Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l'installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité. / Road design and construction techniques developed in southern Canada definitely need to be adapted to northern environment to prevent dramatic permafrost thawing after new road construction. Furthermore, climate warming causes now important soil stability problems in the Canadian far north. All these factors lead to a loss of the functional and structural capacities of the Alaska Highway over a 200-km section mainly from Destruction Bay to the Alaska border. To find long term and cost-effective solutions, Yukon Highways and Public Works (in collaboration with the Alaska University Transportation Center, Transport Canada, le U.S. Federal Highways Administration, l’Université de Montréal and l’Université Laval) constructed 12 instrumented sections on the Alaska Highway near Beaver Creek (Yukon) in 2008. These sections experiment one or several combined methods of thermal stabilization such as convection air embankment, heat drains, snow/sun shed, grass-covered embankment, longitudinal culverts, reflecting surfaces and snow clearing on embankment slopes. The main objectives of this project are 1) to analyze the ground thermal regime and the heat fluxes for each of the 12 sections during their first three years in service; 2) to document all factors which can facilitate or disrupt the efficiency of the protection systems and; 3) to determine the long term costs / benefits ratio for every technique tested. In order to do this, a new method based on the calculation of heat extraction Hx and heat induction Hi index at the interface between the embankment and the natural ground has been used in this study. The permafrost mitigation techniques that showed good potential for cooling by reducing active layer thicknesses were the ACE uncovered, the longitudinal culverts, the snow/sun shed and the light-coloured aggregate BST (although this was only effective along the central part of the highway). Unfortunately, problems in the installation of the heat drain techniques prevented a full assessment of their effectiveness. The durability of the sections as well as their long-term cooling potential must also be assessed to complete the economic analysis provided in this study.

L’apport de chaleur induit par les constructions routières est susceptible d’affecter le régime thermique du pergélisol sous-jacent et de causer des dommages importants. Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont fréquemment observés et certains sont localisés aux abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant. De plus, une mauvaise gestion du drainage de l’eau aux abords des ouvrages aggrave la sévérité des instabilités. Afin de documenter ces perturbations, deux ponceaux ont été instrumentés sur l’Alaska Highway au Yukon. Le premier est situé au site expérimental de Beaver Creek; le deuxième est proche de la frontière avec l’Alaska. Les températures du sol autour des ponceaux et la température de l’air dans les ponceaux ont été enregistrées pendant une année; tandis que la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La collecte de ces données a permis de concevoir un modèle 2D sur le logiciel TEMP/W représentant le remblai et le ponceau de Beaver Creek. En parallèle, les données ont servi à valider un modèle mathématique établi basé sur des principes physiques. Ce modèle permet de calculer le flux de chaleur transmis au sol en fonction du débit et de la température de l’eau. Par la suite, des simulations de variation de débit et de température de l’eau ont été appliquées dans le modèle mathématique. Les différents flux de chaleur correspondants ont été appliqués sur le modèle thermique 2D afin de déterminer l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de conception comme la présence ou non de l’isolant. Ce mémoire présente donc trois objectifs principaux; 1) l’amélioration des connaissances relatives à l’effet de la circulation de l’eau à travers un ponceau sur le régime thermique du sol sous-jacent; 2) la documentation sur le régime thermique autour de ponceaux routiers; et 3) l’étude de l’influence du débit et de la température de l’eau sur la stabilité thermique du sol. Finalement, une méthode de conception de système de drainage, permettant de limiter l’impact d’un ponceau sur la profondeur de dégel du sol sous-jacent, est présentée dans le présent mémoire. / Heat sources induced by road construction are likely to affect the thermal regime of underlying permafrost and cause significant damage. On the Alaska Highway in Yukon (Canada), instability problems have been observed and some are located close to culverts. Culverts allow free water and air circulation through the buried pipe. Thus, additional thermal disturbances occur at that location. In addition, poor water management around the embankment exacerbates instabilities. To document these disturbances, two culverts were monitored; one is located at the Beaver Creek test site and the second is close to the U.S Border. Air temperature within and soil temperatures around the culverts were recorded for one year, while water temperature and flow rate were recorded during two thawing seasons. The data collection allowed the design of a 2D model in TEMP/W representing thermal conditions around the Beaver Creek culvert. Then, these data were used to validate an established mathematical model based on the physical principles of heat transfer. The mathematical model calculates the heat flux transmitted to the ground as a function of water temperature and flow rate. Subsequently, variations of flow rate and water temperature were applied to the mathematical model. The corresponding heat fluxes were applied to the 2D thermal model in TEMP/W to determine the influence of flow rate and water temperature on soil temperatures below the culvert. Similar simulations were conducted with design parameters, such as the presence or absence of the insulation. This thesis 1) enhanced knowledge of the effects of flow rate and water temperature through a culvert on the soil thermal regime; 2) documented the thermal regime around culverts; and 3) studied the influence of flow rate and water temperature on the thermal regime. Finally, a drainage system design method is presented which aims to minimize the impact of a culvert on the thaw depth.