La qualité médiocre de l'eau du lac Saint-Augustin dans la région métropolitaine de Québec limite les activités récréo-touristiques depuis quelques années. L'eutrophisation et l'appariation d'algues de type cyanobactéries sont les conséquences d'un enrichissement en nutriment depuis 1940. La construction d'axes routiers en périphérie du lac dont l'autoroute Félix-Leclerc a capitalisé le développement urbain dans le bassin-versant. La présence de contaminants tels que les éléments traces métalliques (ETM) (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb et Zn) et le phosphore sont suspectés dans les sédiments du lac Saint-Augustin. L'étude de caractérisation des sédiments a établi que les concentrations totales en ETM et en phosphore dépassent les seuils des critères de qualité existants. Les conditions physico-chimiques à l'interface eau-sédiments favorisent une rétention des composés, mais l'instabilité du potentiel d'oxydo-réduction remet en doute cette capacité de rétention. La spéciation chimique des ETM et du phosphore a révélé qu'une proportion de la concentration totale de ces contaminants est pressentie dans la participation d'échanges entre les sédiments et le biote, parce qu'elle est étroitement reliée à la disponibilité environnementale de ces contaminants. Les tests toxicologiques pour l'eau interstitielle mettent en relation le phosphore disponible et l'assimilation de celui-ci par l'algue. Les réponses d'inhibition des végétaux (algue et orge) révèlent un potentiel de toxicité des sédiments, toutefois les ETM contenus dans la matrice ne peuvent être associée directement à cette toxicité dans la présente étude. Les conditions favorisant le relargage du phosphore ne sont pas définies clairement à l'intérieur du cadre de l'étude. Un pH basique et un faible potentiel d'oxydo-réduction sont pressentis comme facteurs favorisant le transfert du phosphore vers la colonne d'eau. Quant aux ETM, les conditions acides et aérobies ont provoqué des relargages plus important du fer, du manganèse et du zinc. Au terme de cette étude, les démarches d'analyses physique, chimiques et d'écotoxicité sont intégrées dans le but de proposer une approche d'évaluation de la biodisponibilité des ETM présents dans les sédiments. Cette démarche est inspirée de cadres existants et constitue une amorce pour catégoriser le risque inhérent à la présence de composés toxiques dans un réservoir actifs comme les sédiments.

Le traitement de l'azote au sein des stations d’épuration des eaux usées devient l'un des principaux enjeux actuels du fait de son impact particulièrement néfaste sur le milieu naturel. A l'aval de traitements secondaires à moyenne et forte charge, les gestionnaires peuvent avoir recours à la nitrification tertiaire par biofiltration, procédé intensif s’insérant bien pour les installations à réhabiliter dans les zones à forte pression foncière. Il s’avère être un procédé capable d’éliminer de très fortes charges dans un espace restreint par sa capacité à accumuler une quantité importante de biomasse active autour du matériau filtrant. La simulation du comportement d’un tel procédé n’est pas directe, et peu de travaux ont mené à un outil utilisable en ingénierie. Or, son usage serait indispensable pour valider le dimensionnement en conditions réelles de fonctionnement et en régime dynamique. L’objectif principal de ce travail a porté sur l’étude et la validation d’un modèle de biofiltration déjà existant mais encore jamais testé avec des données réelles de terrain en traitement tertiaire de nitrification. Dans ce but, le fonctionnement d’une installation pilote semi-industrielle alimentée par un effluent urbain réel provenant de bassins par boues activées a été étudiée. Afin de se placer en condition dynamique de fonctionnement, différents paliers de charges moyennes journalières en azote ont été appliqués, au sein desquels des à-coups de charges hydrauliques ont été provoqués. Les résultats acquis en continu pendant plus d’un an, associés à un protocole de calage systématique issu d’une étude de sensibilité, ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calé et validé du modèle. Le protocole a nécessité la mise en œuvre de tests spécifiques caractérisant régulièrement le biofilm développé dans le procédé. Ces essais ont augmenté le nombre de variables d’état observées et à comparer avec les prédictions du modèle, ce qui a permis de mieux en évaluer sa robustesse. En parallèle, les tests spécifiques ont permis d’étudier la dynamique des processus impliqués dans l’élimination de l’azote au sein du procédé. Les paramètres influençant les performances globales du traitement de l’azote, l’activité et la quantification de la biomasse autotrophe, son temps de séjour ou encore sa répartition au sein du milieu filtrant ont ainsi pu être évalués. La double démarche expérimentale et numérique a permis de montrer que le modèle de biofiltration est capable de simuler des performances de traitement de l’azote conformes à la réalité. D’autre part, ce travail a permis d’étudier de manière approfondie les mécanismes inclus dans le modèle et leurs limitations face aux différentes conditions de fonctionnement appliquées au système. Des faiblesses du modèle concernant le comportement des composés particulaires et l’évolution de la perte de charge au sein du pilote ont notamment été dégagées. / Nitrogen removal in wastewater treatment plants becomes more and more used due to the harmful impact of nitrogen on the natural environment. After medium and highly loaded secondary treatment, practitioners could use biofiltration for tertiary nitrification, which is an intensive process adapted in areas with strong land pressures. This technology can remove very strong loading rate in a restrained space by its capacity to developp an important amount of active biomass into the filtering media. Simulation of such technique’s behaviour is not direct, and few studies led to a useful tool for engineers. However, its use is necessary in order to validate design in real operating conditions and dynamic conditions. The main objective of this work concerned the study and validation of a biofiltration model which already exists but has still never been tested with real data in tertiary nitrification treatment. In order to reach this objective, the behaviour of a semi-industrial pilot plant, fed by real domestic effluent from an activated sludge plant, was studied. In order to operate in dynamic conditions, different daily volumetric nitrogen loading rates were applied, in which dynamic peak-loads were carried out. The calibration and the validation of the model parameters were done thanks to on-line ammonia and nitrate analysers during one year and more, in association with a calibration procedure and a sensitivity analysis. The protocol required the implementation of specific tests for characterization of the biofilm inside the filtering media. These tests increased the number of the observed state variables to compare with the model predictions. That allows a better evaluation of the model robustness. At the same time, the dynamics of processes taking part in the nitrogen removal into the biofilm were investigated thanks to these specific tests. So, parameters which influence the nitrogen removal, overall performance, activity and quantification of autotrophic biomass, its solids retention time or its repartition inside the filtering media, could be determined. Combination of experimental observations and numerical modelling highlighted the capacity of the biofiltration model to provide good predictions on real nitrogen removal performances. Furthermore, this study allowed to evaluate mechanisms included in the model and their limitations with different operating conditions applied in the system. Finally, weaknesses of the model concerning solids compounds and the evolution of head loss in the pilot plant were established.

Le pompage du béton est une technique de mise en place du béton frais utilisée depuis plusieurs années. Le béton est déposé dans une pompe à béton qui achemine le béton dans des boyaux, souples en caoutchouc ou rigides en acier, directement à l'endroit désiré. Peu de chercheurs se sont intéressés aux problèmes de pompage du béton, probablement à cause de la complexité de mener une campagne de recherche sur ce sujet. La pompabilité est définie généralement comme la mobilité et la stabilité sous pression d'un béton. Cette thèse s'intéresse surtout aux problèmes de mobilité sous pression. Le but de cette thèse est de développer un modèle prédictif de l'aptitude au pompage du béton. Le modèle prend en compte le type de boyau, les coudes, les réducteurs et l'effet de la hauteur. / Pour valider le modèle, plusieurs mélanges de béton ont été fabriqués et pompés dans un circuit comprenant un réducteur pour passer d'un diamètre de 100 mm à 50 mm et d'un boyau en caoutchouc de 15,24m de longueur et de 50 mm de diamètre instrumentés de capteurs de pression servant à mesurer les pertes de charge. Quatre types de liant commercialement disponibles (type 10, type 10 avec fumée de silice, ternaire avec cendres volantes et ternaire avec laitiers de hauts fourneaux) ont été utilisés pour fabriquer des mélanges de béton de rapports eau-liant et volume de pâte différents. Pour valider le modèle sur des boyaux d'acier et étudier l'effet de la hauteur et des coudes sur les pressions de pompage, un camion pompe muni d'une flèche a été instrumenté de capteurs de pression. Vingt chantiers ont été visités sur lesquels les mesures ont été réalisées. Deux tribomètres à béton ont été développés, l'un à surface d'acier, l'autre à surface en caoutchouc, pour mesurer les propriétés d'interface du béton frais. Les résultats ont montré que le tribomètre mesure des propriétés d'interface représentatives des propriétés de pompage. / Les résultats obtenus montrent que pour un squelette granulaire donné, peu importe le type de liant, il existe un volume de pâte de liant minimal pour que le béton soit apte au pompage. Lorsqu'un liant ternaire est utilisé pour fabriquer un mélange de béton, ce dernier est plus facilement pompable qu'un mélange de béton fabriqué avec une masse comparable de ciment type 10. La densité plus faible des liants ternaires semble être responsable de l'effet bénéfique. Pour une même masse de liant, le volume est plus élevé. Aussi, pour un liant moins dense, il est possible de fabriquer un mélange de béton contenant moins de liant en terme massique et qu'il soit toujours apte au pompage. Les mélanges de béton à haut rapport E/L sont quant à eux beaucoup plus facile à pomper (pressions faibles). Par contre, pour ces mélanges, lors de la mesure des pressions de pompage, un pic caractéristique est observé au début des plateaux. La pâte contenue entre les granulats pour ces mélanges est de très faible viscosité et une friction supplémentaire est à vaincre avant que le béton ne s'écoule due au frottement entre les granulats.

L'objectif premier de cette étude vise à modéliser, à l'aide des réseaux de neurones, deux paramètres de qualité de l'eau : les nitrates et la matière en suspension. L'intérêt d'une telle simulation est de pouvoir développer un outil d'aide à la décision en matière de gestion des pratiques agricoles. Bien que les réseaux aient montré plus de difficulté à modéliser les MES que les N-NO3, ils ont réussi à approximer les signaux avec une précision suffisante pour le but poursuivi. Le deuxième objectif vise à vérifier si l'ajout de données de teneur en eau du sol améliore la prévision des débits et de comparer le gain apporté, à celui apporté par l'ajout d'un indice de teneur en eau. Les résultats montrent que la couche intermédiaire du sol apporte le gain de performance le plus important quoique l'indice de teneur en eau soit une alternative intéressante.

L'optimisation de la mise en forme de tôles d'aluminium nécessite l'utilisation de logiciels d'éléments finis en grandes déformations comme LS-DYNA. La précision des simulations numériques dépend grandement de la qualité du modèle constitutif utilisé. Afin d'améliorer la qualité des simulations, Frédéric Barlat a proposé un critère d'écoulement, YLD2000, qui permet de prendre en compte le comportement anisotrope des tôles, anisotropie induite lors du laminage des plaques d'aluminium. Le présent travail consiste à identifier les différents paramètres matériels essentiels à l'utilisation du critère d'écoulement YLD2000 disponible dans LS-DYNA. Pour y arriver, différents essais mécaniques ont été réalisés, comme des essais de tractions et de gonflement hydraulique. L'essai de gonflement hydraulique a par ailleurs servi à obtenir une courbe d'écrouissage expérimentale pour des conditions de grande déformation. / The optimization of aluminum sheet and tube forming needs the use of large strain finite elements software such as LS-DYNA. The precision of the results from computer simulations depends mainly on the quality of constitutive modeling of the material. In order to improve quality of these simulations, Frédéric Barlat suggested a new yield function, YLD2000-2d. This criterion describes the anisotropic behavior of the rolled aluminum plates. This work consists to determine the various material parameters of the yield function of YLD2000-2d. In order to get these parameters, various mechanical tests were performed such as bulge test and tensile tests. Moreover, the bulge test is also used to obtain an experimental work hardening curve in large strain condition.

Le modèle de gestion de la qualité de l'eau SWAT pourra assister les acteurs de l'eau dans la mise en application de politiques de gestion de l'eau à l'échelle du bassin versant au Canada. Cependant, il y a peu d'applications du modèle SWAT sous des conditions climatiques caractéristiques du sud-est du Canada. Un protocole de mise en place du modèle SWAT est proposé. La performance des fonctions hydrologiques du modèle a fait l'objet d'une évaluation en distinguant les saisons hydrologiques hiver et été. Les sources d'incertitude dans les données de calibration pour la saison hivernale et dans la structure du modèle de fonte de SWAT ont fait l'objet d'une analyse détaillée. La capacité des fonctions hydrologiques de SWAT à converger vers un jeu unique de paramètres et à assurer que les voies d'entraînement des indicateurs de la qualité des eaux sont adéquatement modélisées est discutée. / The river basin model SWAT could assist stakeholders in the setting up of integrated watershed management policies in Canada. However, there is a lack of SWAT's applications under climatic conditions characteristic of Southeastern Canada. An implementation protocol of the SWAT model is proposed. The performance of the hydrologic component has been evaluated in distinguishing the hydrologic seasons winter and summer. The sources of uncertainty in the calibration data of the winter season, and in the structure of the SWAT snowmelt algorithm have been the object of a detailed analysis. The capabilities of the SWAT hydrologic component to converge towards a unique parameter set and to guarantee that the flow paths of water quality indicators are correctly modeled is addressed.

Le but de ce projet de recherche est de développer un outil de modélisation du comportement d’éléments en béton armé selon une discrétisation par couches. En flexion, la modélisation repose sur la capacité de prédire d’une part le comportement d’une section fissurée et d’autre part, le comportement global d’une poutre fléchie. Un endommagement relié à l’historique de chargement est également pris en compte par l’apparition de déformations permanentes et l’imposition d’une diminution de la rigidité des matériaux. L’outil offre alors la possibilité d’établir des seuils d’alarme par la mise à jour de l’indice de fiabilité d’une structure, ce qui constitue un atout significatif à la télésurveillance. Une portion expérimentale permet de confronter les résultats obtenus de la modélisation à des essais en laboratoire sous chargements statiques et cycliques sur des poutres instrumentées. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle démontre une très bonne concordance, autant sous chargements statiques que cycliques, malgré une prédiction un peu conservatrice des indicateurs de performance à la rupture. Ce phénomène est toutefois favorable dans l’optique de poser des seuils d’alarme en télésurveillance. Finalement, le modèle permet de construire une enveloppe de rupture incluant l’interaction des efforts de cisaillement et de flexion. L’utilisation de la théorie des champs de compression modifiée permet le suivi de l’inclinaison des fissures et de la déformation des étriers à l’ultime. Bref, le modèle assemblé s’avère un outil de prédiction efficace du comportement réel d’éléments fléchis et cisaillés en béton armé. / The objective of this research project is to develop a modeling tool (layer by layer) for the behavior of reinforced concrete members. For flexure, the model relies on the capacity to predict the behavior of a cracked section and also the behavior of the entire bent beam. Damage related to historic loading also applies, including permanent deformations and a diminished rigidity to the material. It is therefore possible to set up an alarm threshold by upgrading the reliability index of the structure which constitutes a complementary tool to telesurveillance or monitoring. An experimental program was setup to obtain results to validate the model with static and cyclic loading of instrumented beams. The comparison between the experimental results and the model predictions shows an excellent agreement for the static loading behavior, even though it is on the safe side of the performance index indicators. The phenomenon is nonetheless favourable for the proposed telesurveillance alarm threshold. Finally, the model can generate a rupture envelop including the interaction between the shear force and bending moment. The use of the modified compression field theory allows the follow-up of the crack inclination and the deformation in the stirrups at rupture. In summary, this prediction tool reveals to be a very useful one to simulate the behavior of reinforced concrete members subjected to shear and bending.

Ce projet de maîtrise présente le modèle stratigraphique et géomorphologique du glissement de Saint-Barnabé-Nord, survenu le 10 décembre 2005, et la caractérisation géotechnique des matériaux y étant impliqués. Il s’agit d’un étalement latéral survenu dans des argiles silteuses surconsolidées (OCR entre 1.5 et 3.2) de la mer de Champlain dont la résistance au cisaillement non drainée est plus élevée que 100kPa. L’étude de cet étalement latéral a démontré la nécessité de l’utilisation du concept de rupture progressive afin d’éclaircir la compréhension des étalements latéraux. La vérification de l’applicabilité du modèle de Bernander et al. (1988 et 1989) et Bernander (2000), utilisant la rupture progressive, sur un étalement latéral a donc été réalisée avec le cas du glissement de Saint-Barnabé-Nord. Cette modélisation a permis d’analyser le risque d’une rupture locale causée par une force d’extension ou par un déplacement, pouvant être induit par le fluage ou l’érosion, qui expliquerait la formation des premiers horsts et grabens, typiques aux étalements latéraux. / This study presents the stratigraphic and geomorphologic model of the Saint-Barnabé-Nord slide, which occurred on December 10th 2005, and the geotechnical characterization of the material involved in this slide. This lateral spread occurred in a Champlain sea silty clay deposit that is over consolidated (OCR varies between 1.5 and 3.2) and has a shear strength over 100kPa. The study of this slide demonstrates the necessity of the use of a progressive failure concept to get a better understanding of lateral spreads. The applicability of Bernander et al. (1988 and 1989) and Bernander (2000) progressive failure analysis was shown for a lateral spread with the case of the Saint-Barnabé-Nord slide. The modelisation enabled to analyze de risk of a local failure induced by an extension force or by a deformation, caused by creep or erosion, which could explain the formation of the first horsts and grabens typical of lateral spreads.

Le lac Saint-Augustin (Québec) est un lac montrant une eutrophisation avancée. L'eutrophisation, qui est un vieillissement accéléré d'un plan d'eau, est causée par l'apport excessif de phosphore (P) en provenance des sédiments qui sont contaminés en P et en métaux lourds. L'alimentation du lac est principalement souterraine ce qui contribue au relargage du P dans les eaux du lac. Un recouvrement actif est envisagé pour contrer le relarguage du phosphore. Ce recouvrement est constitué de calcite qui a la capacité d'adsorber le phosphore. Une étape préliminaire est envisagée afin de diminuer la teneur de phosphore dans la colonne d'eau par un traitement de coagulation/floculation avec de l'alun. Le projet de maîtrise vise à estimer la performance du recouvrement actif en essais en colonnes de grande taille. Ces essais reproduisent les conditions de terrain en laboratoire dans deux colonnes de près de trois mètres de hauteur. Les méthodes de réhabilitation y sont appliquées. Les deux colonnes sont différentes car seulement l'une des deux subit le prétraitement à l'alun à raison de 20 mg/l d'alun dans la colonne d'eau. Par contre, les deux colonnes contiennent la couche de recouvrement qui a une épaisseur de 15 cm de calcite surmontée d'une couche de 15 cm de sable (pour protéger et maintenir la calcite en place). Les essais en colonnes ont duré six mois. La calcite a montré une capacité élevée de rétention du phosphore avec une adsorption moyenne de 317 ± 106 mg de Pextractibie/kg calcite dans la colonne sans alun. La colonne avec alun n'a pas été aussi efficace, probablement à cause d'une vitesse de percolation plus rapide due à une perméabilité des sédiments trop élevée. Les conditions d'opération n'ont pas donné les résultats escomptés en terme de performance mais ont permis de démontrer le bon potentiel d'une couche de calcaire comme recouvrement actif pour contrer l'eutrophisation du lac Saint-Augustin.

La raffinerie Ultramar de Saint Romuald sur la rive sud de Québec produit des carburants qui sont acheminés par l'Ultratrain du Canadien National vers la métropole montréalaise. Trois années après la mise en service de ces trains de 1200 m de longueur pour 8000 tonnes, l'un d'eux déraille en 1999 dans une zone marécageuse où le sol naturel sous le remblai est un massif de tourbe. Les tourbes sont des sols organiques très compressibles saturés en eau et qui contiennent des fibres végétales. En 2004, au même endroit, un second déraillement a lieu. Le Bureau de la Sécurité des Transports (BST) et le Canadien National (CN) mandatent alors le département de génie civil de l'Université Laval pour étudier les conditions géotechniques de ces déraillements. Ainsi, de juin à novembre 2006, une campagne de mesures sur le site est mise en place pour collecter des données sur les pressions interstitielles et les tassements qui surviennent dans la tourbe pendant le passage des trains. Des tassements cumulatifs d'environ 1 cm en 3 mois sont mesurés. Ils sont causés par la dissipation des surpressions interstitielles que les trains bâtissent pendant leurs passages répétés. Ces résultats ont été présentés au BST et au CN en décembre 2006. Une première hypothèse possible de rupture locale, progressive et soudaine du massif de tourbe par poinçonnement lors du passage d'un train est alors formulée. Début 2007, des essais de résistance au cisaillement sur la tourbe prélevée sur le terrain sont réalisés dans les laboratoires de l'Université Laval. Ce sol est caractérisé par un comportement en cisaillement fortement dépendant de l'orientation du plan de rupture par rapport au plan d'alignement des fibres végétales contenues dans la tourbe. Les fibres sont naturellement orientées dans des plans horizontaux, rendant la tourbe fortement anisotrope. Si le plan de rupture est confondu avec le plan d'alignement des fibres, alors la résistance au cisaillement est minimum et correspond à celle de la matrice de la tourbe sans l'influence des fibres. A l'inverse, si le plan de rupture coupe les fibres, alors la résistance est augmentée. La quantification de cette augmentation est l'objectif de la campagne d'essais en laboratoire. Des études précédentes ont montré que lorsque les tourbes sont sollicitées dans des plans coupant les fibres, celles-ci ont tendance à s'aligner dans le plan de rupture et ainsi à diminuer progressivement la résistance au cisaillement le long de ce plan. Ainsi, en utilisant les résultats obtenus en laboratoire et les données de terrain, un mécanisme de rupture utilisé pour analyser et expliquer le déraillement de l'Ultratrin a été développé. Les calculs montrent que la diminution de résistance engendrée par l'alignement des fibres le long des plans de rupture dans la tourbe est suffisante pour provoquer le poinçonnement soudain de la tourbe sous le passage d'un train. Finalement, cette recherche montre que la capacité portante du massif de tourbe est régie par Panisotropie de la tourbe due à la présence des fibres végétales. / The Saint Romuald's Ultramar refinery near Québec City produces gas which is transported to Montréal by the Canadian National's Ultratrain. Three years after the first passage of these huge trains, a derailment occurs in 1999 in a naturally formed swamp zone, where the subsoil consists of peat. Peats are organic, very compressible and water saturated soils. They are also characterised by fibres content. A second accident takes place nearby in 2004. The Civil Engineering department of Laval University is then asked by the Transportation Safety Board of Canada (TSB) and by the Canadian National (CN) to investigate the geotechnical conditions of those derailments. In situ pore pressures and settlements of the peat under the rail embankment are monitored from June to November 2006. An accumulation of settlement of 1cm in 3 months in the peat is measured. They are the result of the overburden pressures dissipation created by the successive passages of the Ultratrain. The report of mis study has been presented to TSB and CN in December 2006. A first assumption of a local, progressive and unexpected failure of the peaty soil by punching is suggested. Triaxial and simple shear tests are performed in the Laval University's laboratories on samples of the in situ native peat on the beginning of year 2007. The shear behaviour of the peat turns out to be related to the relative orientation of the failure plane compared to the plane of deposit of the plant's fibres in the soil. Those fibres are generally oriented in a horizontal plane. This makes of the peat a strongly anisotropic soil. If the failure plane is parallel to the fibres plane, the shear strength corresponds to the strength of the matrix of the peat without the fibres reinforcing effect. This shear strength is minimal. If the failure plan cuts the fibres, the reinforcing effect of the fibres increases the shear strength. The objective of the laboratory tests is to evaluate this increase. Previous studies on peat showed that fibres trend to come into alignment with a failure plane, which decreases strongly the shear strength through this plane. The results of these tests and of the in situ investigations are used to develop a failure mechanism of the peat under the embankment. This mechanism explains the 2004 derailment. Calculations show that the shear strength's decrease caused by the fibres realignment is sufficient to produce the sudden failure of the peat by punching. Eventually, this study shows that the bearing capacity of the peat under the rail embankment is ruled by the anisotropic structure of the peat given by the fibres.