Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 102-103. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

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.

Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige. / In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.

Le réchauffement climatique actuel entraine la fonte du pergélisol dans les zones septentrionales et la dégradation des infrastructures qui ont été construites dessus. Le présent mémoire porte sur l'étude de la dégradation des routes concernées par cette fonte. L'objectif est de réaliser un modèle numérique permettant de simuler et ainsi de prévoir l'évolution thermique d'un remblai situé sur du pergélisol, afin de pouvoir tester des solutions technologiques qui ont pour but de limiter le dégel de ce sol. Le modèle numérique est validé à partir de relevés de température effectuée sur un site expérimental situé à Beaver Creek, à la frontière du Yukon et de l'Alaska, qui subit directement l'effet de la fonte du pergélisol. Une fois le modèle numérique validé, trois solutions technologiques sont testées puis optimisées. La première solution est un remblai dit convectif, où l'on remplace le gravier situé sous ou en accotement de la route, par des pierres de grosses tailles, favorisant ainsi les phénomènes de transfert de chaleur par convection naturelle. Les résultats ont montré que le remblai convectif était la solution la plus performante pour créer une zone gelée de grande taille présente toute l'année sous la route. La deuxième solution est l'utilisation d'un drain thermique. Une conduite d'air est installée dans l'accotement du remblai, laissant circuler l'air par convection naturelle, en favorisant l'effet cheminée. Les résultats ont montré que le drain thermique était la solution la plus efficace pour limiter le dégel du remblai en été. Enfin, la troisième et dernière solution est l'utilisation d'une surface réfléchissante sur la route, ayant pour but de diminuer l'absorbtivité de la route, et ainsi de limiter le dégel du remblai. Les résultats ont montré que l'effet de cette surface réfléchissante était réel mais très localisé. Cependant, cette dernière solution reste la plus simple à mettre en place, car elle ne nécessite pas de travaux de grande envergure. Chacune de ces trois solutions a été optimisée. Les résultats finaux ont montré que la solution optimale, constituée d'un remblai à convection et d'une surface réfléchissante permettait d'éviter durant toute l'année que le pergélisol situé sous la route à Beaver Creek ne dégèle. Cela correspond donc à l'objectif fixé au départ pour le site expérimental étudié, et peut être développé pour d'autres situations de dégradation de routes dues à la fonte du pergélisol. / The current global warming triggers permafrost thawing, which jeopardizes the infrastructures that have been built on it. The present document presents a study of the thermal damage that roads experience because of this thawing. The objective is to build a numerical model to simulate and predict the thermal evolution of an embankment located on permafrost, in order to test technological solutions considered to limit the soil thawing. The numerical model is validated based on in situ temperature measurements collected in Beaver Creek, at the Yukon-Alaska border, that experiences the effects of permafrost thawing. Once the model is validated, three technological solutions are tested and optimized. The first solution is a convective embankment in which the gravel located under the road or on its shoulder is replaced by a layer of large rocks in order to enhance heat transfer by the air self-driven flow in this layer. Results have shown that the convective embankment was the most efficient solution for creating a large frozen region under the road ail over the year. The second solution is the thermal drain. An air duct in which air flow is triggered by natural convection is installed in the shoulder. The results revealed that the thermal drain was the best solution for preventing the thawing of the embankment in the summer. Finally, a third solution considered was to cover the surface of the road with a reflective painting in order to diminish the amount of solar radiation absorbed. The effect of the painting was very much localized. However, this last solution is the simplest to implement, because it does not require large roadwork. Each of these three solutions has been optimized. The optimal solution consisted of a convective embankment combined with a reflective surface in order to avoid the thawing of the road considered in this study. This corresponds meets the initial objective for the Beaver Creek road, and could be extended to other infrastructures on permafrost.