Les tourbières sont largement présentes dans les hautes latitudes nord et plus particulièrement dans les régions de pergélisols. Elles contiennent un important stock de carbone et constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane. Leur représentation dans un modèle de climat estalors primordiale pour améliorer celle du cycle du carbone. De plus, la contribution des émissions de méthane des tourbières reste encore incertaine et de nombreuses incertitudes persistent. Les émissions de méthane des tourbières dépendent fortement du climat et sont influencées principalement par la température et l’humidité du sol. Parallèlement, le réchauffement climatique particulièrement prononcé à ces latitudes conduit au dégel des pergélisols avec une augmentation de la profondeur de la couche active. Ce grand réservoir de carbone peut être partiellement mobilisé et émis sous forme de CO2 ou CH4, en fonction des conditions hydrologiques à la surface.L’objectif de ces travaux de thèse consiste à représenter les tourbières des hautes latitudes dansle modèle de surface ORCHIDEE. Ce développement est effectué dans la version du modèle qui intègreles processus des hautes latitudes tels que le gel des sols. Les tourbières sont représentées parun schéma hydrologique spécifique ce qui améliore les échanges en énergie et en eau. La difficultérepose sur la représentation des processus locaux des tourbières à l’échelle d’un modèle de climatglobal. Certaines propriétés biologiques ont également été prises en compte afin de mieux représenter la végétation de ces milieux. Pour cela, les tourbières sont intégrées comme un nouveau type devégétation et représentées par une fraction de grille, basée sur des observations. Le comportement hydrologique et l’impact de cette intégration sont évalués à échelle des hautes latitudes ainsi qu’à échelle régionale. Ce développement permet d’estimer ensuite l’évolution de l’hydrologie des tourbières suite au réchauffement climatique. Les changements de l’hydrologie des tourbières d’ici la fin du siècle permettent de mieux évaluer les variations futures de leurs émissions de CH4.Ce travail de développement a ensuite été appliqué pour déterminer l’évolution des émissions deméthane. Les tourbières constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane et contrôlentà plus de 70 % la variabilité interannuelle de la concentration atmosphérique de CH4. Les émissionsde méthane résultent de différents processus physiques et biologiques tels que la méthanogénèse etla méthanotrophie. Pour représenter ces processus, un modèle de densité de flux existant, intégré dans ORCHIDEE, a été adapté pour les tourbières afin d’estimer les émissions de méthane des tourbières des hautes latitudes. L’évolution de ces émissions est étudiée entre le début du 20ème et la fin du 21ème siècles selon différents scénarios climatiques. / Peatlands are widely present in northern latitudes and especiallyin permafrost regions. They contain a high carbon stock and are one ofthe greatest natural sources of methane. Their representation in a climate model is crucial to improve the one of the carbon cycle. Moreover, the contribution of methanepeatland emissions remains uncertain.Methane emissions from peatlands strongly depend on the climate and are influenced primarily by temperature and soil moisture. Meanwhile, climate change is particularlysevere at these latitudes and leads to thawing permafrost with increasing the active layer depth. This large carbon reservoir may be partially mobilized and emitted asCO2 or CH4, depending on hydrological conditions at the surface.The aim of this PhD thesis is to represent northern peatlands in the ORCHIDEE land surface model. This development is carried out in the version of the model that incorporatesprocesses in high latitudes such as the soil freezing. Peatlands are represented by a specific hydrological scheme which improves the exchange of energy and water. The difficulty isbased on the representation of local peatlands processes across a global climate model. Some biological properties were also considered to represent bettervegetation of these environments. To do so, peatlands are integrated as a new type ofvegetation and represented by a fraction of a grid, based on observations. Thehydrological behaviour and the impact of this integration are estimated at the boreal scale as well asregionally. This development then allows estimate changes in the hydrology of peatlands due to global warming. Studying the changes in hydrology of peatlands by the end of th 21st century will improve the prediction of future changes in their CH4 emissions.This development work was then applied to determine the evolution of methane emissions. Peatlands are one of the largest natural sources of methane and control more than 70% interannual variability of atmospheric concentration of CH4. Methane emissions result from various physical and biological processes such as methanogenesis and the methanotrophy. To represent these processes, a flux density model, integratedin ORCHIDEE, was adapted for peatlands to estimate their methane emissions. The evolution of these emissions is studied between the early 20th and late 21st centuries under different climate scenarios.

Au Nunavik, Québec, suite à la déglaciation et aux transgressions marines le long des côtes des Baies d’Hudson et d’Ungava, des sédiments fins gélifs se sont déposés dans ces secteurs côtiers. Lors de l’émersion postglaciaire suivant le relèvement isostatique, ces dépôts marins ont été mis en contact avec l’air froid et un pergélisol riche en glace s’est formé. Les infrastructures des communautés Inuites qui se trouvent aussi le long des côtes du Nunavik peuvent donc être construites sur un pergélisol riche en glace et leurs infrastructures sont peut-être vulnérables à la dégradation du pergélisol. Cette vulnérabilité peut affecter le développement durable de ces communautés au niveau de la performance, des coûts d’entretien et de la pérennité de leurs infrastructures nordiques. Afin de répondre aux besoins en ingénierie nordique d’investigation efficace des environnements pergélisolés pour soit éviter les zones vulnérables à la dégradation du pergélisol ou soit concevoir des méthodes de mitigation de cette dégradation, des objectifs ont été fixés dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat: 1) de déterminer un modèle géocryologique conceptuel d’une butte de pergélisol riche en glace en zone de pergélisol discontinu au Nunavik à partir de l’interprétation d’une série de cinq essais de pénétration au cône réalisés dans cette butte, 2) en tenant compte de ce modèle conceptuel et à l’aide de la modélisation directe en géophysique, de développer une approche géophysique originale basée sur différentes méthodes géo-électriques pour l’auscultation du pergélisol, 3) de tester cette approche géophysique sur la butte de pergélisol riche en glace précédente, et 4) de développer des connaissances sur la géocryologie des buttes de pergélisol au Nunavik. Le site d’études est localisé dans une vallée profonde près de la communauté Inuite d’Umiujaq sur la côte est de la Baie d’Hudson. Des environnements pergélisolés caractéristiques du Nunavik dont notamment des buttes de pergélisol riche en glace sont facilement accessibles à partir de cette communauté. La méthodologie de recherche comprend l’utilisation de la modélisation directe à partir d’un modèle géocryologique de la butte de pergélisol étudiée pour concevoir l’investigation géophysique par tomographies de polarisation provoquée et diagraphies de résistivité électrique. Des tomographies bidimensionnelles et tridimensionnelles de polarisation provoquée ainsi que des diagraphies de résistivité électrique ont ensuite été réalisées pour caractériser le pergélisol du site d’étude. L’inversion et l’interprétation de ces levés géo-électriques ont permis de définir des modèles unidimensionnels, bidimensionnels et voire même tridimensionnels de résistivité et de chargeabilité électrique du site d’étude. Le modèle géocryologique initial de la butte de pergélisol étudiée a été amélioré en tenant compte des résultats de l’investigation géo-électrique. Le coeur riche en glace de la butte de pergélisol a été délimité avec précision à l’aide de cette approche d’investigation géo-électrique. En conclusion, l’approche d’investigation géo-électrique développée dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat pour l’auscultation bidimensionnelle et tridimensionnelle du pergélisol peut être utilisée pour identifier des zones vulnérables à la dégradation du pergélisol avant la construction d’infrastructures nordiques ou au droit de telles infrastructures déjà construites pour évaluer leur vulnérabilité. / In Nunavik (Québec), frost-susceptible marine sediments were deposited along the coasts of Hudson Bay and Ungava Bay after their deglaciation and during the subsequent marine transgression. Following the postglacial emersion due to the isostatic uplift, the marine deposits came in contact with the cold air and ice-rich permafrost formed in these deposits. Therefore, the Inuit communities located along the coasts of Nunavik may be built on ice-rich permafrost and their infrastructures may be vulnerable to permafrost degradation. This vulnerability may impact the sustainable development of these communities affecting the performance, maintenance costs and service life of their infrastructures. In answer to the needs of efficient permafrost investigation in cold regions engineering to avoid zones vulnerable or use mitigation method to permafrost degradation, the main goals of this doctoral research project are: 1) to assess a conceptual geocryological model of an ice-rich permafrost mound in the discontinuous permafrost zone in Nunavik from the interpretation of five cone penetration tests carried out in the mound, 2) taking into account the previous model and using the forward modelling approach in geophysics, to develop an innovative geophysical approach based on different geo-electrical methods for permafrost investigation, 3) to test this geophysical approach for the characterization of the previous ice-rich permafrost mound, and 4) to contribute to knowledge development on the geocryology of permafrost mounds in Nunavik. The study site is located in a deep valley near the Inuit community of Umiujaq along the east coast of Hudson Bay. Permafrost environments characteristic of Nunavik such as ice-rich permafrost mounds are found in this valley which is accessible from this community. The research methodology consists in using the forward modelling approach in geophysics taking into account the conceptual geocryological model of the studied ice-rich permafrost mound to design the geophysical investigation based of induced polarization tomography and electrical resistivity logging. Two-dimensional and three-dimensional induced polarization tomography and electrical resistivity logging were then performed of the study site. Unidimensional, two-dimensional and three-dimensional models of electrical resistivity and chargeability of the study site were found from the inversion of these geo-electrical surveys. The conceptual geocryological model was then improved by interpretating these geo-electrical models. The ice-rich core of the permafrost mound was accurately delineated using this geophysical approach. In conclusion, the geo-electrical investigation approach developed herein for the two-dimensional and three-dimensional characterization of ice-rich permafrost environments can be used to delineate zones vulnerable to permafrost degradation before the construction of northern infrastructures or along existing infrastructures to assess their vulnerability.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / Six places-échantillons représentatives de la séquence temporelle écologique associée à la dégradation du pergélisol ont été sélectionnées sur un plateau silteux à pergélisol riche en glace à proximité d'Umiujaq, au Nunavik. Le présent travail a pour objectif de déterminer les changements qui se produisent dans les flux de chaleur entre les trois niveaux de l'écosystème (végétation / couverture de neige, couche active, pergélisol) ainsi que les rétroactions qui surviennent lors de la dégradation du pergélisol et à quantifier la vitesse de la transition à partir de photographies aériennes et la dendrochronologie. Pour répondre aux objectifs, la méthodologie utilisée suit le protocole du programme Adaptation et Dévelopement de l’Arctique sur le Pergélisol en Transition (ADAPT), intégrant l’analyse de données écologiques, climatiques, stratigraphiques et thermiques. Les résultats obtenus illustrent une évolution exponentielle des facteurs de dégradation du pergélisol sur une période estimée à environ 90 ans; lent durant les 60 premières années, et significativement plus rapide durant les 30 dernières années. / Six plots, representative of the regional ecological time sequence associated with permafrost degradation, were selected on a silty ice-rich permafrost plateau near Umiujaq, Nunavik. The objective of the present work is to determine the changes that occur in the flow of energy between the three layers of the ecosystem (vegetation / snow cover, active layer, permafrost) and the feedbacks that occur during the degradation of permafrost and to quantify the rate of the transition using time-lapse aerial photographs and tree ring analysis. In order to respond to these objectives, the methodology follows the ADAPT (Arctic Development and Adaptation on Permafrost in Transition) protocol, including ecological, climate, stratigraphic and thermal data analysis. The results show exponential evolution of permafrost degradation factors over a period of time of about 90 years; slowly during the first 60 years, and significantly faster during the last 30 years.

Selon les modèles de climat mondial présentés par le Groupe d'experts intergouvernementaux sur l'évolution du climat (GIEC), il faut s'attendre à des changements marqués du climat sous de hautes latitudes. Les impacts d'un réchauffement climatique d'importance sur les populations inuites du Nunavik et leur environnement sont nombreux. Les infrastructures du nord sont également affectées par le réchauffement climatique. Des signes de dégradations pouvant devenir critiques ont été observés sur certaines infrastructures du Nunavik. Il s'avère donc nécessaire et primordial de mettre en place et de développer des techniques pour prévenir et contrôler la dégradation des infrastructures nécessaires aux peuples inuits, afin d'assurer la qualité de vie et la sécurité de ces derniers. Ce projet vise donc principalement à tester, en laboratoire et sur le terrain, des méthodes de stabilisation thermique du pergélisol sous les remblais routiers. L'efficacité et la faisabilité des méthodes expérimentées sont analysées selon les caractéristiques de l'environnement du Nunavik, par l'analyse de données thermiques et également par des observations faites sur le terrain et en laboratoire. Un site expérimental sur le chemin d'accès de l'aéroport de Salluit a permis la mise en place sur le terrain de trois différentes méthodes de mitigation, soit le remblai à convection, le drain thermique et la surface réfléchissante. À ce stade de l'expérimentation, il est difficile de tirer de véritables conclusions sur l'efficacité réelle des méthodes implantées, mais il est possible d'émettre des recommandations concernant la mise en place de méthodes de protection. Les travaux de laboratoire ont porté sur l'expérimentation d'un modèle réduit de remblai routier. Ils ont permis de démontrer que la mise en place d'un remblai à convection et d'un drain thermique dans l'épaulement du remblai tend à diminuer les températures, donc probablement la dégradation du pergélisol et les risques de tassements. Ultimement, le projet vise à développer une stratégie réaliste d'adaptation des infrastructures de transport du Nunavik affectées par le réchauffement climatique.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

Comme elles sont inaccessibles par voie terrestre, les quatorze communautés nordiques du Nunavik (Québec) dépendent toutes du transport aérien afin d’assurer en tout temps un lien rapide et efficace avec le reste du Canada. Certaines pistes d’atterrissage, construites sur pergélisol vers la fin des années 1980, ont montré des signes de détérioration quelques années seulement après leur mise en service. En raison des changements climatiques, la dégradation du pergélisol au Nunavik devient préoccupante pour l’intégrité des infrastructures aéroportuaires appartenant au ministère des Transports du Québec. Le présent projet consiste à déterminer l’épaisseur sensible de sols gelés et certaines caractéristiques physiques et mécaniques du pergélisol du Nunavik, jusqu’alors peu documentées, afin d’évaluer les tassements reliés au fluage à long terme ainsi qu’à la consolidation au dégel. Pour ce faire, une campagne de forage a été réalisée dans le but de récupérer des échantillons gelés et de caractériser le pergélisol aux emplacements problématiques. Ces sondages ont été effectués sur sept pistes d’atterrissage et deux routes d’accès. Les échantillons intacts récupérés ont été ramenés au laboratoire de l’Université Laval pour être soumis à des essais de fluage en cellule triaxiale et à des essais de consolidation au dégel en cellule oedométrique. Les résultats de ces essais ont permis d’obtenir une estimation du taux de déformation en fluage à long terme ainsi que des tassements au dégel pour différents types de sols. À la lumière de ces résultats, l’ampleur des tassements sous les pistes d’atterrissage et les routes d’accès peut être anticipée en s’appuyant sur des scénarios de réchauffement climatique et sur les profils de température relevés en continu sur le terrain. Le ministère des Transports du Québec, en collaboration avec l’Université Laval, pourra ainsi développer une stratégie réaliste d’adaptation des infrastructures de transport du Nunavik affectées par les changements climatiques.

Le pergélisol est omniprésent dans l’Arctique et l’Antarctique, et il est présent en haute altitude partout dans le monde. Les communautés et le développement industriel des régions pergélisolées ont besoin d’infrastructures de transport (routes, aéroports, chemins de fer, etc.), sachant que le transport y revêt une importance vitale au niveau social, économique et politique (Regehr, Milligan et Alfaro 2013). Toutefois, les changements climatiques auront des répercussions sur les infrastructures de transport existantes et futures en Alaska de l’ordre de 282 à 550 M$ (2015 USD), selon les scénarios d’émissions (Melvin et al. 2016). Vu ces conditions, des outils sont nécessaires pour aider les décideurs à prioriser l’entretien, le remplacement et la construction des infrastructures, et potentiellement justifier l’utilisation des stratégies de mitigation pour les remblais sur pergélisol. Des méthodes d’analyse de risque peuvent être utilisées, mais leur application en ingénierie du pergélisol est actuellement limitée. Le risque est un produit du hasard, de la conséquence et de la vulnérabilité pour chacun des dangers considérés. La probabilité et le coût de l’occurrence d’un danger sont respectivement un hasard et une conséquence, tandis que la vulnérabilité corrèle le dommage possible avec la conséquence. Comme il existe peu de données de défaillance pour les installations sur pergélisol, le risque doit être déterminé à l’aide des méthodes d’analyse de fiabilité (premier-ordre deuxièmemoment ou simulations de Monte Carlo), qui intègrent les incertitudes des paramètres d’entrée pour déterminer la variabilité des résultats. Ces méthodes exigent la caractérisation de l’incertitude des variables aléatoires, ce qui peut être difficile en l’absence de données suffisantes, souvent plus que nécessaire dans la pratique actuelle. En outre, ces méthodes d’analyse de fiabilité exigent une fonction d’état limite pour que le danger soit analysé. Les dangers communs qui affectent les remblais sur pergélisol incluent : le tassement, la fissuration, la rupture soudaine, le déplacement latéral du remblai, le drainage et l’accumulation d’eau en pied de remblai, et les glissements de la couche active. Parmi ces dangers, seuls quelques-uns ont des fonctions d’état limite déterminées ou qui peuvent être approfondies par l’auteure. Les dangers associés à ces fonctions d’état limite ou de hasard comprennent : les tassements totaux et différentiels au dégel, la formation d’arche par le positionnement de particules audessus de cavité, les glissements de la couche active, la rupture de la pente du ponceau et l’affaissement de la structure du ponceau. Un programme a été créé sur le logiciel Excel pour calculer le risque des installations linéaires construites sur un remblai de pergélisol en utilisant les méthodes statistiques appliquées aux fonctions d’état limite afin de déterminer les dangers communs aux infrastructures sur pergélisol, ainsi que d'estimer les coûts directs de réparation et les facteurs d’échelle permettant de tenir compte des coûts indirects des dommages causés aux utilisateurs de l’infrastructure et aux communautés concernées. Les calculs des risques sont basés sur les propriétés géotechniques et l’incertitude climatique, telles que caractérisées par des fonctions de densité de probabilité, en utilisant les méthodes statistiques de simulations de Monte Carlo. Une analyse de la fragilité du réchauffement climatique permet de recalculer les dangers à partir des variations des températures de l’air. Les analyses répétées le long de l’infrastructure fournissent un profil de risque actuel ainsi qu'un profil tenant compte du réchauffement climatique. Le programme a servi à déterminer les dangers pour la route d’accès à l’aéroport de Salluit, et l'évaluation des dangers, des risques et de la rentabilité a été effectuée pour l’aéroport international d’Iqaluit / Permafrost is ubiquitous in the Arctic and Antarctic, and present in high elevation regions throughout the world. The communities and industrial development in permafrost regions require transportation infrastructures (roadways, airports, railways, etc.) and, in these regions, transportation is of vital social, economic, and political importance (Regehr, Milligan, and Alfaro 2013). However, warming climate conditions will endanger existing and future transportation infrastructure in Alaska to the tune of $282 to $550 million (2015 USD) depending on future emission scenarios (Melvin et al. 2016). Given these conditions, tools are required to aid decisionmakers in prioritizing infrastructure maintenance, replacement, and construction, and potentially justifying the use of mitigation strategies of permafrost embankments. Risk analysis methods can be used but their existing application to permafrost engineering is limited. Risk is a product of hazard, consequence and vulnerability for each of the dangers under consideration. The probability and costs of a danger’s occurrence is a hazard and the consequence, respectively, while vulnerability correlated the damage with the consequence. Since little failure data is available for permafrost infrastructure, the hazard must be determined from reliability analysis methods (First-Order Second-Moment or Monte Carlo Simulation), which aggregate the uncertainty of input parameters to determine the result’s variation. These methods require the characterization of random variable uncertainty, which can be difficult without sufficient data, often more than the current standard-of-practice. Additionally, the method requires a limit state function for the danger to be analyzed. Common dangers effecting permafrost embankment infrastructure included: settlement, cracking, sudden collapse, lateral embankment spreading, drainage and ponding water, and active layer detachment landslides. Of these dangers, only a few have existing limit state functions or have limit state functions that can be developed by the author. The dangers with limit state functions or hazard functions include: total and differential thaw settlement, particle position bridging over voids, active layer detachment landslides, and culvert gradient and structural failure. A Microsoft Excel-based program was created to calculate the risk for permafrost embankment linear infrastructure, using statistical methods applied to limit state functions to determine hazards for common permafrost dangers, estimated direct costs for the repair of a hazard’s occurrence, and scaling factors to account for the indirect costs of damage to the infrastructure’s users and connected communities. Hazard calculations are based on geotechnical property and climate uncertainty, as characterized by probability density functions, using Monte Carlo Simulation methods. A climate change fragility analysis recalculates the hazard with warming air temperatures. Repeated analyses along the infrastructure provide a risk profile of the infrastructure, now and with a warming climate. The program is used to determine hazard for the Airport Access Road in Salluit, and hazard, risk and cost/benefit assessments were conducted using this program for the Iqaluit International Airport.

Le fluage des remblais routiers est un problème récurrent en région de pergélisol. Des dégradations importantes telles que la fissuration et la rotation des épaulements réduisent la capacité fonctionnelle et la durée de vie des remblais, ce qui augmente considérablement les coûts d’entretien de ces structures. Le problème, relativement bien documenté dans la littérature, est généralement attribué au poids statique du remblai sur le pergélisol sous-jacent. Cependant, des dégradations apparemment dues au fluage ont été observées sur certaines portions de la route de l’Alaska, au Yukon, où l’épaisseur du remblai est faible. Pratiquement aucune documentation n’est disponible sur le fluage des remblais de faible épaisseur. De plus, peu d’information est disponible sur l’effet du passage des véhicules lourds circulant sur ces remblais. L’objectif principal de ce projet est de quantifier l’effet des chargements répétés sur le comportement mécanique des sols marginalement gelés. Une nouvelle méthodologie a été développée pour réaliser des essais de fluage statique et dynamique sur des sols gelés en cellule triaxiale. Les principales innovations concernent le contrôle et l’acquisition de la température autour de l’échantillon, ainsi que la possibilité de réaliser des essais drainés. Des essais de fluage ont été réalisés sur un sol argileux riche en glace reconstitué en laboratoire. La température lors des essais a varié entre -3 et -0,5 °C, simulant ainsi le comportement d’un pergélisol chaud. Les déformations causées par les chargements statique et dynamique ont été traitées séparément, de sorte qu’une méthodologie soit proposée pour estimer les tassements causés par la mise en place d’un remblai de 1 m d’épaisseur d’une part, et ceux causés par le passage des véhicules lourds d’autre part. / Creep of road embankments is a recurring problem in permafrost regions. Important degradations such as shoulder cracking and rotation reduce the functional capacity and lifespan of embankments, which considerably increases the maintenance costs of these structures. The problem, fairly well documented in the literature, is generally attributed to the static weight of the embankment on the underlying permafrost. However, degradations likely due to creep were observed on some portions of the Alaska Highway in Yukon, where the embankment is rather thin. Virtually no documentation is available on creep of thin embankments. Furthermore, little information is available on the effect of the passage of heavy vehicles circulating on these embankments. The main objective of this project is to quantify the effect of repeated loading on the mechanical behaviour of marginally frozen soils. A new method was developed to conduct static and dynamic creep tests on frozen soils in a triaxial cell. The main innovations are the optimized control and acquisition of temperature around the sample, and the possibility to conduct drained tests. Creep tests were carried out on reconstituted ice-rich clay. The temperature varied between -3 and -0.5 °C, which simulated the behaviour of a warm permafrost. Deformations caused by static and dynamic loading were treated separately, so that a method could be developed to estimate settlements caused by building a 1 meter embankment on the one hand, and settlements caused by the passage of heavy vehicles on the other hand.

Les capteurs distribués qui font appel à des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres optiques multicœurs sont de plus en plus utilisés pour mesurer différents paramètres physiques délocalisés. En utilisant l'information qui provient de chacun des cœurs de la fibre, il est possible de reconstruire sa forme tridimensionnelle, ce qui trouve actuellement de nombreuses applications innovantes, notamment en robotique et dans le domaine médical. Dans le cadre du programme Sentinelle Nord, le principal objectif de mon projet de maîtrise était de développer de tels capteurs pour le suivi des impacts du dégel du pergélisol dans les régions nordiques. Deux applications avaient initialement été ciblées. La première application consistait à mesurer la vitesse (et la direction) des écoulements d'eau souterraine qui jouent un rôle important dans la transmission de chaleur et qui doivent être considérés dans la modélisation numérique des processus physiques pour simuler la dynamique du pergélisol. La deuxième application consistait à suivre les tassements au dégel du pergélisol en reconstruisant le profil 3D d'un capteur à fibre optique qui y serait enfouie. Un modèle théorique de leur sensibilité à un écoulement d'eau a été développé et a permis de conclure que la vitesse des écoulements d'eau souterraine typiques était beaucoup trop faible pour être mesurée. Afin de s'attaquer à la seconde application, nous avons développé une nouvelle technologie de fibre multicœur où 3 fibres optiques ont été assemblées dans une préforme microstructurée en polycarbonate en l'étirant directement sur une tour à fibre. La caractérisation des réseaux de Bragg de cette fibre hybride verre-polymère a montré qu'elle est 7 fois plus sensible que les fibres optiques multicœurs traditionnelles. Les développements réalisés pour cette seconde application ont fait l'objet d'une publication d'un article scientifique dans le journal Optics Express. Dans le cadre de ce projet, et en parallèle à ces travaux, une méthode flexible d'inscription de réseaux de Bragg distribués sur une fibre optique avec un seul masque de phase uniforme a été développée. Grâce à cette méthode, une accordabilité record de 70 nm, soit plus de 15 fois supérieure à tout ce qui a été obtenu auparavant, a été atteinte. / Fiber Bragg gratings distributed sensors in multicore fibers are gaining popularity for remote sensing of physical parameters. By measuring the information from each of its cores, its shape can be reconstructed which has numerous novel applications in robotic and the medical field. As part of the Sentinel North program, the principal goal of my research project was to develop such distributed sensors to monitor the impacts of permafrost degradation in Northern Quebec. Two applications were targeted : 1) the measurement of groundwater flow and its direction which play a major role in heat transfer and need to be considered in numerical modelling of permafrost dynamics and 2) the monitoring of thaw settlement of degrading ice rich permafrost using buried optical fiber with distributed fiber Bragg gratings. A theoretical model of the sensitivity of these sensors to measure groundwater flow was developed and led to the conclusion that the groundwater flow is too small to be detected with a multicore fiber. For the second application, a novel multicore fiber was developed where 3 optical fibers are assembled inside a microstructured polycarbonate preform by drawing it on a draw tower. The characterization of the resulting hybrid glass-polymer multicore fiber showed a sensitivity 7 times higher than standard multicore fibers. These findings were published in the journal Optics Express. In this research project, at the same time, a flexible method to write distributed arrays of fiber Bragg gratings with a single uniform phase mask was developed. A 70 nm accordability, which is more than 15 times higher than anything previously reported, was achieved with this method.

Cette thèse présente le développement d’une méthode d’ingénierie pour la modélisation de la consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations. Les travaux qui y sont présentés s’inscrivent à la suite des théories et de modèles de consolidation existants. Les bases de la théorie de consolidation au dégel à une dimension sont donc reprises. En premier lieu, un modèle numérique de consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations est formulé en combinant la théorie de consolidation à grandes déformations de Gibson et des équations de transferts de chaleur. Ces deux composantes sont couplées au sein d’un domaine de modélisation défini en coordonnées lagrangiennes qui s’adaptent aux déformations de sol. Il en résulte donc l’introduction d’une seconde frontière mobile à la surface pour la modélisation de la consolidation au dégel en plus de la frontière mobile au front de dégel. Le modèle utilise des relations non linéaires σʹ_v – e – k_v pour définir les propriétés des sols dégelés. Une étude de cas du pipeline expérimentale d’Inuvik est réalisée avec le modèle numérique. Cette étude de cas permet de démontrer l’utilisation du modèle pour un problème pratique et de valider le modèle. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats de la théorie de consolidation au dégel linéaire à petites déformations et aux mesures de terrain. Le modèle non linéaire à grandes déformations offre une augmentation importante de la précision lors du calcul des tassements de fonte, du taux de tassement et des pressions interstitielles excédentaires. En second lieu, un modèle conceptuel pour la consolidation au dégel des sols dégelés à grains fins est proposé. Ce modèle permet de définir les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v utilisées comme intrants au modèle numérique de consolidation au dégel. Le concept de la contrainte résiduelle y est généralisé aux sols riches en glace en spécifiant qu’il s’agit de la contrainte effective au sein des éléments de sol plutôt que de la contrainte effective globale du sol. Ensuite, des relations empiriques sont formulées pour déterminer les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v à partir de l’indice des vides initial du sol dégelé et de propriétés d’indice du sol. / This thesis presents the development of an engineering method for the modelling of large strain nonlinear thaw consolidation. The work presented herein follows existing thaw consolidation theories and models. The foundations of one-dimensional thaw consolidation theory are therefore used. First, a numerical model for large strain nonlinear thaw consolidation is formulated by combining the Gibson large strain consolidation theory to heat transfer equations. The two components are coupled in a modelling domain formulated in Lagrangian coordinates that adapts to the soil deformation. This results in the introduction of a second moving boundary at the soil surface to model thaw consolidation in addition to the moving boundary at the thaw front. The model uses nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships to define the properties of thawed soils. A case study of the Inuvik experimental pipeline with the numerical model is presented. The case study demonstrates the use of the model for a practical problem and it is used to validate the model. The modelling results are compared to the results obtained with the small strain linear thaw consolidation theory and with the field data. The results obtained with the large strain nonlinear model for thaw settlement, the rate of thaw settlement and the excess pore pressures compare favourably with the field data. Second, a conceptual model for thaw consolidation of thawed fine-grained soils is proposed. The model is used to define the characteristics of the nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships used as input for the numerical modelling of thaw consolidation. The concept of the residual stress is generalized to ice rich soils by specifying that it is the effective stress within the soil element rather than the effective stress of the bulk soil. Then, empirical relationships are formulated to determine the characteristics of the σʹ_v – e – k_v relationships as a function of the initial thawed void ratio and soil index properties.