La construction d'infrastructures de transport dans les régions arctiques et subarctiques est confrontée à des problèmes uniques que l'on ne rencontre pas lors des pratiques d'ingénierie en régions tempérées (Muller, 2008). Un remblai agit comme un long barrage où l'écoulement naturel de l'eau doit être redirigé vers des fossés et des ponceaux, mais cette pratique couramment utilisée dans le sud peut entraîner d'importantes instabilités du sol dans le nord. Selon McGregor et al. (2010), la modification de l'écoulement des eaux de surface est susceptible de modifier le régime thermique du sol, de déclencher la dégradation du pergélisol et même la détérioration des remblais routiers. Les impacts à court et à long terme sur le régime thermique du pergélisol des systèmes de drainage actuellement utilisés avaient été peu documentés jusqu'à présent et il y avait donc un grand besoin de développer une nouvelle approche pour le contrôle de l'advection et de l'érosion thermique. Ce projet de doctorat avait pour objectif principal le développement de nouvelles stratégies, méthodes et outils de conception en ingénierie du drainage afin d'atténuer les problèmes de dégradation du pergélisol résultant de l'écoulement de l'eau le long et sous les infrastructures de transport. Grâce à de nombreuses observations et analyses de données de terrain, ce projet de recherche a réussi à améliorer les connaissances sur le rôle clé de l'écoulement de l'eau dans le transfert de chaleur vers les sols gelés, sur l'érosion thermique et sur la performance des systèmes de drainage routier construits dans le pergélisol. Cette recherche est également innovante puisque la contrainte de cisaillement critique d'un silt gelé et partiellement gelé a été évaluée pour la première fois avec un dispositif d'érosion. Dans le cadre de la recherche, des abaques de conception d'ingénierie ont été développées : 1) pour obtenir le débit admissible limitant l'érosion thermique dans les fossés de drainage en fonction de la contrainte de cisaillement critique du sol et 2) pour limiter l'advection de chaleur par l'écoulement souterrain le long et sous les infrastructures de transport en utilisant le nombre de Peclet adapté aux sols. Les outils de conception de drainage ont été validés à l'aide de données d'études antérieures menées sur le site d'essai de Beaver Creek au Yukon et ont été appliqués aux conditions de trois sites d'essai supplémentaires (Ilulissat, Yukon et Salluit). Ce projet de doctorat est le premier à fournir des outils de conception pour les systèmes de drainage en régions de pergélisol, ce qui constitue une grande avancée dans l'ingénierie des régions froides. / Engineering construction in arctic and subarctic regions faces unique problems not encountered in engineering practices in temperate regions (Muller, 2008). A road embankment acts as a dam spanning a long distance where the natural flow of water must be redirected to ditches and culverts along the way, but this commonly used practice in the south can lead to important soil instabilities in the north. According to McGregor et al. (2010), altering the surface water pattern is likely to alter the ground thermal regime, trigger permafrost degradation and even deterioration of road embankments. The short and long-term impacts on permafrost caused by drainage systems currently used in northern regions had been little documented until now and there was a need to develop a common approach to advection and thermal erosion control. This PhD project aimed to develop new strategies, methods, and engineering drainage design tools to mitigate permafrost degradation issues resulting from water flow along and underneath transportation infrastructure. Through numerous field observations and data analyses, this research project successfully improved knowledge on the key role of water flow in heat transfer to frozen soils, on thermal erosion and on road drainage systems performance build in permafrost. This research is also innovative since the important parameter controlling erosion, the critical shear stress, was assessed for a frozen and partially frozen silt for the first time with an erosion device. As part of this research, design charts were developed: 1) to obtain the allowable flow limiting thermal erosion in drainage ditches based on the soil critical shear stress and 2) to limit heat advection by subsurface flows along and underneath transportation infrastructure using the Peclet number adapted for soils. The drainage design tools developed were validated using observations and data from previous studies conducted at the Beaver Creek road test site in the Yukon and were applied to the conditions of three additional test sites located in Ilulissat (Greenland), near the Alaska-Yukon Border and in Salluit (Nunavik) where the ground is known to be sensible to permafrost degradation and thermal erosion. This PhD project is the first to provide design tools for drainage systems build in permafrost regions which is a great advancement in cold regions engineering.

Lors des 14 dernières années, plus d'une centaine de demandes d'assistance technique concernant des mouvements de terrain au Québec méridional sont adressées chaque année aux autorités gouvernementales. Parmi les cas signalés, la majorité d'entre eux survienne à l'intérieur des limites de la transgression marine post-glaciaire où vit près de 90 % de la population québécoise. Étant donnée leur importance dans la province et les conséquences qu'ils peuvent engendrer, ces mouvements ont fait l'objet jusqu'à présent de nombreuses études pour la plupart orientées sur les aspects géotechniques du problème. Les études statistiques et géomorphologiques demeurent très fragmentaires et peu de données sont disponibles afin de dresser un portrait de l'occurrence des mouvements de terrain au Québec selon les différentes périodes de l'année ou pour cerner les facteurs climatiques et géomorphologiques en cause. La réalisation de ce mémoire a été rendue possible grâce à l'utilisation d'une base de données très complète élaborée au fil des ans par la Section des mouvements de terrain du ministère des Transports du Québec, laquelle compte 4165 cas documentés. L'objectif principal de cette recherche est de dresser un portrait statistique général des mouvements de terrain et des circonstances ou facteurs causaux qui leur sont associés, à l'aide d'analyses statistiques et descriptives de leurs contextes géomorphologiques, spatiaux et temporels. Les résultats obtenus démontrent que de 1970 à 2017, la Montérégie, Lanaudière et la Mauricie sont les régions les plus affectées par les mouvements de sol et que la période de l'année la plus propice débute au mois d'avril et se termine au mois de juin. Ces mêmes résultats démontrent que les glissements superficiels sont plus fréquents que les glissements rotationnels. Toutefois, un inventaire ciblé des cicatrices de glissements de terrain effectué en 2017 dans la MRC de Maskinongé a permis de démontrer que les tendances générales observées à l'échelle provinciale peuvent différer de celles observées à l'échelle locale, en raison de la géomorphologie et des conditions géotechniques spécifiques à chaque secteur. Les données ont aussi été examinées pour identifier de possibles effets de purge et d'amplification du phénomène en fonction de certains IV événements climatiques majeurs. Seuls des signes d'effet de purge ont été observés à la suite de l'accumulation de neige en 2008 et des apports en eau exceptionnels du printemps 2017. En somme, les effets de purge et d'amplification sont des phénomènes difficiles à détecter à l'aide de statistiques générales seulement. Des recherches ciblées à un secteur précis et sur plusieurs années consécutives pourraient toutefois offrir des résultats plus probants.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Le contexte géomorphologique de Salluit en fait un casse-tête pour les professionnels et décideurs publics qui tentent de combler au mieux les besoins grandissants en logements et en infrastructures de la communauté. Parmi les contraintes à solutionner dans l'élaboration des plans d'aménagement se trouve le pergélisol salin sensible au dégel et riche en glace qui comble le fond de la vallée de Salluit. Plusieurs processus géomorphologiques périglaciaires y sont observables, comme le tassement différentiel dû au dégel, la gélifluxion, des glissements de terrain de type décrochement de couche active et des évènements de thermo-érosion. Les problématiques liées au pergélisol dans le village ont été étudiées à travers plusieurs projets de recherche scientifique depuis les années 2000. Cependant, les professionnels et décideurs publics de la communauté et du Nunavik qui se succèdent au fil des ans ont encore difficilement accès à ces résultats d'une importance majeure pour l'aménagement du village. Ce projet de recherche appliquée et intégrateur souhaite être initiateur de changement dans les pratiques actuelles de recherche et aborde les problématiques avec une approche non conventionnelle, où une place importante est accordée à la flexibilité dans les méthodes de transfert de connaissances, à la multidisciplinarité, et à la collaboration. Cette flexibilité a par ailleurs permis d'orienter le projet de manière à répondre à différents besoins pour l'aménagement de la communauté, notamment en approfondissant les connaissances sur la géomorphologie et le pergélisol du secteur à développer pour la prochaine phase d'expansion du village (Salluit-4). La capacité de réponse communautaire face aux risques de glissements de terrain est aussi élaborée par la mise au point d'un système technologique intégré de préalerte pour l'évaluation quotidienne du niveau de risque. Dans le contexte où la communication des résultats de recherche pour le public n'est pas encore une pratique courante en science du pergélisol, il importe de partager ces connaissances, qu'il s'agisse de celles produites dans cette étude ou de celles issues des projets antérieurs. À cette fin, une plateforme Web conviviale, accessible et ouverte gratuitement au public a été élaborée dans cette thèse pour assurer l'accès aux données et aux résultats de recherche sur le pergélisol et appuyer tous les acteurs impliqués dans l'aménagement du village de Salluit. / The geomorphological context of Salluit makes it a challenge for practitioners and decision makers to respond to the growing housing and infrastructure needs of the community. Among the constraints to be addressed in the land use planning is the ice-rich, thaw-sensitive saline permafrost that fills the valley floor of the village. Hazards associated with several periglacial geomorphological processes occur on community lands, such as differential thaw settlement, gelifluction, active-layer detachment slides and thermal erosion events. Permafrost-related issues in the village have been studied through several scientific research projects since the early 2000s. However, practitioners and public decision makers in the community and in Nunavik have had only a poor access to these results, which are of major importance for the development of the village. This applied and integrative research project aims to initiate change in current research practices and addresses the issues with an unconventional approach, where flexibility in knowledge transfer methods, multidisciplinary, and collaboration are emphasized. This flexibility has also allowed the project to be oriented to meet different needs for community planning, notably by enhancing knowledge of the geomorphology and permafrost of the area to be developed for the next phase of community expansion (Salluit-4). Community response capacity to landslide risks is also being improved through an integrated technological early warning system for daily risk assessment. In the context where communicating research results to the public is not yet a common practice in permafrost science, it is important to share this knowledge, both from this study and from previous projects. To this end, a user-friendly, publicly accessible and freely available web platform was developed in this thesis to ensure access to permafrost data and research results and to support all stakeholders involved in the development of the village of Salluit.