Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Une rivière alluviale s'écoule sur une épaisse couche de sédiments. Lorsqu'elle construit son lit, elle entraîne, transporte et dépose des sédiments, façonnant ainsi sa propre forme. Ainsi, le couplage entre l'écoulement et le transport sédimentaire régit la taille et la forme de la rivière. Dans cette thèse, nous étudions l'influence du transport sédimentaire sur la forme et la stabilité d'une rivière alluviale. Pour ce faire, nous reproduisons des rivières en laboratoire en laissant s'écouler un liquide visqueux sur un lit granulaire. L'aspect du chenal ainsi formé dépend des débits de liquide et de sédiment injectés en entrée. A l'aide de ces expériences, nous mettons en évidence les deux mécanismes qui contrôlent l'équilibre d'une rivière. D'abord, la gravité entraîne les grains vers le centre du chenal. Ce mécanisme érode continuellement les berges de la rivière, et tend donc à l'élargir. Cependant, les collisions d'un grain avec le lit dévient sa trajectoire dans la direction transverse à l'écoulement. Les grains se comportent ainsi comme des marcheurs aléatoires, qui, collectivement, diffusent vers les berges de la rivière. A l'équilibre, cette diffusion compense la gravité, et fixe ainsi la forme de la rivière. Lorsque la diffusion prend le dessus sur la gravité, elle peut induire une instabilité. En effet, si on perturbe un lit sédimentaire avec des stries longitudinales, le cisaillement fluide est plus faible là où l'écoulement est moins profond. Par conséquent, les grains diffusent depuis les creux de la perturbation vers ses crêtes. Cette rétroaction déstabilisante pourrait générer de nouveaux chenaux, et expliquer la formation des rivières en tresses. / An alluvial river builds its own bed with the sediment it transports. The channel bounds the flow, which in turns deforms the channel through erosion and deposition. This coupling between flow and sediment transport selects the shape and the size of the river. In this manuscript, we investigate it using laboratory experiments. The first ingredient of this coupling is gravity, which pulls the moving grains towards the center of the channel, thus continually eroding the banks. However, due to the roughness of the bed, the trajectory of a moving grain fluctuates across the stream. The bedload layer is therefore a collection of random walkers which diffuse towards the less active areas of the bed. In a river at equilibrium, this diffusion counteracts gravity to maintain the banks. When gravity and diffusion are out of balance, their interaction causes an instability. Indeed, if an initially flat bed of sediment is perturbed with longitudinal streaks, the flow-induced shear stress is weaker where the flow is shallower. Therefore, bedload diffusion induces a sediment flux towards the crests of the perturbation. This positive feedback induces an instability which can generate new channels. We suggest that this mechanism could initiate the braiding of alluvial rivers.

La nécessité du traitement d'eaux de ruissellement routier chargées en sel de voirie (sodium, calcium, chlorure) et d'eaux issues d'une agriculture intensive (phosphore) a permis l'étude (Saint-Augustin, Canada) et l'évaluation de la transposition (Massif-Central, France) d'une unité filtrante basée sur des principes physicochimiques d'adsorption. Un suivi qualitatif et hydraulique des eaux de surface ainsi qu'une étude des matériaux constituant l'unité (calcite, dolomie, pouzzolane, anthracite) ont été accomplis. Des mesures de débit par déversoir, essais de traçage, échantillonnage d'eau ont été réalisés sur terrain. Des essais d'adsorption, cinétiques, isothermes et colonnes ont été faits en laboratoire. L'étude terrain a montré que l'unité filtrante est assimilable à un réacteur piston pour des débits supérieurs à 400 mL/s, et permet un abattement maximum respectif de 67%, 71% et 70% pour le chlorure, calcium et phosphore total. L'étude en laboratoire a révélé une adsorption de 20% du sodium (calcite) et 15,4% du chlorure (dolomie). / The treatment necessity of run off water concentrated in road salts (sodium, calcium, chloride) and intensive agriculture stemming waters (phosphor) allowed the study (Saint-Augustin, Canada) and the evaluation of the transposition (Massif-Central, France) of a filtering unit based on adsorption physicochemical properties. A qualitative and hydraulic follow-up of surfaces waters as well as a study of the unit constituting materials (calcite, dolomite, pozzolan, anthracite) were carried out. Flow measures by overflow, tracers tests, water sampling were realized on the field. Adsorption, kinetics, isotherms and columns tests have been made in laboratory. The field study showed that the filtering unit is comparable to a plug flow reactor for flows over 400 mL/s, and allows a respective maximum allowance of 67%, 71% and 70% for the chloride, calcium and total phosphor. The study in laboratory revealed an adsorption of 20% for the sodium (calcite) and 15,4% for the chloride (dolomite).

Les calculs numériques peuvent désormais modéliser des comportements non-linéaires observés lors du chargement cyclique des sols granulaires lâches tels le comportement hystérétique, la déformation plastique et la génération de surpressions interstitielles. La fiabilité et les modalités d'utilisation de ces nouveaux outils de calculs demeurent toutefois à être évaluées, tout particulièrement dans le contexte sismique de l'est canadien. Le but de ce projet de maîtrise est de faire le point sur 4 modèles de comportement dynamiques disponibles à ce jour pour évaluer la réponse sismique d'un sol potentiellement liquéfiable. Le premier modèle considéré dans l'étude est le modèle linéaire-équivalent du logiciel ProShake. Les trois autres modèles considérés sont le modèle en élasticité non-linéaire hystérétique, le modèle hystérétique avec un critère de plasticité de Mohr-Coulomb et le modèle hystérétique avec critère de plasticité de Mohr-Coulomb et génération de surpressions interstitielles. Ces trois derniers modèles sont implantés dans le logiciel FLAC 6.0. La réponse dynamique de site est calculée pour le site instrumenté de Wildlife pour lequel des enregistrements d'accélération, de surpressions interstitielles et de déformations sont disponibles et pour le site de Témiscouata, un site de l'est canadien qui a été le sujet de 4 campagnes d'investigations géotechniques majeures et constitué des sols granulaires lâches. La comparaison des modèles est effectuée sur la base du calcul des accélérations en surface, des contraintes et des déformations ainsi que sur le calcul de la résistance de site. Au terme des analyses, il a été trouvé que le modèle linéaire équivalent et le modèle en élasticité non-linéaire hystérétique montrent des résultats similaires, mais que le modèle linéaire-équivalent sous-estime les déformations élastiques et amortit plus les vibrations de faible amplitude. Le modèle en élasticité non-linéaire hystérétique avec critère de plasticité de Mohr-Coulomb permet d'évaluer l'atteinte de la résistance, mais pas les déplacements plastiques subséquents. Le modèle en élasticité non-linéaire hystérétique avec critère plasticité de Mohr-Coulomb et génération de surpressions interstitielles a calculé des surpressions interstitielles qui ne sont pas consistantes avec les résultats des autres modèles et les données de la littérature. Une méthodologie devrait être mise en place pour l'utilisation du modèle à partir d'investigations géotechniques de routine.

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.

Les eaux de ruissellement routier constituent une problématique due principalement à la circulation routière. Dans certains pays des sels de déglaçage sont répandus sur les routes pendant l’hiver et ceci ajoute d’autres contaminants à cette problématique. Pour traiter ces eaux de ruissellement il a été proposé d’utiliser un marais épurateur construit (MEC) couplé à un lit filtrant. Étant donné le taux de salinité élevé de ces eaux, il a également été suggéré de se servir d’espèces halophytes (plantes qui accumulent les sels) pour le MEC. Le lit filtrant serait composé de calcite, un minéral qui adsorbe le phosphore. L’un des objectifs de cette étude est de déterminer la faisabilité d’un traitement par MEC avec des espèces halophytes en évaluant d’abord les conditions optimales nécessaires pour la croissance des espèces sélectionnées (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis, Typha augustifolia), et leur capacité d’accumulation des sels. Des essais-pilotes menés en serres sont ensuite réalisés à partir des valeurs optimales de ces facteurs. L’autre objectif est d’étudier la capacité d’adsorption par la calcite en fonction de la concentration de phosphore initiale, du temps et de la présence ou non de métaux dans l’eau. Ces caractéristiques nous permettent de définir les paramètres d’essais d’adsorption menés dans des colonnes qui nous permettront de formuler des recommandations quant à la conception du lit filtrant. Les essais-pilotes ont permis d’atteindre des taux d’enlèvement de chlorure et de sodium allant jusqu’à 97 % selon l’espèce halophyte considérée. Les plus hauts taux d’enlèvement ont été constatés dans le cas des unités pilotes d’Atriplex patula. Il a été observé que les adsorptions de phosphore par la calcite ont atteint 1,7 mg P/g de calcite. Les résultats des essais en colonne ont présenté des réductions des concentrations allant jusqu’à 64 %. Cependant le traitement pourrait être meilleur à grande échelle. Des suggestions de recherches futures pour l’amélioration de ces traitements sont présentées en conclusion. / Road runoff is a worldwide problematic, mainly due to metals and hydrocarbon released by cars. Certain Nordic countries like Canada add other contaminants to this chemical mixture by spreading de-icing salts on their roads during winter. With the goal of treating high salt concentration road runoff, it has been proposed to use a constructed wetland coupled with a packed bed filter. Halophytic plants (plants able to accumulate salts) have been suggested as the constructed wetland vegetation. The packed bed filter would be filled with calcite, a phosphorus adsorbant material. The first objective of this thesis was to determine the feasibility of a treatment by constructed wetlands with halophytic plants. Our methodology consisted in evaluating the optimal conditions (1) for the growth of the selected species (Atriplex patula, Salicornia europaea, Spergularia canadensis and Typha augustifolia) and (2) for NaCl accumulation. Those results have been used to design 16 pilot tests by our laboratory. The second objective was to study the phosphorus adsorption capability of calcite as a function of the initial phosphorus concentration, time, temperature and the presence of metals. Adsorption was then tested in column tests. Constructed wetland pilots resulted in chloride and sodium reduction rates from 0 to 97 % depending on the species. The calcite presented adsorptions of active phosphorus up to 1.7 P/g mg of calcite. The results of the column tests allowed a 64 % removal of phosphorus. Saturation of calcite has been reached in a few hours. Treatment could be improved on a large scale device. It is recommended to place the packed bed filter after the MECA and to the follow the design parameters: 1) nutrition complement in the substrate, 2) water level close to the soil surface, 3) a residence time of one week and 4) different basins to be able to optimize the phytoremediation capabilities of the selected species. Packed bed filter should have a residence time of two hours and a calcite of 0.317 cm granulometry. Suggestions for future research to improve treatment system are presented in the conclusion section.

La présente étude porte sur la caractérisation des particules fines des différentes fractions (< 400 um, < 160 um, < 80 um) des matériaux granulaires MG-20 de fondation routière par l'essai au bleu de méthylène. Elle se situe dans le cadre de la Chaire de Recherche en Exploitation des Infrastructures soumises au Gel (CREIG) de l'Université Laval. L'influence de la dimension des particules fines soumises à l'essai vis-à-vis du degré d'adsorption du bleu de méthylène a été évaluée à l'aide de l'essai au bleu de méthylène conventionnel, suivant la norme «LC 21-255, "détermination de la valeur au bleu de méthylène des sols et des granulats» du Ministère des Transports du Québec, MTQ », et selon l'approche développée à l'université Laval, à l'aide d'un spectrophotomètre. Les essais au bleu de méthylène ont montré que la détermination de la valeur au bleu (VB) ou de la surface spécifique (Ss) des sols à l'aide du spectrophotomètre élimine plusieurs facteurs d'erreur que l'on retrouvait avec la méthode conventionnelle (i.e. méthode du papier filtre). Ainsi, il s'est avéré que la valeur au bleu à l'aide du spectrophotomètre (VBs) est plus adéquate que la valeur au bleu avec la méthode du papier filtre (VBPF) du fait que la procédure utilisée pour l'obtention de ces valeurs est la plus objective. Il a été aussi démontré que les relations établies entre la surface spécifique (Ss) et le pourcentage des fines inférieures à 80 um (% particules fines <80 um) sont beaucoup plus valides que celles faites à partir du pourcentage de fins, puis celles représentant l'influence du type du minéral argileux et sa proportion par rapport à la masse totale dans le sol. De plus, l'approche développée par Konrad (1999) entre le potentiel de ségrégation (SP0) et les propriétés d'indice sur des sols fins a indiqué une forte corrélation entre le potentiel de ségrégation (SP0), la surface spécifique des fines < 80 um (Ss <so um) et la dimension moyenne des fines < 80 um (dso (FF)) du MG-20. Il a été montré également que la valeur au bleu (VB) ou la surface spécifique (Ss) des fines non argileuses, déterminées par la méthode d'adsorption de bleu de méthylène, sont fortement influencés par l'état de surface et la porosité intragranulaire du grain, menant ainsi à des surestimations de la capacité d'adsorption du matériau dont les grains sont altérés.

Dans la majorité des agences de transports, il est commun de restreindre la distribution de la taille des grains des MG 20 par l'utilisation de fuseaux granulométriques. Pourtant, des variations de la performance allant de subtiles à très marquées peuvent être mesurées à l'intérieur d'un même fuseau granulaire. Ceci est vrai malgré le fait que certains fuseaux sont relativement serrés, comme c'est le cas entre autres au Québec, particulièrement en termes de pourcentage de particules fines, pour contrer les effets du gel. Il semble donc nécessaire d'arriver à mieux comprendre et expliquer l'influence des modifications granulométriques sur diverses qualités que doivent présenter les MG 20. Cette thèse présente donc la synthèse d'une étude détaillée en laboratoire analysant l'effet de la granulométrie sur la performance globale des MG 20, quantifiée par la sensibilité aux contraintes mécaniques et environnementales. En caractérisant le comportement mécanique, hydrique et thermique de six courbes granulométriques de formes variées, il a été possible d'identifier les principaux indicateurs, directement ou indirectement reliés à la granulométrie, en lien avec divers types de performance des MG 20 pour trois sources de granulats typiquement retrouvées au Québec. Les résultats montrent que la sensibilité aux contraintes environnementales peut être globalement décrite par un paramètre lié à la volumétrie des particules fines et que la sensibilité aux contraintes mécaniques est reliée à divers indicateurs granulométriques liés à diverses fractions granulométriques. Afin d'arriver à proposer des matériaux ayant un comportement global bonifié pour divers contextes de performance, il a été suggéré de subdiviser la plage de variation maximale de chaque paramètre de performance en quatre niveaux de performance. Ceci permet, pour des contextes de performance typiques au Québec et leurs principaux mécanismes de dégradation associés, de suggérer des zones granulométriques relativement continues et définissant des matériaux ayant un comportement optimisé pour ces divers contextes. Cette approche offre une latitude nécessaire permettant de prendre en compte les diverses caractéristiques souhaitables des MG 20, pour les divers paramètres de performance, qui sont souvent complémentaires.

Un des aspects les plus importants pour la conception et le dimensionnement des chaussées est le module élastique ou réversible (MR) qui permet de caractériser le comportement mécanique des matériaux nécessaire pour le dimensionnement d'une chaussée (AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais 1986). Le module de chacune des couches associé à son épaisseur permet de définir une structure dite multicouche pour laquelle il est possible de modéliser le comportement contrainte-déformation sous charge. Par contre, en considérant la complexité de l'essai de MR et le coût des équipements requis pour le mesurer, le développement de méthodes d'estimation simples, précises et spécifiques au matériau considéré faciliterait la mise en application d'outils de conception mécanistes-empiriques au Canada. Ce projet a donc comme objectif le développement d'un modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires de chaussées adaptés aux matériaux du canadiens. La valeur du MR dépend d'un grand nombre de paramètres. Cette approche de prédiction considère des variables liées à la teneur en eau, la granulométrie et la densité des matériaux granulaires pour l'estimation des constantes C₁ et C₂ du modèle linéaire MR = cls[thêta] + c2s + [delta]MR. Un total de 25 matériaux granulaires de différentes régions de Canada a été considéré pour le développement de ce modèle. En conclusion ce modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires fournit une première approximation statistiquement significative en comparaison aux approximations utilisées actuellement au Québec. De plus, il est possible de trouver le MR à n'importe quel degré de saturation, avec l'inclusion du [delta]MR dans l'équation du MR. Ce modèle de prédiction est une approximation très intéressante et simple, puisque dans le but de trouver la valeur du MR, il permet d'éviter la réalisation d'un essai triaxial cyclique complexe et coûteux en ne réalisant que des essais standards.

Le projet de maîtrise présenté consiste en l'étude comparative de la performance en laboratoire de matériaux granulaires (MG) stabilisés. Les travaux ont été réalisés en laboratoire à l'aide d'essais de cisaillement direct et indirect par compression non confiné sur un MG-20B. Les paramètres variés lors de l'étude sont la concentration, la teneur en eau, la proportion et le pourcentage de particules fines. Les matériaux stabilisant expérimentés proviennent de trois familles de produits : agents d'agglomération de particules (ciment type-GU), agents de cohésion chimiques (CaCb et saumure naturelle) et autres agents (polymères). Les essais ont permis de définir une matrice de produits stabilisants qui sera utilisée pour les essais à l'aide du Simulateur climatique et mécanique. Elle comprend les deux types de produits soit les produits abat-poussières (CaCh, saumure naturelle et polymère) et les produits stabilisants (ciment, polymère). Cette matrice servira lors des prochains essais en laboratoire et sur le terrain.