Le présent projet de maîtrise s’inscrit dans le cadre de la Chaire de recherche CRSNG/Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai (CRIBAR) située à l’Université Laval dans la ville de Québec au Canada. Le compactage de l’enrochement d’un barrage en remblai à noyau asphaltique est étudié. L’enrochement d’un barrage en remblai est constitué de fragments de roc de grandes dimensions. L’étude de ce matériau représente des défis dont plusieurs aspects n’ont pas trouvé de solution pour le moment. Les rouleaux compacteurs utilisés afin de compacter l’enrochement du barrage sont munis d’un système de contrôle de compactage. Le système CCC permet de s’assurer que le nombre de passes requises a été effectué et il fournit une mesure de la rigidité du sol en calculant un paramètre appelé CMV. Le système enregistre des données en temps réel lors du compactage. Pour cette recherche, il a été décidé de vérifier si ces données pouvaient être utilisées en ingénierie. Cette recherche a d’abord permis d’établir une méthode de traitement, de stockage et d’interrogation des données. Ensuite, avec l’information extraite des passes isolées, un modèle mécaniste utilisant la dynamique des sols a été mis au point afin de déterminer une relation entre CMV et modules de déformation. Ce premier modèle comportait une trop grande imprécision, car les CMV étaient très variables pour un même module de déformation. Un second modèle a donc été mis au point. Cette fois, seules les dernières passes de chaque groupe ont été utilisées, ce qui a permis d’établir une relation linéaire plus représentative entre CMV et modules de déformation en fin de compactage. Cette méthode pour déterminer les modules de déformation du sol en fin de compaction est innovante et elle peut être étendue à d’autres domaines du génie civil comme le génie routier.

La présente thèse vise à améliorer l'état des connaissances à l'égard des paramètres influençant les effets de site des barrages en enrochement. Une revue exhaustive des publications liées au comportement et à la modélisation dynamique de ce type de barrage a mis en évidence que le nombre de cas de référence est très limité dans la littérature spécifiquement orientée vers l'étude des effets de site avec des analyses en 3D de barrages en enrochement pour lesquels des données instrumentales sont disponibles. Les travaux réalisés sont très orientés vers les praticiens, car ils établissent des lignes directrices pouvant les aider à évaluer les formulations et algorithmes les mieux adaptés à la réalisation d'analyses en 1D, 2D ou 3D. Ils portent sur l'étude des effets de site du barrage Denis-Perron, un grand barrage en enrochement construit dans une vallée escarpée. L'emplacement exceptionnel de cet ouvrage et le fait qu'il a été muni d'accéléromètres pendant sa construction en font un sujet d'étude particulièrement intéressant. Le premier volet des travaux a consisté à analyser les signaux détectés par les accéléromètres pendant trois petits séismes. Les résultats de cette analyse mettent en évidence qu'il est possible de déduire les caractéristiques dynamiques d'un grand barrage, et ce, même avec des signaux faibles. Les fonctions de transfert et les rapports spectraux obtenus à partir de ces séismes fournissent en fait de nouvelles connaissances sur la directionnalité des fréquences de résonance, les modes de vibration et les effets de site. Puisqu'à travers le monde, il existe très peu de barrages instrumentés dont les données sont disponibles et que les séismes de moyenne et de forte amplitude se produisant dans des zones de faible sismicité sont rares, ces données sismologiques se sont avérées très précieuses pour valider les résultats obtenus au cours des travaux subséquents. Le deuxième volet des travaux a servi à évaluer le potentiel de la technique du bruit ambiant pour déterminer les caractéristiques dynamiques du barrage Denis-Perron. Des mesures de bruit ambiant ont été prises à l'aide de vélocimètres à trois composantes adaptées aux conditions d'un grand barrage. Ces données expérimentales ont permis d'établir la fréquence des modes de vibration de ce grand barrage. Les résultats obtenus d'analyses simples effectuées pour traiter les signaux individuels sont aussi concluants que ceux provenant d'une analyse modale réalisée à partir d'un ensemble de signaux synchronisés entre eux tout en étant cohérents avec les résultats issus de l'analyse des données sismologiques. À partir de la fréquence des modes de vibration fondamentaux calculée avec les données sismologiques et expérimentales, une analyse modale numérique effectuée avec un modèle tridimensionnel a permis d'ajuster le profil de rigidité moyen par rétro-calculs représentatifs du milieu 3D. Dans le cadre du troisième volet, des analyses paramétriques ont été réalisées avec des modèles simplifiés, conçus pour étudier des aspects spécifiques en lien avec les effets de site du barrage Denis-Perron. Les résultats obtenus de ces analyses indiquent que la forme de la vallée, le contraste d'impédance ainsi que le contenu fréquentiel et l'orientation de la sollicitation sont les paramètres qui influent le plus sur les effets de site. Bien que ces résultats illustrent l'importance des effets de site du système vallée barrage étudié, ils font également ressortir certaines limitations entourant la réalisation d'analyses dynamiques en 2D et 3D pour un tel système. De plus, conformément à la littérature, ils indiquent que la forme de la vallée et le rapport entre la hauteur maximale d'un barrage et sa longueur en crête agissent fortement sur sa réponse dynamique. Après que les modèles aient été améliorés pour mieux refléter les conditions du barrage, ils ont été validés à l'aide des données sismologiques disponibles. Les signaux du séisme le plus fort de 1999 ont permis de vérifier et valider ces modèles avancés à l'aide des résultats de simulations obtenus tant dans le domaine temporel que fréquentiel, de même que de conclure qu'il n'est pas requis de recourir à une dé convolution pour ajuster des signaux à la base des modèles. Des analyses dynamiques faites à partir d'un séisme de plus forte intensité (0,3 g), représentatif de la sismicité de l'Est du Canada, a aussi permis d'extrapoler ainsi que de prévoir les phénomènes dynamiques et leurs impacts sur la stabilité et les déplacements permanents du barrage Denis-Perron. / This thesis aims at improving the state of knowledge regarding the parameters that influence the site effects of rockfill dams. A comprehensive literature review related to the behavior and dynamic modeling of this type of dam has highlighted that the number of reference cases specifically oriented towards the study of site effects with 3D analyses of rockfill dams for which seismological data are available is very limited in the literature. The research effort is very practitioner-oriented, as it establishes guidelines that can help engineers evaluate the most appropriate formulations and algorithms when performing 1D, 2D or 3D analyses. It focuses on the study of the site effects of the Denis Perron Dam, a large rockfill dam built in a steep valley. The exceptional location of this structure and the fact that it was equipped with accelerometers during its construction make it a particularly interesting case study. The first phase of the project consisted in analyzing the signals detected by the accelerometers during three small earthquakes. The results of this analysis show that it is possible to deduce the dynamic characteristics of a large dam, even with weak signals. The transfer functions and spectral ratios obtained from these earthquakes provide new insights into resonant frequency directionality, vibration modes, and site effects. Since there are very few instrumented dams worldwide for which seismological data are available and as medium and large magnitude earthquakes occurring in areas of low seismicity are rare, the available seismological data have proven to be very valuable invalidating the results obtained in the subsequent work. The second phase of the project was meant to evaluate the potential of the ambient noise technique to determine the dynamic characteristics of the Denis Perron Dam. Ambient noise measurements were recorded using three-component velocimeters adapted to the conditions of a large dam. These experimental data were used to establish the frequency of the vibration modes of this large dam. The results obtained from simple analyses conducted to process individual signals are as conclusive as those from a modal analysis based on a set of signals synchronized with each other while being consistent with the results from the analysis of the seismological data. From the frequency of the fundamental vibration modes calculated with the seismological and experimental data, a numerical modal analysis was conducted using a three-dimensional model to fit the average stiffness profile by retrofit calculations representative of the 3D medium. In the third and last phase, parametric analyses were conducted using simplified models designed to study specific aspects related to the site effects of the Denis-Perron dam. The results obtained indicate that the valley shape, impedance contrast, frequency content, and solicitation orientation are the parameters that have the most influence on the site effects. These results illustrate the importance of site effects for the studied valley-dam system, but they also emphasise some limitations surrounding the performance of 2D and 3D dynamic analyses for such a system. Further, in accordance with literature, they show that the ratio of the maximum height of a dam to its crest length and the valley shape strongly affect its dynamic response. After the models were refined to better reflect dam conditions, they were validated based on seismological data. Signals from the strongest 1999 earthquake were used to verify and validate these advanced models from simulation results in both time and frequency domains and conclude that deconvolution is not required to fit the signals at the base of the models. Dynamic analyses based on an earthquake of higher intensity (0.3 g), representative of the seismicity of eastern Canada, were conducted, from which the dynamic phenomena and their impacts on the stability and permanent displacements of the Denis Perron dam were extrapolated and predicted.

La contribution significative de cette thèse se situe dans le domaine de la déformation sismique de différents types de barrages en enrochement. La déformation excessive permanente à la crête d'un barrage causée par les secousses du sol menacera la sécurité du barrage. Les caractéristiques de ces barrages et la gravité des tremblements de terre (quantifiée par des mesures d'intensité, c'est-à-dire des IM) sont identifiées comme les composants les plus critiques impliquées dans la performance sismique du barrage. Dans la première partie, une étude est réalisée sur la déformation sismique (tassement de la crête) des barrages en enrochement avec masque en béton (CFRD) et sa corrélation avec les IM de mouvements de sol. De cette manière, l'importance des principales caractéristiques des charges cycliques dans une étude de cas CFRD typique modélisée numériquement est soulignée. On en conclut qu'en plus de l'amplitude et de la durée du mouvement de sol, la réponse du barrage est fortement affectée par les caractéristiques de fréquence du séisme. En rassemblant les histoires de cas de CFRD disponibles et en analysant leur tassement sismique, un nouveau IM est proposé pour décrire efficacement le potentiel d'un séisme à induire un règlement dans les CFRD. Une nouvelle relation prédictive est alors établie qui relie la IM suggérée et l'amplitude du tremblement de terre avec le tassement de crête étudié des cas CFRDs. Dans la deuxième partie, les données disponibles pour les barrages en enrochement à noyau de terre (ECRD) comprenant les valeurs de tassement rapportées et les mouvements de sol enregistrés lors des tremblements de terre sont analysées. Deux nouvelles approches sont développées en introduisant deux nouveaux IM et en les corrélant au règlement observé des cas ECRD. Les IM proposés pour les ECRD prennent en compte l'influence des aspects essentiels concernant le comportement non linéaire des barrages lors de séismes violents: dégradation de la rigidité des matériaux, augmentation de l'énergie dissipée et augmentation des périodes de vibration des barrages. Ces problèmes sont affectés par la déformation induite par le tremblement de terre, à travers laquelle la corrélation avec la déformation d'un barrage est découverte. Les analyses ont montré que l'occurrence du tassement est directement affectée par les amplitudes de déformation de cisaillement. Compte tenu de l'importance de la déformation de cisaillement, la dernière partie de cette thèse est consacrée aux caractéristiques dépendantes de la déformation des ECRD. À cette fin, des études empiriques ont été menées sur plusieurs séries chronologiques d'accélération pour les ECRD qui avaient été frappés par des tremblements de terre au Japon. Une série de graphiques et de relations a été établie pour estimer: (i) l'amplitude de la déformation de cisaillement induite; (ii) la diminution du module de cisaillement des noyaux des barrages; et (iii) augmentation des périodes fondamentales des barrages. Cette thèse fournit un assemblage approprié d'outils qui peuvent être utilisés dans la pratique de l'ingénierie, que ce soit à des fins d'analyse dynamique ou de conception. Les graphiques et les relations présentés ici sont basés sur l'examen et l'analyse de la performance réelle de nombreux barrages sous les tremblements de terre. Ils répondent non seulement aux lacunes des méthodes empiriques précédentes, mais sont également précis et efficaces. / The significant contribution of this thesis is in the area of earthquake-induced deformation of different types of rockfill dams. The permanent excess deformation at a dam's crest caused by ground-shaking will threaten the dam's safety. The characteristics of these dams and the severity of the earthquakes (quantified by intensity measures, i.e., IMs) are identified as the most critical components involved in the dam's seismic performance. In the first part, a study is performed on the seismic deformation (crest settlement) of concrete-face rockfill dams (CFRDs) and its correlation with ground motion IMs. In this way, the importance of cyclic loads' main characteristics on a numerically modelled typical CFRD case study is underlined. It is concluded that in addition to the amplitude and duration of ground motion, the dam's response is strongly affected by the frequency characteristics of the earthquake. By gathering available CFRD case histories and analyzing their seismic settlement, a new IM is proposed to efficiently describe an earthquake's potential to induce settlement in CFRDs. A new predictive relationship is then established which relates the suggested IM and earthquake magnitude with the surveyed crest settlement of the CFRD cases. In the second part, the data available for earth-core rockfill dams (ECRDs) comprising the reported settlement values and the ground motions recorded during the earthquakes are analyzed. Two novel approaches are developed by introducing two new IMs and correlating them to the observed settlement of the ECRD cases. The IMs proposed for ECRDs take into account the influence of the essential aspects regarding the nonlinear behaviour of the dams during severe earthquakes: stiffness degradation of the materials, increase in dissipated energy, and increase in the dams' periods of vibration. These issues are affected by the earthquake-induced strain, through which the correlation with a dam's deformation is discovered. The analyses showed that the occurrence of settlement is directly affected by the shear strain amplitudes. Given the importance of the shear strain, the last part of this thesis is devoted to the strain-dependent characteristics of ECRDs. To this end, empirical studies were performed on several acceleration time series for ECRDs that had been struck by earthquakes in Japan. A series of graphs and relationships were established to estimate: (i) the amplitude of the induced shear strain; (ii) the decreased shear modulus of the dams' cores; and (iii) increased fundamental periods of the dams. This thesis provides an appropriate assembly of tools that can be utilized in engineering practice, either for dynamic analysis or design purposes. The graphs and relationships presented herein are based on reviewing and analyzing the actual performance of numerous dams under earthquakes. They not only address the shortcomings of previous empirical methods, but are also accurate and efficient.

Cette thèse vise à modéliser numériquement des barrages en enrochements pendant les phases de construction et de mise en eau. Ceci est fait en se basant sur des essais en laboratoire et l’analyse des données de l'instrumentation insitu. Des essais triaxiaux en compression monotone à déformation/contrainte contrôlée sont effectués sur des assemblages compactés de particules de granit. Les échantillons utilisés en laboratoire ont initialement été préparés à différentes densités sèches et à différentes granulométries. Une loi de comportement élastoplastique parfait, en considérant l’élasticité non linéaire est implémentée dans le logiciel FLAC. Ceci est fait pour modéliser le comportement des particules de roche pendant les essais. Le nouveau modèle est basé sur le comportement hyperbolique, en considérant le critère de rupture de Mohr-Coulomb avec une règle d'écoulement non associé pour considérer la dilatance à cause du cisaillement. La technique de relaxation des contraintes de Nobari-Duncan est également implémentée dans FLAC avec les procédures modifiées et les nouveaux algorithmes pour reproduire les déformations causées par le mouillage. À l'aide de neuf paramètres, le modèle réussi à reproduire le comportement observé pendant les essais triaxiaux et à caractériser l'assemblage des particules de roche. Les effets de temps et de saturation sont également discutés en détail. Finalement, le modèle est utilisé pour la modélisation des étapes de la construction et de la mise en eau du barrage en enrochement LG4 construit au Québec, Canada. Les résultats de la modélisation sont comparés avec les données de l'instrumentation. Aussi, les efforts antérieurs de modélisation de ce barrage et les avantages du nouveau modèle sont discutés. / This thesis contributes to the field of numerical modeling of rockfill dams during construction and impoundment based on laboratory research and field instrumentation. Data is presented from monotonic triaxial compression tests, in both stress and strain-controlled conditions, on compacted assemblages of granite rock particles prepared in the laboratory using different initial dry densities and grain size distribution. A nonlinear elastic-perfectly plastic constitutive model is implemented into the commercial software, FLAC, to simulate the behavior of the rock particles during the tests. The new implemented model is the traditional hyperbolic model coupled with the Mohr-Coulomb plastic failure criteria, and with a non-associated flow rule to consider shear dilatancy. The Nobari-Duncan stress relaxation technique with modified procedures and algorithms is also implemented in FLAC to reproduce the collapse deformations due to wetting. Using nine parameters, the model is successful to capture the observed behavior in the triaxial tests and to characterize the assemblage of rock particles. The effects of time and saturation are also discussed in detail. Finally, the model is used to simulate the construction and impoundment stages of LG4 rockfill dam in Quebec, Canada. The results of the modeling of both stages are compared with the instrumentation data and previous efforts of the modeling of this dam and the advantages of the new model are discussed.

Le barrage poids en enrochement dont l'étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd'hui. Son appellation courante est " CFRD1 ". La conception de ce type d'ouvrage est effectuée en suivant des " règles " de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l'approche empirique.Il s'avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l'assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s'intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d'influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d'identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l'effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan " énergie reçue/énergie rendue " par le système (l'échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l'énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l'existence d'un effet d'échelle. Une théorie d'effet d'échelle récemment proposée pour l'enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d'un matériau contenant des particules de taille significative à partir d'un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis.

Le barrage poids en enrochement dont l’étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd’hui. Son appellation courante est « CFRD1 ». La conception de ce type d’ouvrage est effectuée en suivant des « règles » de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l’approche empirique.Il s’avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l’assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s’intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d’influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d’identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l’effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan « énergie reçue/énergie rendue » par le système (l’échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l’énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l’existence d’un effet d’échelle. Une théorie d’effet d’échelle récemment proposée pour l’enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d’un matériau contenant des particules de taille significative à partir d’un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis. / The concrete face rockfill dam (CFRD) is a type of dam widely constructed nowadays. The design “rules“ for this type of dam have remained totally empirical. During the last decade, several high CFRDs have experienced the cracking of the concrete face during first reservoir impounding. This shows the limitations of the current empirical state of practice. It is important to understand the different physical mechanisms leading to these problems, especially those concerning the mechanical behavior of rockfill materials. Looking for answers to this problem, this thesis starts by a bibliographic research which shows that particles breakage is an important issue on the mechanical behavior of rockfills. The particles breakage phenomenon is affected by the characteristics of individual particles, the packing conditions of the assembly and the imposed mechanical solicitations. Once the factors affecting particles breakage have been identified, we study the constitutive models that have introduced the particles breakage phenomena. Most of them reduce the influence of the different factors to a couple of parameters, which are not easily identifiable through current laboratory tests. One constitutive model proposed on a thermodynamic framework has been retained for a more detailed analysis. This analysis leads to two main topics of interest: i) the description of the grain-size distribution due to particles breakage, and ii) the relationship between dissipation of energy and particles breakage. Concerning the first topic, a probabilistic model is proposed to describe the evolution of particles breakage and the variation of the grain-size distribution curve. This model takes into account the dependency of breakage probability with particles size. The comparison between model response and laboratory experiences shows good agreement for the variation of the grain-size distribution curves.Concerning the relationship between dissipation of energy by friction and particles breakage, several drained triaxial tests have been studied thermodynamically on a plot called “input/output power” of the system (soil sample). On this plot, we study the dissipative behavior without particles breakage, which is characterized by a straight line. Materials experiencing particles breakage show a different form. Therefore this plot allows identifying the difference between the dissipated energy of materials with and without particles breakage. This difference is associated to the particles breakage phenomena. Several conclusions and future works are proposed at this point related to the description of the mechanical behavior of rockfills.A direct consequence of the dependency of particles breakage on the particles size is the existence of a size-scale effect. A theory recently proposed for the shear-strength envelope has been validated for the stress-strain relationships. This allows estimating the stress-strain response of a material with very coarse particles from a material with reduced grain-size distribution.Finally, some recommendations to the current practice of CFRDs design are proposed, based on analyses with finite element models.

Hydro-Québec reçoit plusieurs demandes de la part de compagnies minières pour pouvoir utiliser la crête de leurs ouvrages en remblai comme route d'accès aux ressources naturelles. La problématique liée à ces demandes d'autorisation de passage est le fait que lors de la conception d'un barrage en remblai, la circulation des charges lourdes en crête n'est pas considérée. Il est donc pertinent de développer des outils décisionnels pour les gestionnaires des barrages de manière à ce qu'ils soient en mesure d'octroyer ou d'appliquer certaines restrictions sur les passages demandés. Ces critères décisionnels doivent être basés, entres autres, sur la déformation permanente subie par le noyau du barrage. Concrètement, des instruments de mesure de contraintes et de déformations ont été installés dans l'extrémité supérieure du noyau d'argile du barrage en remblai de St-Timothée. Les contraintes horizontales et verticales mesurées lors du passage de camions en crête permettent de reproduire le cheminement de contraintes en laboratoire lors des essais de déformations permanentes. L'échantillon d'argile recompacté en laboratoire est soumis à des contraintes déviatorique cycliques allant jusqu'à des valeurs très élevées par rapport à ce qui a été enregistré sur le terrain. La contrainte axiale cyclique à laquelle l'argile accumule une certaine déformation permanente suite à sa post-compaction est de 5 kPa et celle à laquelle l'instabilité du matériau est observée correspond à 55 kPa. La charge en crête de l'ouvrage qui engendre ces incréments de contraintes axiales au sein du noyau est déterminée avec les données enregistrées avec les instruments mis en place dans le barrage. Le nombre de passages nécessaire pour engendrer des déformations permanentes de 50 mm et 100 mm au sein du noyau peut être estimé en fonction de différentes charges circulant en crête du barrage. Ceci est effectué en considérant une variation de la profondeur dans le noyau sur laquelle la charge en crête contribue à sa déformation permanente.

Plusieurs environnements côtiers sont aux prises avec des côtes en érosion et une pression anthropique accrue, dont la pression générée par le développement des infrastructures routières situées en bord de mer. Le Québec maritime ne fait pas exception à ce phénomène; devant l'érosion active des côtes, les instances gouvernementales et les particuliers ont de plus en plus recours à la mise en place d'ouvrages de protection du littoral. Dans la zone d'étude, soit le secteur de Saint-Siméon et de Bonaventure, dans la baie des Chaleurs (Québec, Canada), le ministère des Transports du Québec a procédé, en 2007, à la réfection d'anciennes structures et à la mise en place de nouveaux enrochements. La plage devant ces structures est souvent submergée à marée haute. Or, les infrastructures de protection du littoral sont tenues responsables de modifications des systèmes côtiers. Ces impacts se répercutent à la fois sur l'évolution de la ligne de rivage, sur la morpho-sédimentologie des zones intertidales et sur les organismes benthiques. L'objectif du présent mémoire est d'évaluer l'effet d'ouvrages en enrochement sur l'évolution historique de la côte et sur les caractéristiques morpho-sédimentaires et biologiques benthiques des plages. Le bilan de l'évolution historique, obtenu par photo-interprétation multidate (1934-2007), montre que les murets et les enrochements ont provoqué une réduction de 10 % à 75 % de la largeur des plages, entraînant même la disparition quasi complète de celles-ci pour certains segments de côte. Par ailleurs, on observe que plus un secteur est artificialisé, plus les plages situées devant des zones naturelles toujours plus restreintes ont tendance à se rétrécir. Par ailleurs, les résultats de la campagne d'échantillonnage biologique révèlent certaines caractéristiques différentes entre les milieux artificiels (avec structure de protection) et naturels. Les analyses statistiques ont permis d'identifier les variables environnementales prédominantes, dans la structure des 13 taxons dominants identifiés. Parmi les 11 facteurs environnementaux échantillonnés, la pente et l'altitude des plages, ainsi que le coefficient de triage du substrat des plages sont les facteurs influençant le plus la structure des communautés biologiques échantillonnées. Les groupements a priori montrent une distinction plus claire entre les zones artificielles et les bas estrans naturels. En contrepartie, les zones artificielles sont associées à des conditions environnementales semblables à celles des hauts estrans naturels, mais avec des temps de submersion supérieurs, ce qui représente un facteur écologique néanmoins déterminant. Ces conditions environnementales sont interprétées comme étant plus stressantes pour les communautés benthiques, notamment pour les bivalves fouisseurs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : enrochement, littoral, artificialité, protection, érosion, benthos, plage.

Cette thèse contribue au domaine de la modélisation en centrifugeuse géotechnique des barrages en enrochement. Étant donné que les essais œdométriques sont généralement utilisés pour estimer les déformations verticales de la partie centrale des barrages en enrochement, une étude comparative a été réalisée entre les déformations verticales des modèles en centrifugeuses d’assemblages de particules de roche avec des pentes non supportées (2D) et les déformations verticales observées au cours des essais œdométriques (1D). Les deux types d’essais ont été effectués sur des assemblages de particules de roche avec la même granulométrie, tout en tenant compte de l’effet de la compacité. La comparaison a montré que pour une densité relative donnée, les modèles en centrifugeuses ont subi des déformations verticales plus élevées que celles des spécimens œdométriques et que le rapport entre les déformations verticales des sommets des modèles et celles obtenues lors des essais œdométriques diminue quand la densité relative augmente. De plus, une autre série d’essais en centrifugation a été réalisée sur des modèles de barrages en enrochement avec des noyaux centraux minces pour simuler le comportement typique de ce type de barrages pendant la construction et le remplissage du réservoir, tout en explorant les effets de la granulométrie et d’échelle sur la réponse de ces modèles. Ces modèles ont différentes granulométries alors qu’ils ont la même densité relative. Tout au long des essais, la rigidité de réponse a été plus élevée quand le coefficient d’uniformité des granulométries des modèles augmente pour la même taille maximale des particules et quand la taille maximale des particules diminue pour des granulométries parallèles. La taille des particules dans les grandes structures en enrochement telles que les barrages en enrochement empêche les essais de laboratoire sur ces matériaux et par conséquent, la prédiction du comportement sur le terrain nécessite le développement d’une méthode d’analyse afin d’extrapoler les résultats des essais de laboratoire tout en prenant les effets d’échelle et de la granulométrie en compte. Une méthode d’analyse est adoptée dans ce travail afin d’extrapoler les résultats des essais en centrifugeuses menés sur les modèles, déjà mentionnés, des barrages en enrochement avec des noyaux centraux minces, ce qui a permis la prédiction des déformations verticales de différentes zones du barrage de la Romaine 2. Cette méthode d’analyse est basée sur les effets d’échelle sur l’aptitude à la fragmentation des matériaux granulaires et il tient compte des résultats expérimentaux passés relatifs à cette question. Les valeurs prédites des déformations verticales de différentes zones du barrage de la Romaine 2 étaient dans le même ordre des valeurs des mesures in situ pendant la construction et le premier remplissage. / This thesis contributes to the domain of geotechnical centrifuge modeling of rockfill dams. Given that odometer testing is usually used to estimate the vertical deformations of the central part of rockfill dams, a comparative study was performed between the vertical deformations of centrifuge models of rock particle assemblages with unsupported slopes (2D) and the vertical deformations observed during oedometer tests (1D). Both types of testing were conducted on rock particle assemblages with the same gradation while considering the effect of compactness. The comparison showed that for a given relative density, the centrifuge models experienced higher vertical deformations than those of the oedometer specimens and the ratio between the vertical deformation of the top of the models and that obtained during the oedometer tests decreases as relative density increases. Furthermore, another series of centrifuge tests was conducted on models of rockfill dams with thin central cores to simulate the typical behavior of such type of dams during construction and reservoir impoundment while exploring the effects of gradation and size scale on the response of these models. These models have different gradations while they have the same relative density. Throughout the tests, the response stiffness was higher as uniformity coefficient of the models’ gradations increases for the same maximum particle size and as maximum particle size decreases for parallel gradations. Particle size in large rockfill structures such as rockfill dams prevent laboratory testing of these materials and consequently, the prediction of field behaviour requires the development of an analysis method in order to extrapolate the laboratory testing results while taking the effects of size scale and gradation in consideration. An analysis method is adopted in this work in order to extrapolate the results of the centrifuge tests conducted on the already mentioned models of rockfill dams with central thin cores, which allowed the prediction of vertical deformations of different zones of the Romaine 2 dam. This analysis method is based on size scale effects on the crushability of granular materials and it considers past experimental findings relating to this issue. The predicted values of vertical deformations of different zones of the Romaine 2 dam were in the same order of the field measurement values during construction and reservoir impoundment.

Cette thèse contribue au domaine des déformations post-construction des barrages en enrochement. D’abord, en étudiant le comportement in situ en compression de l’enrochement, il a été révélé que la compressibilité à court terme et la compressibilité en fonction du temps de l’enrochement sont reliés. De plus, la résistance à la compression simple (RCS) de la roche-mère et l’indice des vides de l’enrochement sont deux paramètres clés qui déterminent la compressibilité in situ de l’enrochement. Ainsi, ces paramètres, en plus du comportement des matériaux de remplissage pendant la construction (quantifiées par le module de déformation), ont été utilisés pour présenter des lignes de tendance pour prédire les déformations post-construction de différents types de barrages en enrochement. En considérant une base de données de 19 barrages en enrochement avec masque amont en béton et 22 barrages en enrochement zoné avec noyau en terre et en évaluant des tassements pendant et après la construction des lignes de tendance établissant un rapport entre les déformations post-construction et le comportement observé lors de la construction ont été développées. Dans les lignes directrices présentées, les tassements peuvent être obtenus séparément pour chacune des trois phases du cycle de vie des barrages : avant, pendant et après la mise en eau. De plus, le point zéro du temps pour les déformations en fonction du temps a été redéfini pour chaque phase. Lors du calcul des modules de déformation, les géométries de remblai ont été prises en compte en considérant un facteur de réduction pour les contraintes verticales à l'intérieur des remblais. Cette étude fournit une bonne base pour caractériser et estimer le comportement de l’enrochement pendant et après la construction des barrages en enrochement. Les tendances présentées montrent qu’en plus de surmonter les difficultés reliées aux méthodes actuelles (y compris les essais au laboratoire, les modélisations numériques, et des méthodes empiriques), les approches proposées sont précises et très pratiques. Cette recherche permet également une meilleure compréhension des mécanismes de déformation de l’enrochement. Outre l'utilisation de ces méthodes comme outils prédictifs des tassements, les relations présentées peuvent être utilisées afin de détecter un comportement atypique d'un barrage en enrochement au cours de sa durée de vie. / This thesis contributes to the area of post-construction deformations of rockfill dams. First, by studying the in-situ compression behavior of rockfill, it was revealed that the rockfill short-term compressibility and time-dependent compressibility are connected. Additionally, unconfined compressive strength (UCS) of parent rock and the rockfill void ratio are two key parameters that determine the in-situ (short-term and time-dependent) rockfill compressibilities. Thus, these parameters, besides the fill materials behavior during construction (quantified by defining deformation modulus) were used to present guidelines for predicting post-construction deformations of different types of rockfill dams. In other words, by gathering a comprehensive data base of 19 concrete face rockfill dams and 22 earth core rockfill dams and evaluating settlements during and after construction, trend lines were developed which relate the post-construction settlements to the observed behavior during construction. In the presented guidelines, settlements are obtainable separately for each of the three dams’ life cycle phases: before, during and after impoundment. Additionally, the time datum for time-dependent deformations was redefined for each phase. When calculating the material moduli, the embankment geometries were taken into account by introducing a reduction factor for vertical stresses inside embankments. This study provides a good framework for characterizing and estimating the behavior of rockfill during and after construction of embankments. The trend lines presented based on behavior of numerous rockfill dams show that, in addition to addressing some limitations of previous methods (including laboratory testing, numerical modeling, and empirical methods), the approach proposed for predicting post-construction settlements is accurate and highly practical. This research also permits a better understanding of rockfill deformation mechanisms. Apart from using the presented method for predictive purposes, the presented graphs can be used to distinguish unexpected settlement behavior of a rockfill dam during its post-construction lifespan.