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.

La conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol.

La gélivité des sols d'infrastructure de deux sites routiers (Cap-santé et St-David) à été étudiée. Des potentiels de ségrégation (SP) des sols d'infrastructure ont été déterminés en laboratoire sur des échantillons intacts et reconstitués provenant des deux sites routiers et directement sur le terrain avec une instrumentation appropriée. Cette étude confirme que les SP sont plus faibles dans la croûte que dans le sol n'ayant jamais gelé et que les SP augmentent avec la teneur en eau. Le SP évalué à partir d'échantillons intacts en laboratoire est une bonne estimation de celui déterminé directement sur la chaussée avec une instrumentation appropriée. Par conséquent, l'utilisation des SP établis en laboratoire sur des échantillons intacts devraient donner une bonne estimation du soulèvement au gel de la chaussée. Cependant, il faut tenir compte des conditions particulières du terrain (stratigraphie, variation du pourcentage d'argile, nappe phréatique, degré de saturation, etc.). Il y a une différence entre les SP évalués sur des échantillons intacts et reconstitués ainsi que dans le mécanisme de formation des lentilles de glace lors du gel. La différence entre les SP dépend du type de sol. Cette différence est plus grande pour les sols se retrouvant dans une croûte argileuse et pour les argiles ayant un indice de liquidité élevé. Dans un tel cas, des essais sur échantillons intacts sont recommandés. Finalement, il a été montré que la relation empirique de Konrad (1999) est plus précise pour estimer les SP de sols argileux reconstitués que celle de Konrad (2005) mais, cette dernière est mieux adaptée pour les sols fins avec peu de minéraux argileux.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Dans les régions froides, le gel saisonnier induit une augmentation significative de la capacité portante des chaussées flexibles. Cet accroissement est généré par la réponse viscoélastique de l’enrobé bitumineux et le gel de l’eau interstitielle présente dans les matériaux non liés et les sols. L’augmentation de la rigidité des chaussées incite certaines administrations à adopter leurs législations afin d’octroyer des primes de charge en période hivernale (OPCH). À l’heure actuelle, la problématique principale liée à l’OPCH est la variabilité importante des législations causée, en partie, par l’absence d’un critère décisionnel rationnel et par le peu de documentation technique et précise sur ce phénomène. L’objectif de ce projet est de documenter le comportement mécanique d’une chaussée flexible durant le gel et de définir un critère rationnel pour la mise en application de l’OPCH. Une approche expérimentale avec l’utilisation du simulateur de véhicules lourds et la fosse expérimentale de l’Université Laval a été considérée pour suivre le comportement d’une structure de chaussée construite au-dessus d’un sol argileux. La chaussée a été instrumentée de plusieurs capteurs permettant de mesurer les profils de température, les teneurs en eau, la déflexion de surface et les contraintes et déformations dans chacune des couches. Le simulateur a été utilisé pour appliquer une température de -10 °C à la surface de la chaussée et pour induire des charges périodiques (4550 à 6250 kg). Les mesures ont permis de documenter la variation de la réponse mécanique de la chaussée selon le gel, la température et la charge. Les mesures ont ensuite été comparées à celles d’un projet similaire réalisé entre 2013 et 2016 sur une structure de chaussée bien différente. L’analyse de ces deux projets a démontré qu’il est adéquat d’approximer le comportement mécanique des chaussées durant le gel à l’aide d’analyses élastiques. Puis, une analyse d’endommagement de la chaussée selon la loi de Miner a permis d’établir le lien entre le gain de portance et l’endommagement. Finalement, il a été démontré que le comportement mécanique des chaussées est directement associé à la profondeur de gel. / In cold regions, seasonal freezing induces an important increase in the bearing capacity of flexible pavements. This variation is due to the viscoelastic response of asphalt concrete and to the freezing of pore water in granular materials and soils. The pavement strengthening with frost penetration has led some transportation agencies to allow winter weight premiums (WWP). Currently, the main issue related to WWP programs is the variety of legislation for both among and within jurisdictions. This variety is caused, in part, by the lack of a rational decision criterion for the application of WWP and for the little technical documentation available on this subject. The objective of this project was to document the mechanical behavior of freezing pavements and to develop a rational criterion for the onset of winter load premiums. An experimental approach with the use of Laval University full-scale heavy vehicle simulator was considered to monitor the response of a flexible pavement built in an indoor test pit over a low plasticity clay subgrade soil. The pavement was instrumented to monitor temperature profiles, surface deflection, as well as stress, strain and moisture content in each layer. The simulator was used to apply the air freezing temperature (-10 °C) and to periodically load the pavement surface using a standard dual-wheel set (half axle) varying in the range of 4500 to 6250 kg. The results collected allowed documenting how the response of the pavement changes with respect to frost penetration, temperature and the load magnitude. The results were then compared to a similar project realized between 2013 and 2016 on a different pavement structure. This analysis was able to demonstrate that the pavement behaviour during frost can be predicted by elastic analysis. Subsequently, a damage analysis was performed under Miner’s law to establish a link between the load increase and pavement damage during frost. Finally, it has been demonstrated that the flexible pavements mechanical behaviour is directly link to the frost depth.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Les transformations de l'azote pendant l'hiver et le potentiel des pertes à l'environnement pendant l'hiver ont été peu étudiés. Une incubation avec 15N a été effectuée pour mesurer l'effet des températures basses (-6 à 10 °C) sur la nitrification, la dénitrification et l'immobilisation de l'ammonium après épandage d'un lisier de porc avec ou sans ajout de paille de blé. Les nitrates, marqués et non marqués, se sont accumulés dans les sols à des températures > -2 °C, ce qui confirme une nitrification active dans les sols légèrement gelés. Une immobilisation nette de l'azote a été observée seulement dans les sols avec paille, mais a cessé entre -2 et 2 °C. La nitrification était le processus principal sous 0 °C. La nitrification dans les sols gelés augmente le risque d'accumulation et de perte d'azote par lessivage et dénitrification et ne semble pas pouvoir être atténuée par l'ajout de paille de blé. / Overwinter nitrogen transformations and the consequent potential for loss of slurry nitrogen to the environment have not been studied in depth. An incubation study using an N isotope was undertaken to measure the effect of cold temperature (-6 to 10 °C) on nitrification, denitrification and immobilization of ammonium in the soil following slurry application in the presence or absence of wheat straw. Labelled and unlabelled nitrate increased in soils incubated at temperatures > -2 °C, confirming active nitrification in lightly frozen soils. Net immobilization was observed only in soils with straw incorporation, but ceased between -2 and 2 °C. Nitrification was the predominant process below 0 °C. Nitrification in frozen soils increases the risk of nitrogen build-up and loss by leaching and denitrification and seems not to be mitigated by the addition of wheat straw.