaite remercier mes parents, ma famille et mes amis pour leur support moral et leurs encouragements tout au long de la réalisation de mon projet.

(17)

1

Chapitre 1 : Introduction, Problématique et Objectifs

1.1 Mise en contexte, problématique et objectifs

Dans les régions nordiques, le comportement des chaussées flexibles est grandement influencé par l’action du gel et ce phénomène est très important à considérer lors de la conception d’ouvrages routiers. Les effets du gel sur les réseaux routiers peuvent induire une augmentation notoire du taux d’endommagement et conduire à des coûts élevés de réhabilitation dus à la nécessité d’effectuer des interventions profondes. En territoires nordiques, les effets du gel saisonnier peuvent contribuer jusqu’à environ 75% de la dégradation des chaussées (Doré et al., 2005). Cependant, une meilleure compréhension du phénomène, développée au cours des dernières années, a permis de bonifier la gestion des infrastructures routières assujetties aux effets climatiques afin de réduire la vitesse de détérioration de l’ensemble du réseau routier québécois et de maintenir celui-ci à des standards élevés.

Dans la province de Québec, des soulèvements au gel à la surface des chaussées pouvant atteindre dans les cas extrêmes jusqu’à 200 mm sont attribués au gonflement de la structure de chaussée et à la formation de glace de ségrégation au niveau du sol d’infrastructure (Doré G. , 1997). La formation de ces lentilles de glace demeure la principale source de soulèvement au gel répertorié sur le réseau routier. Les soulèvements à l’intérieur de la structure de chaussée sont très minimes en raison, entre autres des matériaux non gélifs utilisés à l’intérieur de celle-ci. La formation de ces lentilles de glace au niveau du sol d’infrastructure est favorisée par la combinaison de trois éléments et ceux-ci sont, malheureusement, tous présents sur une grande partie du territoire québécois. Le premier d’entre eux est la température sous le point de congélation à la surface du sol en conditions hivernales. Le second élément est lié aux importantes quantités annuelles de précipitations qui tombent sous forme de neige ou de pluie et qui contribuent à des profondeurs de nappe phréatique généralement assez faible, ce qui contribue à la disponibilité de sources d’eau pour alimenter la formation des lentilles de glace. Le contexte géologique du Québec qui impose des sols variables et généralement sensibles au gel est le dernier élément favorisant la formation des lentilles de glace. La

(18)

2

combinaison coordonnée d’un sol gélif, d’une alimentation en eau et de températures sous le point de congélation contribue à accélérer le processus de dégradation de notre réseau routier en accentuant les effets du gel sur les chaussées. Lorsqu’un de ces trois éléments est manquant, les effets du gel sur les structures de transports sont ne sont pas significatifs.

Les soulèvements au gel sont néfastes pour le confort des usagers et réduisent considérablement la durée de vie des infrastructures de transport. Ils sont d’autant plus dommageables lorsque ces phénomènes sont inégaux à quelques mètres d’intervalle et qu’ils dépassent les valeurs seuils du soulèvement établies empiriquement par le Ministère des Transports, de la mobilité durable et de l’électrification des transports (MTMDET) pour les différentes classes fonctionnelles de route. Les déformations permanentes dans la structure des chaussées et les distorsions à la surface du revêtement répertoriées suite aux nombreux cycles de gel et de dégel réduisent considérablement les capacités structurales et fonctionnelles des chaussées (Doré et al., 1999).

De plus, le gel ne représente pas l’unique mécanisme de dégradation qui entraine une réduction significative de la durée de vie des chaussées prévue lors de la conception. Différents mécanismes de dégradation, tels que les effets du trafic, endommagent les chaussées et les répercussions de ces phénomènes combinées aux effets climatiques peuvent accélérer le taux d’endommagement des réseaux routiers en territoires nordiques. Présentement, au Québec, lorsqu’il est question de la protection des infrastructures de transport contre les effets du gel, le MTMDET utilise en combinaison une méthode empirique et une méthode mécaniste-empirique afin de déterminer l’épaisseur de chaussée requise. La plus forte valeur obtenue avec ces deux méthodes gouverne la protection au gel. La méthode empirique repose sur une protection partielle des infrastructures et elle est basée sur l’expérience des ingénieurs. Elle constitue en fait la protection minimale prescrite. La méthode mécaniste-empirique est basée sur le calcul d’un soulèvement au gel théorique. Cette dernière méthode de dimensionnement au gel utilise l’approche Saarelainen-Konrad qui calcule la pénétration au gel quotidiennement, en utilisant typiquement les données climatiques associées à un hiver ayant une période

(19)

3

de retour égal à 0,5 fois la période de conception, pour évaluer un soulèvement au gel à la surface de la chaussée. Ce soulèvement au gel théorique est alors comparé aux valeurs seuils admissibles fixées empiriquement par le MTMDET en fonction des classes fonctionnelles routières (St-Laurent, 2012). La limitation de cette technique est qu’elle ne permet pas d’évaluer les bénéfices ou les préjudices associés à l’obtention d’une valeur inférieure, égale ou supérieure aux seuils de soulèvements en termes de durée de vie. L’objectif principal du projet est donc de développer des modèles d’endommagement des chaussées flexibles associant le soulèvement au gel, les composantes associées à l’action du gel en milieu nordique et les divers mécanismes de dégradation, à la performance à long terme exprimée par la durée de vie. Il est actuellement difficile pour les concepteurs d’évaluer les répercussions sur la vie utile des chaussées d’un soulèvement au gel qui est inférieur ou supérieur aux seuils admissibles. Par conséquent, ces modèles deviendront les principaux outils d’évaluation des répercussions associées au respect ou non-respect des valeurs seuils de soulèvement établies par le MTMDET. Dans le but d’atteindre cet objectif principal, il y a trois objectifs spécifiques et essentiels à la réalisation de ce projet de recherche :

 Évaluer les effets du soulèvement au gel sur la durée de vie des chaussées par analyse de base de données et par relevés de terrain

 Évaluer et différencier les différents mécanismes de dégradation qui amplifient le taux de détérioration de l’uni des chaussées flexibles

 Développer des utilitaires d’aide à la conception basés sur les modèles d’endommagement développés

Le développement de ces modèles d’endommagement des chaussées flexibles permettra de réduire à long terme les distorsions résiduelles encourues sur le réseau routier québécois et, du même coup, de diminuer le taux de dégradation des ouvrages. La prédiction du comportement à long terme des chaussées, en milieux ruraux et urbains, est essentielle afin d’effectuer une conception adéquate et d’établir des plans de gestion concrets des infrastructures routières.

(20)

4

Pour ce faire, les bases de données bien documentées du MTMDET et du programme américain LTPP (Long-Term Pavement Performance) sont utilisées afin d’étudier la relation entre le soulèvement au gel, les différents mécanismes de dégradation et le taux de détérioration des chaussées. Elles permettront de développer et de valider les modèles d’endommagement exposés dans le cadre de ce projet. De plus, le suivi de 3 sections d’essai est effectué en parallèle afin de bonifier la qualité de la base de données utilisée à l’étape de la validation des modèles.

1.2 Structure du document

Ce mémoire est subdivisé en 8 chapitres distincts. Le premier chapitre, présenté ici même, décrit la problématique et les objectifs attendus dans le cadre de ces travaux. Le chapitre 2 contient une revue des connaissances détaillant les phénomènes reliés au soulèvement au gel et les répercussions de ceux-ci sur les infrastructures de transport. Par la suite, le chapitre suivant énonce la méthodologie suivie afin d’atteindre les objectifs du projet. Le chapitre 4 présente les données brutes et discute des manipulations effectuées sur celles-ci afin de développer les bases de données et les modèles d’endommagement désirés. Le chapitre 5 présente le développement des équations d’estimation obtenues à partir des diverses manipulations réalisées avec les bases de données. Ensuite, le chapitre 6 permet d’expliquer le processus de validation des modèles effectué avec une base de données indépendante et générée à cet effet. Le chapitre 7 comprend une discussion objective traitant des résultats obtenus et des voies possibles d’utilisation des modèles. Le dernier chapitre expose les différentes conclusions obtenues suite à la réalisation de l’étude. Les références ainsi que les annexes utilisées dans le cadre de ces travaux de recherche se retrouvent à la fin de l’ouvrage.

(21)

5

Chapitre 2 : Revue de la littérature

Ce chapitre propose une revue littéraire rassemblée à partir des ouvrages scientifiques liés à la dégradation des chaussées en milieu nordique. Il résume plusieurs documents qui font l’état des connaissances développées au cours des dernières années. Les mécanismes de dégradation de la structure de chaussée y sont décrits en détail. L’action du gel sur les sols et les matériaux de chaussée est analysée ainsi que son impact sur l’accélération du taux de dégradation des chaussées. Le concept de la vie utile des chaussées est abordé en termes de qualité de roulement et de capacité de support. Les méthodes de prédiction de l’Indice de Rugosité International (IRI), qui est l’un des paramètres clés étudiés au cours du projet, y sont également détaillées. Ce chapitre permet aussi d’identifier les critères de soulèvements admissibles utilisés lors de la conception.

2.1 Structure des chaussées

Afin de contribuer au développement des populations, les infrastructures de transport traversent différentes zones climatiques et géologiques dans le but d’assurer les déplacements, l’exploitation des ressources ainsi que l’occupation du territoire. Ces grandes structures linéaires réduisent les contraintes induites par le trafic et atténuent les effets climatiques, particulièrement en régions nordiques, à des niveaux tolérables en fonction des sols d’infrastructure. Ces infrastructures de transport sont constituées de structures de chaussée typiquement formées d’un système multicouche composé de différents matériaux ayant tous des caractéristiques différentes. Les structures de chaussées sont divisées en deux catégories distinctes soit, les chaussées rigides et les chaussés flexibles. Les structures des chaussées rigides sont formées par trois couches : une couche de roulement en béton de ciment potentiellement recouverte d’une couche d’enrobé bitumineux, une couche de fondation et un sol support (Boucart, 2003). Au Québec, les structures de chaussées rigides sont toujours déposées sur une couche de fondation. Ces chaussées rigides favorisent une meilleure répartition des charges induites par le passage répété des véhicules lourds.

La structure d’une chaussée souple se divise en trois couches : le revêtement (facultatif), la fondation et la sous-fondation (Doré & Zubeck, 2009). Le tout est construit

(22)

6

directement sur le sol d’infrastructure qui agit à titre de sol support. La Figure 2.1 représente un schéma type de la structure d’une chaussée.

Figure 2.1 - Structure typique d'une chaussée [modifiée de Doré et Zubeck (2009)]

La couche de revêtement permet de répartir les charges dynamiques lors du passage des véhicules à travers les différentes couches de la chaussée et d’améliorer le confort de roulement des véhicules. Lorsqu’elle est non fissurée, elle joue aussi un rôle important en termes d’étanchéité en empêchant l'infiltration des eaux de ruissellement, et en protégeant les couches inférieures des conditions climatiques. Cette couche est généralement constituée d’enrobé bitumineux (chaussée flexible) ou de béton de ciment (chaussée rigide).

La fonction première de la couche de fondation, qui est typiquement composée de matériaux granulaires non liés, est de distribuer les charges induites par le passage répété des véhicules lourds sur les couches sous-jacentes. L’épaisseur variable de cette couche permet d’adapter la chaussée au trafic et au climat. Des graviers concassés ou partiellement concassés, communément appelés de type MG-20 au Québec, sont généralement utilisés dans les fondations. Des exigences de conception retrouvées dans les normes du Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des transports (MTMDET) permettent de maximiser la performance des MG-20 en recommandant une granulométrie étalée et réglementée selon les normes en vigueur. La sous-fondation, directement déposée sur le sol naturel, est mise en place principalement dans le but d’atténuer les effets de l’eau, du trafic et du gel sur le sol

(23)

7

d’infrastructure. Elle est notamment importante pour le drainage, la protection contre le gel et pour empêcher la migration des particules entre le sol d’infrastructure et la fondation de la chaussée. Les matériaux utilisés dans les sous-fondations sont majoritairement composés de MG-112 où les granulométries à employer sont dictées par les normes du MTMDET et par les caractéristiques du milieu où les travaux sont effectués. La capacité de support de la chaussée est très peu influencée par l’épaisseur de cette couche.

Le sol d’infrastructure est composé du sol en place et c’est essentiellement le cœur du problème. Certains sols d’infrastructures sont plus gélifs et pour remédier à ce problème, l’épaisseur de la structure de chaussée est augmentée en conséquence lors du dimensionnement au gel. Son rôle est de supporter la chaussée et d’être la plateforme lors de la construction. Il est essentiel de limiter, ou d’empêcher dans certains cas, la progression du gel dans le sol d’infrastructure afin de réduire les soulèvements de la chaussée.

Afin d’atténuer certains des effets négatifs reliés à l’eau, il est possible de mettre en place, dès la conception, des couches de drainage verticales ou horizontales. Des géotextiles peuvent, aussi, être mis en place dans le but de diminuer les échanges de matériaux et la migration des particules fines entre les différentes couches. Par ailleurs, des couches de renforcement structural ainsi que des couches d’isolation peuvent être ajoutées pour améliorer la stabilité de la construction (Doré & Zubeck, 2009).

2.2 Dégradation des chaussées

Dans les régions froides, les principaux mécanismes de dégradation qui contribuent à l’accroissement du taux d’endommagement des infrastructures de transport sont associés aux effets des charges dynamiques occasionnées par les véhicules lourds et aux effets du gel. Cette interaction complexe entre la charge et l’environnement est susceptible d’augmenter le taux de dégradation des chaussées et par conséquent, elle peut réduire la durée de vie utile des infrastructures de transport en régions nordiques. Ces derniers processus de dégradation engendrent des pertes de capacités structurales et fonctionnelles de la chaussée.

(24)

8

Une synthèse des ouvrages sur le sujet tiré d’un document de Transport Canada (Doré et al., 2005), en annexe de ce manuscrit, résume les pourcentages de dommage associés au trafic comparativement aux dommages induits par le climat. Selon les différentes sources rapportées, les pourcentages de dommage attribué au climat varient entre 30 % et 80 %. La gravité des dommages associés aux effets climatiques fluctue en fonction de la sévérité du climat et des interventions réalisées pour protéger les infrastructures de transport face à l’action du gel. L’endommagement des infrastructures de transport qui est provoqué par les charges dynamiques induites par le trafic varie, principalement, en fonction de l’amplitude des contraintes dans les structures de chaussées et plus particulièrement au niveau du revêtement, ce qui peut amorcer plusieurs mécanismes de dégradation.

Les détériorations résultantes du trafic peuvent se matérialiser par la formation de fissures longitudinales dans les pistes de roues causées par la fatigue du revêtement de chaussée. Il s’agit d’une rupture parallèle à la direction de la route dans l’enrobé bitumineux. Le trafic lourd peut aussi provoquer un réseau de fissuration croisé communément appelé carrelage. Ce phénomène fait mention d’un patron de fissuration à mailles polygonales qui se distingue des fissures linéaires ramifiées. Ces types de dégradation sont occasionnés par des sollicitations excessives en tension à la base du revêtement durant la période de mise en service. De nombreuses lois de fatigue ont été élaborées afin de prédire le nombre d’applications de charge admissible pour une structure donnée en fonction de l’amplitude des déformations. La fissuration par fatigue est un mécanisme d’endommagement spécifique important considéré lors de la conception avec les méthodes mécaniste-empiriques.

De plus, une mauvaise sélection des matériaux combinée aux contraintes abusives dans le revêtement entrainent des ornières de fluage (ornières à petit rayon) qui sont des manifestations de la déformation permanente au niveau du revêtement. Des ornières structurales (ornières à grand rayon) peuvent aussi être générées dans les fondations de la chaussée et dans le sol d’infrastructure sous l’effet des fortes contraintes produites par le passage des véhicules lourds (OCDE, 1988). Ces ornières se superposent progressivement dans toute la structure de la chaussée, entrainant des effets négatifs sur

(25)

9

la qualité de roulement et la sécurité des usagers. La déformation par orniérage est un élément important lors de la conception des ouvrages routiers d’où l’élaboration de modèles d’endommagement spécifiques à la déformation permanente. Ces deux types de dégradations peuvent agir seuls ou en association avec d’autres mécanismes et constituent des mécanismes d’endommagement clés associés à la détérioration de la chaussée face à l’action des charges lourdes.

Selon White et Coree (1990), trois principaux facteurs contribuent à l’accélération de la détérioration des chaussées par le climat. Ils identifient le retrait thermique, les pertes de capacité portante et les soulèvements au gel. Le retrait thermique des matériaux bitumineux durant les périodes hivernales cause la formation de fissures transversales perpendiculaires à la direction de la route. L’apparition des fissures est causée par les contraintes de tension résultantes du frottement entre le revêtement et la couche granulaire inférieure qui ne peuvent se relâcher que par rupture transversale ou relaxation viscoélastique (Lepert et al., 2004).

Quant aux pertes de capacité portante, elles sont principalement remarquées au début du printemps lors du dégel des structures de chaussée. Les cycles de gel et de dégel répétitifs durant cette période entrainent des faiblesses dans la structure de chaussée qui réduisent la capacité portante de celle-ci. En effet, des essais réalisés à l’aide de déflectomètres à masse tombante (FWD) ont démontré que la capacité portante est à son maximum durant l’hiver lorsque la structure de la route et qu’une partie du sol d’infrastructure sont gelées. Ensuite, la capacité de support diminue jusqu’à son minimum en période de dégel au printemps. La chaussée récupère progressivement sa pleine capacité structurale jusqu’à l’hiver suivant (Savard et al., 1998). Ces affaiblissements amplifient l’endommagement de la structure lorsqu’ils sont combinés aux contraintes excessives provoquées par les véhicules lourds. La Figure 2.2 illustre bien l’évolution de la capacité portante d’une structure de chaussée sur une période d’une année.

(26)

10

Figure 2.2 - Évolution de la capacité portante de support des chaussées (Ministère des Transports du Québec, 2007)

Au début du printemps, l’augmentation des températures à la surface du revêtement entraine la fonte progressive des lentilles de glace formées dans les différentes couches de la structure de chaussée. L’eau de fonte produite par le dégel de la glace se combine aux eaux de la fonte de la neige et des précipitations pour saturer progressivement la structure de chaussée et la partie supérieure du sol support en suivant la progression verticale du front de dégel. La structure de chaussée devient saturée, car l’eau de fonte ne peut pas se drainer librement à travers la structure gelée due à la progression incomplète du front de dégel qui agit à titre de barrière à un écoulement normal dans les sols. Cette eau de fonte provoque une augmentation des pressions interstitielles dans les sols et matériaux de chaussées sous l’action des charges dynamiques attribuée aux véhicules lourds. Les pressions interstitielles en excès réduisent les contraintes effectives et la rigidité des sols. Ces pressions causent, par conséquent, une diminution significative du module réversible des matériaux de chaussée et occasionnent une réduction de la capacité portante. De plus, une partie de la diminution de la capacité portante est occasionnée par les vides créés lors de la fonte des lentilles de glace. Ces vides causent la consolidation, souvent inégale, des matériaux de chaussée qui est fonction des propriétés et des caractéristiques de ceux-ci. Les fortes teneurs en eau combinées à la faible densité des matériaux de chaussée initient des faiblesses dans la structure de la route.

Lorsque les effets du trafic lourd sont combinés à l’affaiblissement de la structure, le taux d’endommagement des infrastructures de transport augmente significativement. La

(27)

11

capacité structurale des chaussées est affectée par l’excès de pression interstitielle engendrée par l’action du trafic. Une augmentation de ce taux se manifeste généralement par une présence accrue de fissures de fatigue, de carrelage et d’ornières structurales (Doré G. , 2004). La Figure 2.3 illustre le principe d’affaissement d’une chaussée au dégel.

Figure 2.3 - Affaissement de la chaussée en période de dégel (Ministère des Transports du Québec, 2007)

De son côté, le soulèvement au gel causé par la formation de lentilles de glace crée des fissures de gel ainsi que des soulèvements différentiels longitudinaux et transversaux. Les fissures de gel correspondent principalement à des fissures longitudinales hors des sentiers de roues ainsi que des lézardes initiées par des soulèvements différentiels (Doré G. , 1997). Toutes les fissures longitudinales sont parallèles à la direction de la route. Les lézardes suivent un patron aléatoire. La Figure 2.4 illustre respectivement des lézardes au centre d’une voie (photo de gauche) et des soulèvements différentiels (photo de droite).

(28)

12

Figure 2.4 - Exemples de lézarde et de soulèvements différentiels (MTMDET, 2007)

Les soulèvements au gel différentiels longitidunaux sont occasionnés par des gonflements non uniformes des couches profondes le long d’un profil de chaussée. Les soulèvements transversaux sont typiquement provoqués par une profondeur de gel plus élevée au centre de la chaussée. Ces variations de volumes sont associées à des déformations de grandes longueurs d’onde de l’ordre de 8 à 12 mètres. Les déformations de courtes longueurs d’onde (1 à 3 mètres) qui sont reliées à des distorsions dans les couches supérieures de la chaussée sont attribuées à des soulèvements de fissures au gel qui se forment au niveau du revêtement lors du gel de l’eau ou de la solution saline infiltrée et emprisonnée sous le revêtement. Les phénomènes de soulèvement différentiel et de soulèvement au gel sont décrits en détail à la section 2.5 Soulèvement au gel différentiel.

Les effets des différents types de soulèvements différentiels s’accumulent et ne se résorbent pas complétement lors du dégel (Konrad & Morgenstern, 1983). Selon certains experts, pour différents sols, le deuxième dégel est le plus destructif, alors que certains rapportent des soulèvements au gel quatre fois plus important lors du deuxième hiver (Paré et al., 1978) et même huit fois plus important (Chamberlain, 1981). Au Québec, il est reconnu que le premier hiver est généralement le plus destructif et c’est principalement le cas avec des argiles associées à un indice de liquidité élevé (IL>0,9).

(29)

13

2.3 L’action du gel dans les sols

La présente section expose les conditions entrainant les effets néfastes de l’action du gel. Les températures sous le point de congélation, la présence et l’apport en eau et un sol gélif sont les trois facteurs qui, lorsque combinés simultanément, entrainent le soulèvement au gel par la formation des lentilles de glace dans le sol d’infrastructure. Sans un de ces trois facteurs, une diminution importante du phénomène est observée.

2.3.1 Effet de la température sous le point de congélation

Lorsque la surface de la chaussée est exposée à des températures inférieures au point de congélation en période hivernale, ces variations climatiques créent un gradient thermique dans la structure de chaussée qui initie la pénétration et la propagation du gel dans la structure de la chaussée formée en grande partie par des matériaux granulaires drainants et peu gélifs. Ultimement, le gel atteint le sol d’infrastructure qui est typiquement plus sensible aux actions du gel. Ce gradient de température active un écoulement de chaleur dans la structure de la chaussée au moment où celle-ci est plus chaude que le revêtement de la chaussée. Dans tout massif de sols, l’écoulement de chaleur est contrôlé par la loi de Fourier appliquée au principe de conduction (Konrad J.-M. , 2001). Le flux de chaleur unitaire (q, W/m2) est calculé selon l’équation (1):

𝒒 = −𝝀 𝒅𝑻

𝒅𝒙 (1)

où λ représente la conductivité thermique (W/m·°C) et dT/dx représente le gradient thermique (°C/m) du sol à l’étude. Le signe négatif indique que le transfert de chaleur se produit des températures chaudes vers les températures froides.

Cette extraction de chaleur et la pénétration du gel résultante vont entrainer un gonflement de la structure de chaussée et la formation des lentilles de glace dans le sol d’infrastructure, si celui-ci est sensible au gel et s’il y a présence d’eau dans le système. Ces altérations de volume sont les principales causes des soulèvements différentiels qui mènent à une dégradation prématurée de l’uni d’une chaussée. Ces changements de volume sont créés par la croissance de lentilles de glace et par l’augmentation du volume

(30)

14

de l’eau lors du changement de phase vers la glace. Dans ce dernier cas, l’équation (2) décrit le changement de volume entre l’eau et la glace par un facteur de 1,09.

𝑽𝒊 = 𝟏, 𝟎𝟗 ∙ 𝑽𝒘 (2)

où Vi représente le volume de glace et Vw symbolise le volume de l’eau.

L’estimation de la profondeur de gel s’avère être un élément clé lors de la conception des chaussées en milieu nordique. Une première estimation de la profondeur de gel (m) est obtenue avec l’équation élaborée par Stefan (Andersland & Ladanyi, 2004) (Nixon & McRoberts, 1973). Cette équation utilise comme hypothèses que la température à la surface du sol est constante et que le gradient thermique est linéaire dans le sol durant toute la progression du gel. La profondeur du front de gel est déterminée à partir de l’équation (3):

𝑿 = √𝟐𝝀𝑻𝒄𝒕

𝑳𝒔 (3)

où Ls symbolise la chaleur latente de fusion du sol (MJ/m3), Tc (°C)représente la

température à la surface, λ est la conductivité thermique (W/m·°C) et t (sec) est le temps d’application des températures sous le point de congélation.

Afin de faciliter l’application de l’équation 3, l’indice de gel IG (°C·J) y est introduit. Cet

indice donne une valeur à l’intensité et la durée du froid lors de la période hivernale. Il correspond à la somme des températures journalières sous le point de congélation sur une période choisie. Cette valeur peut aussi être obtenue en multipliant la moyenne journalière par le nombre de jours où ces températures sont mesurées. L’expression mathématique est définie dans l’équation (4) par l’aire sous la courbe des températures annuelles pour les températures négatives :

𝑰𝑮= ∫ 𝑻𝒕 𝒄𝒅𝒕 𝟎

(4) L’introduction de ce paramètre dans l’équation de Stefan (équation 3) permet d’obtenir l’équation (5) qui est indépendante du temps.

(31)

15 𝑿 = √𝟐𝝀𝑰𝑮

𝑳𝒔 (5)

La profondeur du front de gel (m) peut aussi être déterminée à partir de l’équation de Berggren modifiée par Aldrich et Paynter (1966). Ces derniers introduisent un facteur de correction β qui met en relation un rapport thermique α (équation 6) et un paramètre de fusion µ (équation 7) afin de prendre en compte les différentes propriétés des sols.

𝜶 = 𝒗𝟎 𝒗𝒔 = 𝒗𝟎𝒕 𝑰𝑮 (6) µ =𝑪𝒗 𝑳𝒔𝒗𝒔 = 𝑪𝒗𝑰𝑮 𝑳𝒔𝒕 (7)

où vo représente la température moyenne pendant la période de gel à la surface de

la chaussée (°C), vs indique la température annuelle à la surface de la chaussée (°C) et Cv

correspond à la capacité thermique volumétrique des sols (J/m3·°C).

Ces deux facteurs adimensionnels sont mis en relation dans un abaque de résolution illustré à la Figure 2.5 afin d’obtenir le facteur de correction β.

(32)

16

Figure 2.5 - Paramètre de correction de l'équation de Berggren modifiée (Andersland & Ladanyi, 2004)

Avec l’introduction du facteur de correction β, la profondeur de gel de Berggren modifiée par Aldrich et Paynter est définie dans l’équation (8):

𝑿 = 𝜷√𝟐𝝀𝑰𝑮 𝑳𝒔

(8)

Une autre équation modifiée de Stefan (Stefan-Konrad) utilise le paramètre du potentiel de ségrégation, SP, (mm2/°C·h) afin de déterminer la profondeur de gel (Konrad J.-M. , 2001). Ce paramètre est introduit dans la section 2.3.3 Gélivité des sols. Cette équation prend en considération la migration de l’eau vers les lentilles de glace sous l’effet de la succion dans les sols gélifs. La remontée de l’eau vers le front de gel ralentit la pénétration du gel lorsque cette eau libère de l’énergie thermique (chaleur latente) pour former de nouvelles lentilles. L’équation (9) permet d’obtenir la profondeur du front de gel en utilisant le potentiel de ségrégation du sol (SP), qui quantifie la sensibilité d’un sol à former des lentilles de glace.

(33)

17

𝑿 = √𝟐(𝝀 − 𝑺𝑷 × 𝑳𝒘) · 𝑰𝑮

𝑳𝒔 (9)

où Lw représente la chaleur latente de l’eau (334 MJ/m3).

Le potentiel de ségrégation SP est un élément important au concept de formation de lentille de glace et il est présenté en détail dans les prochaines sections.

Dans le but de réduire la profondeur du front de gel, il est possible d’avoir recours à un isolant thermique, qui consiste en un matériau ayant une faible conductivité thermique, c'est-à-dire un matériau qui s'oppose au flux thermique à l’aide d’une grande résistance thermique de conduction.

2.3.2 Comportement de l’eau

Il est important de comprendre le comportement de l’eau dans les chaussées et d’en évaluer les conséquences sur les performances de celles-ci. À cet effet, la teneur en eau d’un matériau de chaussée et son degré de saturation sont non négligeables. La proximité de la nappe phréatique avec une structure de chaussée a également un effet notable sur le comportement des infrastructures de transport. Ces conditions hydrogéologiques accentuent la formation des lentilles de glace dans les sols d’infrastructure. Plus la teneur en eau et la saturation des sols sont élevées, plus les soulèvements seront, par conséquent, élevés (McGaw, 1972).

À des températures inférieures à 0 °C, l’eau se transforme progressivement en glace sans atteindre un état homogène, où il reste toujours de l’eau non gelée dans les sols. Cette eau, dite interstitielle, est composée de l’eau libre capillaire et de l’eau adsorbée. L’eau libre se déplace par gravité dans le sol et l’eau adsorbée forme un film d’eau à la surface des particules. L’eau adsorbée ne se déplace jamais dans le sol, et ce même sous l’effet des forces gravitaires, car elle est contrôlée par des forces intermoléculaires. Ces films d’eau assurent une continuité entre les grains bénéfiques aux remontées capillaires. Avec la diminution des températures, l’eau capillaire va faire place progressivement à la glace

(34)

18

dans l’ensemble des pores. Le schéma de la Figure 2.6 illustre l’eau interstitielle dans les sols lorsque la température est sous le point de congélation.

Figure 2.6 - Représentation de l’eau interstitielle dans les sols (Konrad & Duquennoi, 1993) Le changement de phase entre l’eau et la glace dans les sols à grains fins est expliqué par la relation entre la teneur en eau non gelée, la température et le type de sol. Ce processus de changement de phase est gouverné par de nombreux facteurs tels que la pression appliquée à la surface des sols, la température, le diamètre des pores et la surface spécifique des grains. En général, la température de changement de phase entre l’eau et la glace est gouvernée par l’indice des vides. La température diminue lorsque l’indice des vides est plus faible. En effet, des quantités importantes d'eau non gelée existent dans des argiles à des températures inférieures à -10 °C, alors que la majeure partie de l'eau située dans les pores gèle à quelques dixièmes de degrés Celsius sous-zéro dans les sols fins plus grossiers. Pour un sol donné, la plupart de ces facteurs sont fixés et la teneur en eau non gelée est exprimée en pourcentage par rapport au poids sec du sol (Konrad J.-M. , 2001). La Figure 2.7 illustre, pour différents types de sols, les courbes des teneurs en eau non gelée.

(35)

19

Figure 2.7 - Relations typiques de la teneur en eau et de la température de l'eau pour différents sols [de Konrad (2001) et modifiée de Nordal & Refsdal (1994)]

L’arrangement des particules de sol avec la glace et l’eau non gelée génère une pression négative (succion) significative à la base du front de ségrégation. Le front de ségrégation est défini comme l’endroit dans le sol où la lentille de glace la plus chaude est en croissance. Avant de se rendre à ce front de ségrégation, l’eau traverse le front de gel. Le front de gel se maintient à une température Tl (°C) qui est caractérisée par la plus chaude

ligne isotherme où il est possible de retrouver de la glace dans le sol (0 °C). La position du front de gel est égale à la profondeur du gel, qu’il est possible de déterminer avec les équations 3, 5, 8 et 9 présentées précédemment. Entre ces deux fronts, la frange gelée (Miller, 1972) se définit comme l’endroit dans lequel la teneur en eau capillaire non gelée varie de 100 % à tout près de 0 % (Doré G. , 1997). En effet, la frange gelée est une zone de coexistence entre l’eau et la glace, où le pourcentage de glace augmente

(36)

20

progressivement du front de gel jusqu’au front de ségrégation. Cette coexistence implique une conductivité hydraulique variable à l’intérieur de la frange gelée. La conductivité hydraulique de la frange gelée est influencée par la teneur en eau non gelée et diminue constamment du front de gel jusqu’au front de ségrégation, où elle devient pratiquement nulle. Une augmentation du gradient thermique dans la frange gelée entraine une diminution de la teneur en eau pour faire place à un plus grand volume de glace dans les pores et un accroissement progressif de la succion lorsqu’on se rapproche du front de ségrégation (Konrad & Duquennoi, 1993). La Figure 2.8 illustre une frange gelée susceptible de favoriser la migration de l’eau vers les lentilles de glace en croissance.

Figure 2.8 - Illustration de la frange gelée (Konrad & Morgenstern, 1983)

L’équation (10) dicte le flux d’eau généré dans la frange gelée (Konrad J.-M. , 2001): 𝒗 = 𝑲̅𝒇∙

𝑷𝒘− 𝑷𝒖

𝒅 (10)

où 𝐾̅𝑓 exprime la perméabilité moyenne des sols (m/s) dans la frange gelée, d représente l’épaisseur de la frange gelée (m) et Pw et Pu représentent, respectivement, les

pressions (kPa) au-dessus et au-dessous de la frange gelée. Ainsi, l’équation (10) représente l’expression de la loi de Darcy pour le cas spécifique de la frange gelée.

(37)

21

Les pores à faible rayon formés par l’agencement des particules du sol et de glace agissent au même titre que des tubes capillaires qui provoquent la remontée capillaire de l’eau au-dessus de la nappe phréatique vers les futures lentilles de glace. L’amplitude de la succion est inversement proportionnelle aux rayons des pores du sol, c’est-à-dire que plus les pores sont petits, plus la succion est importante au front de ségrégation.

Pour diminuer la teneur en eau dans la structure de chaussée, il est possible d’utiliser des drains horizontaux ou verticaux pour réduire le volume d’eau disponible lors de la progression du front de gel. Les drains horizontaux aident à abaisser la nappe phréatique et ils contribuent à réduire, par le fait même, la création de la glace de ségrégation.

2.3.3 Gélivité des sols

Le dernier élément de la combinaison favorisant le soulèvement au gel dû à la formation de lentilles de glace est la gélivité d’un sol. Cet élément fait référence à la capacité d’un sol à former des lentilles de glace lors de la progression du front de gel. Un sol sensible au gel se définit comme un sol qui favorise la migration de l’eau interstitielle vers une potentielle lentille de glace située au front de ségrégation, donc, à travers la frange gelée. La gélivité d'un sol est donc directement associée à la perméabilité de la frange gelée durant le processus de gel. Plusieurs éléments peuvent influencer la sensibilité au gel. L’élément principal est la granulométrie des grains et plus particulièrement, le pourcentage des particules de fines. Les particules fines permettent de développer une forte succion par capillarité favorisant le transport de l’eau vers la frange gelée (Létourneau, 2012). La minéralogie des grains du sol, sa densité ainsi que l’agencement géométrique des particules représentent d’autres éléments dont l’influence est non négligeable sur la sensibilité au gel (Konrad J.-M. , 1999). Le degré de consolidation du massif de sols en place est aussi un élément essentiel à surveiller (Konrad J.-M. , 1989b). Les sols les plus susceptibles à la formation de lentilles de glace sont les silts et les argiles, car ces sols sont composés de grains très fins qui favorisent la migration de l’eau par succion capillaire. En général, plus les grains sont fins, plus la capillarité est élevée. Par contre, plus ils sont fins, plus la perméabilité du sol est faible. Conformément à ces deux éléments contradictoires, les argiles sont moins prédisposées à subir de grands

(38)

22

changements de volumes comparativement aux silts étant donné leurs plus faibles valeurs de conductivité hydraulique, qui font que le flux d’eau vers des lentilles de glace en croissance est diminué. Les sables et les graviers sont encore moins sensibles aux changements de températures dus principalement à la faible perméabilité dans la frange gelée qui tient compte de la faible teneur en eau non gelée sous le point de congélation, donc, par conséquent, ils sont des sols peu gélifs.

Afin d’établir une classification des sols en fonction de la sensibilité au gel, Chamberlain (1981) a dénombré pas moins de 100 méthodes de classifications différentes, établies principalement sur la granulométrie des sols. Ces nombreuses techniques d’estimation ont été regroupées en trois niveaux catégorisant la gélivité des sols. Le premier niveau est basé sur le pourcentage de particules fines dans le sol. Le deuxième niveau est aussi basé sur la granulométrie, mais il fait intervenir d’autres paramètres tels que la capillarité, la conductivité hydraulique, la minéralogie et les limites d’Atterberg. Le dernier niveau est basé sur des observations réalisées en laboratoire lors de tests de gel (Konrad J.-M. , 1999). Les conclusions obtenues avec ces nombreuses méthodes d’estimation de la sensibilité au gel ne sont cependant pas toutes semblables et ces différences entrainent plusieurs problèmes d’uniformité lors des analyses de sol.

Casagrande (1948) propose une classification de la gélivité en fonction du système unifié des sols (USCS). Le Tableau 2.1 répertorie le comportement des sols en leur attribuant un indice de gélivité en fonction de leur sensibilité au gel et au dégel. Il est toutefois important de noter que ces indices ne peuvent être utilisés pour la conception en raison de leur trop grande incertitude (Létourneau, 2012).

Figure

Figure 2.2 - Évolution de la capacité portante de support des chaussées (Ministère des Transports du  Québec, 2007)
Figure 2.7 - Relations typiques de la teneur en eau et de la température de l'eau pour différents sols  [de Konrad (2001) et modifiée de Nordal & Refsdal (1994)]
Figure 2.10 - Schéma de la formation des lentilles de glace avec la progression du front de gel  [modifiée de Konrad & Morgenstern (1980) ]
Figure 2.13 - Paramètres considérés dans le calcul du facteur de variabilité longitudinal (Doré G
+7

Références

Documents relatifs

Plus k n est grande plus la cohésion est importante (cf. Avec une augmentation de la raideur normale, la résistance au cisaillement à travers les aspérités

Ces questions sont aujourd’hui abordées sous l’angle de la rupture et de l’exceptionnalité, de l’avènement d’une nouvelle ère (ce que symbolise l’expression

withdrawn sol-gel coatings, the index appears to increase by solvent evaporation to a value corre- sponding to a volume fraction of approximately 0.20, at which

condensation reactions, Uo is the withdrawal speed, h (x) is the film thickness at position x measured from the drying line ~o, h~ is the entrained film thickness just above

Le but de cette étude était également d’avoir une meilleure connaissance des différents systèmes enzymatiques des champignons lignivores impliqués dans la

Subséquemment à la prise de données de profils de chaussées dans la région de Québec et sur l’Alaska Highway, l’analyse de ces profils a permis de développer, en autre, un

To identify global gene transcription patterns associated with diet-induced resistance (BALB/c) and susceptibility (C57BL/6J) to NAFLD, we applied GSEA which allowed exploration

We also managed to extend the decidability result for ]-acyclic automata to the case of partially observable Markov decision processes, this result is presented in Chapter 7 where