Ce mémoire décrit le modèle numérique Smoothed Particle Ice Dynamics Equations for Rivers (SPIDER) développé par Nolin, Roubtsova et Morse afin de modéliser le transport et l'accumulation de glace à la surface d'une rivière. Dans SPIDER, la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est utilisée pour résoudre les équations de dynamique de la glace en deux dimensions. Le modèle SPIDER a été utilisé afin de simuler la formation d'embâcle fluvial. Les profils d'embâcle obtenus sans considérer le frottement des berges sont identiques à ceux présentés dans les études antérieures. Les profils obtenus en considérant le frottement des berges diffèrent de ceux présentés dans les études antérieures mais sont conformes à la méthode utilisée pour modéliser le frottement. Deux études paramétriques ont été réalisées afin de caractériser l'influence de l'angle de frottement interne de la glace ([phi]) et du coefficient de traînée eau-glace (cw) sur les profils d'embâcle. Ces études montrent que plus l'angle ʹ est grand, plus l'embâcle est long et moins la glace au pied de l'embâcle est épaisse. De même, plus cw est grand, plus l'embâcle est court et plus l'épaisseur de glace au pied de l'embâcle est grande. Le relâchement d'un embâcle fluvial a été simulé en couplant SPIDER au modèle hydrodynamique KIMBULA développé par Roubtsova V. et Kahawita R. à l'École Polytechnique de Montréal. Les résultats préliminaires simulés par ce modèle hybride sont similaires à ceux présentés dans les études antérieures.

Au Québec, l’importante augmentation de la production porcine observée entre les années 1970 et 2000 a mené à des surplus de lisier de porc dans certaines régions, à cause du manque de terres disponibles pour l’épandage. Ces surplus ont pour conséquence d’entraîner des problèmes de pollution de l’eau, notamment la contamination des nappes phréatiques par les nitrates (NO3-) et l’eutrophisation des plans d’eau. Une des solutions possibles pour contrer cette pollution est d’installer, à la ferme, un système de traitement du lisier. Pour ce faire, différentes technologies ont été développées, l’une d’entre elles reposant sur le principe de la biofiltration. L’objectif principal de ce travail était d’améliorer les connaissances sur le comportement de l’azote à l’intérieur d’un biofiltre traitant du lisier de porc. Dans un premier temps, la biodégradabilité de trois types de lisiers a été étudiée. Le recours à la respirométrie et au modèle biologique ASM3 a permis de quantifier de façon relativement rapide les fractions organiques rapidement et lentement biodégradables de ces lisiers. Parallèlement à ces travaux, les performances d’enlèvement de trois biofiltres pilotes, soumis à différentes conditions, ont été évaluées. Des performances épuratrices satisfaisantes en terme de réduction de la demande chimique en oxygène (DCO) et de l’azote ammoniacal (N-NH4+) ont été confirmées. L’enlèvement d’azote total par les biofiltres a varié entre 82 et 90%, attestant la présence de dénitrification au sein des systèmes. Ces essais ont également permis de statuer que l’enlèvement d’azote total est favorisé par un rapport C/N élevé (17 g DCO/g N). Par ailleurs, un suivi des gradients de concentration dans le profil de profondeur du biofiltre a été effectué. Contrairement à toute attente, il a mené à l’observation des processus d’oxydation de la matière organique, de nitrification et dénitrification de façon nettement prédominante dans les trente premiers centimètres du biofiltre. En outre, la production de N2O, inhérente à l’opération de tout système de dénitrification, doit être surveillée de près considérant l’impact de ce puissant gaz à effet de serre sur les changements climatiques. Selon les résultats de l’étude, les principaux facteurs favorisant la production du N2O dans le biofiltre seraient les teneurs en eau, en oxygène dissous et en NO3- au sein du milieu filtrant. Par conséquent, une optimisation de l’enlèvement de l’azote du lisier, réalisée en minimisant les impacts sur les changements climatiques, pourrait passer par l’étude d’une diminution de l’aération ou de l’instauration de cycles aérobie/anoxie. / In Quebec, an important increase in pig production, observed from years 1970 to 2000, led to pig slurry surpluses in some regions, because of insufficient land for application. As a consequence of these surpluses, water pollution occurred, such as the contamination of groundwater by nitrates (NO3-) and the eutrophication of surface water. A solution to overcome this pollution is to install, on the farm site, a pig slurry treatment system. Over the past 20 years, many technologies have been developed, one of them based on the principle of biofiltration. The aim of this study was to improve the knowledge regarding nitrogen behavior inside a trickling biofilter treating pig slurry. As a first step, the biodegradability of three types of pig slurry was studied. Respirometry and the ASM3 biological model were used to quantify the rapidly and slowly biodegradable organic fractions of these slurries. Parallel to this work, nitrogen removal performances of three pilot biofilters were evaluated under different operating conditions. Satisfactory removal efficiencies with regards to chemical oxygen demand (COD) and ammoniacal nitrogen (N-NH4+) were confirmed. Total nitrogen removal varied between 82 and 90%, proving the presence of denitrification inside the systems. These trials also showed that total nitrogen removal is favored at high C/N ratio (17 g COD/g N). In addition, investigation of the nitrogen behavior inside the biofilter led to the surprising conclusion that organic matter oxidation, nitrification and denitrification occurred mainly in the top 30 cm of biofilter. Finally, N2O production, inherent to any denitrifying system, must be followed considering the impact of this powerful greenhouse gas on climatic changes. Results suggested that the main factors favouring N2O production in the biofilter are related to water, dissolved oxygen and nitrate contents inside the filtering media. Consequently, the optimisation of nitrogen removal from pig slurry, while minimizing its impact on climatic changes, may require the study of an aeration diminution through the implantation of aerobic/anoxic cycles.

Cette étude a permis le développement d'une unité d'électrocoagulation, imbriquée à un système de traitement BIONEST®, qui puisse réduire les charges en phosphore des effluents provenant de résidences isolées. Cette unité, testée en laboratoire, possédait une cellule d'électrocoagulation de 2,45L munie d'électrodes bipolaires faites d'aluminium. La performance épuratrice du procédé a fait l'objet d'une optimisation par la création d'un plan factoriel d'expériences 24 '1 avec des eaux synthétiques. Quatre variables ont été analysées: la densité de courant, le temps de rétention hydraulique, la dimension des électrodes et l'espacement entre les électrodes. Par analyse statistique, un modèle de régression a été déduit permettant la prédiction de l'enlèvement du phosphore. Ce modèle exclut la quatrième variable qui s'avère non-significative. Des essais de validation du modèle ont été effectués avec des eaux usées réelles. L'efficacité épuratrice obtenue a été de 98%. D'autres polluants ont aussi été enlevés dont la DCO, les coliformes fécaux et une portion de l'azote total.

Les bâtiments actuels faits de pièces en béton préfabriqué utilisent généralement des assemblages qui n’offrent que peu ou pas de continuité à la structure. Il en résulte une sous utilisation importante des matériaux par rapport à une même structure se comportant de façon monolithique. Plusieurs études portant sur des assemblages rigides, soudés ou assemblés par post-tension, ont déjà été réalisées. Bien que structuralement viable, aucun de ces modèles ne s'est avéré capable de répondre pleinement aux besoins de l'industrie. Les tolérances de construction trop serrées et la complexité de réalisation ont souvent posé problème. Les travaux présentés ici portent donc sur le développement d'un assemblage rigide boulonné, utilisable à grande échelle, destiné à l'industrie du bâtiment multiétagé en béton préfabriqué. L'étude entreprise comporte deux phases, soit la conception du système structural et la détermination de la rigidité des assemblages. Les résultats obtenus sont utilisés afin de comparer le nouveau concept aux charpentes actuelles. La démarche d’analyse s’appuie sur le logiciel VisualDesign pour élaborer la structure du bâtiment, et sur le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS pour la caractérisation du comportement des assemblages. Les efforts de recherche ont été orientés de manière à établir la faisabilité du modèle, afin de permettre le développement futur de projets de recherche en partenariat avec l’industrie. / To this day, the connections of precast concrete buildings offer little or no continuity to the structure. Consequently, when compared to monolithic structures, the material is clearly not used to its full capacity. Studies on rigid connections, welded or assembled by post tension, have been carried out by a few investigators. Although structurally valid, none of the proposed connections proved able to meet the needs of the construction industry, due to stringent erection tolerances and complexity of assembly. The work presented here concerns the development of a bolted rigid connection system likely to be used on a large scale by the precast concrete construction industry. The study is separated in two parts. The first is concerned with the development and tuning of the new structural system while the second one deals with the determination of the rigidity of the proposed connection. The connection behaviour is then used to compare the amount of material used in the new system and the actual precast system. The software Visual Design was used to analyse the building structure, and the finite element software ANSYS to determine the characteristic behaviour of the new connection. The intent of the research is to establish the feasibility of the proposed model, so that future research and development efforts can be carried out in partnership with the precast industry.

La présente étude vise d'une part, à fournir et définir les paramètres de base nécessaires au développement de la lixiviation fongique des métaux et d'autre part, à améliorer sa rentabilité économique par l'utilisation d'une source de substrat économique. Pour ce faire, différents essais en flacons ont été réalisés en laboratoire. En premier lieu, ces essais ont permis de mettre au point une procédure de lixiviation, notamment le choix d'une méthode de lixiviation adaptée à la lixiviation de deux résidus miniers d'origines différentes. En second lieu, le perméat de lactosérum a été sélectionné parmi 7 résidus agroalimentaires comme une nouvelle source de substrat pour remplacer le sucrose habituellement utilisé au laboratoire lors des essais de lixiviation fongique. Par la suite, l'influence de divers paramètres de production des acides organiques (qui sont les agents de lixiviation) et de lixiviation des métaux sur la solubilisation de 6 métaux lourds (Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn) a été évaluée. L'influence de la distribution géochimique des métaux a été étudiée en particulier. Les résultats obtenus montrent que la lixiviation fongique offre la possibilité de récupérer à des concentrations commercialement attractives les métaux lourds retenus dans les importantes quantités de résidus miniers rejetés par l'industrie minière. Elle se révèle ainsi comme une biotechnologie prometteuse qui s'intègre au développement durable non seulement en préservant l'environnement et la santé publique des conséquences néfastes de la présence des métaux lourds, mais aussi en permettant la valorisation de ces derniers comme une source secondaire de matières premières, ainsi que celle du perméat de lactosérum comme une source de substrat pour la biosynthèse des acides organiques.

La présente étude porte sur la caractérisation des particules fines des différentes fractions (< 400 um, < 160 um, < 80 um) des matériaux granulaires MG-20 de fondation routière par l'essai au bleu de méthylène. Elle se situe dans le cadre de la Chaire de Recherche en Exploitation des Infrastructures soumises au Gel (CREIG) de l'Université Laval. L'influence de la dimension des particules fines soumises à l'essai vis-à-vis du degré d'adsorption du bleu de méthylène a été évaluée à l'aide de l'essai au bleu de méthylène conventionnel, suivant la norme «LC 21-255, "détermination de la valeur au bleu de méthylène des sols et des granulats» du Ministère des Transports du Québec, MTQ », et selon l'approche développée à l'université Laval, à l'aide d'un spectrophotomètre. Les essais au bleu de méthylène ont montré que la détermination de la valeur au bleu (VB) ou de la surface spécifique (Ss) des sols à l'aide du spectrophotomètre élimine plusieurs facteurs d'erreur que l'on retrouvait avec la méthode conventionnelle (i.e. méthode du papier filtre). Ainsi, il s'est avéré que la valeur au bleu à l'aide du spectrophotomètre (VBs) est plus adéquate que la valeur au bleu avec la méthode du papier filtre (VBPF) du fait que la procédure utilisée pour l'obtention de ces valeurs est la plus objective. Il a été aussi démontré que les relations établies entre la surface spécifique (Ss) et le pourcentage des fines inférieures à 80 um (% particules fines <80 um) sont beaucoup plus valides que celles faites à partir du pourcentage de fins, puis celles représentant l'influence du type du minéral argileux et sa proportion par rapport à la masse totale dans le sol. De plus, l'approche développée par Konrad (1999) entre le potentiel de ségrégation (SP0) et les propriétés d'indice sur des sols fins a indiqué une forte corrélation entre le potentiel de ségrégation (SP0), la surface spécifique des fines < 80 um (Ss <so um) et la dimension moyenne des fines < 80 um (dso (FF)) du MG-20. Il a été montré également que la valeur au bleu (VB) ou la surface spécifique (Ss) des fines non argileuses, déterminées par la méthode d'adsorption de bleu de méthylène, sont fortement influencés par l'état de surface et la porosité intragranulaire du grain, menant ainsi à des surestimations de la capacité d'adsorption du matériau dont les grains sont altérés.

La recherche sur les écoulements à surface libre turbulents, et sur le cisaillement turbulent spécifiquement progresse depuis les années 1970. Les équations décrivant le mouvement d'agitation turbulente sont bien connues. Elles sont reliées directement aux équations non moyennées de continuité et de conservation de la quantité de mouvement qui forment le système d'équations de Navier-Stokes ainsi que les différentes équations de corrélations du mouvement turbulent. Pour un écoulement turbulent, ce système d'équations présente un problème de fermeture relié à la présence des termes associés aux contraintes de Reynolds. L'échelle du phénomène et plusieurs processus importants du mouvement turbulent ne peuvent ainsi être résolus de façon exacte, et un degré d'approximation devient donc nécessaire. La recherche sur le phénomène de la turbulence a permis de développer plusieurs concepts et approches reliés, notamment, à la viscosité turbulente, à l'isotropie locale de la turbulence et aux équations de transport des termes fluctuants afin de résoudre le problème de fermeture du système d'équations de Navier-Stokes. Ces approches présentent évidemment certaines limitations. De fait, la turbulence est fortement dépendante des conditions aux frontières par rapport à l'écoulement moyen et ne permet pas de prédétermination de la forme des distributions des vitesses moyennes de l'écoulement dans le cadre de la recherche d'une solution approximative. Ce travail de recherche présente un modèle hydrodynamique turbulent 2D vertical, en vue de résoudre une problématique d'écoulement à surface libre à partir de la méthode des éléments finis de frontière ainsi qu'une démarche en laboratoire, afin de caractériser les fluctuations de vitesses et de pression d'un écoulement turbulent à l'aide d'une méthode de vélocimétrie par imagerie de particules. Pour notre modèle numérique, notre approche procède à partir d'une formulation intégrale des équations moyennées de conservation de la quantité de mouvement et de continuité et l'équation associée des corrélations de vitesses turbulentes. En spécifiant les conditions aux limites pour les vitesses, la corrélation et les tractions à la frontière, le calcul du champ de vitesses peut être déterminé en termes des variables primaires à la frontière. Dans ces conditions, il n'est pas requis de discrétiser le domaine à l'aide d'un maillage ou de cellules ce qui pennet une utilisation plus efficiente des ressources et du temps de calcul. Des applications à des cas d'écoulements simples permettent de démontrer la validité du modèle bien que l'imposition des contraintes à la frontière peut être difficile à interpréter et que dans certains cas, l'intégration numérique pour des fonctions singulières peut être hasardeuse. À tenne, notre modèle prédit correctement les solutions analytiques de l'équation de Navier-Stokes pour un écoulement de Couette et ce, sans imposer de distribution à priori des variables primaires de l'écoulement sur le domaine, dans la recherche d'une solution numérique. Le système d'équations de Navier-Stokes, pour un écoulement turbulent, peut donc être envisagé à partir d'une formulation intégrale sur la frontière uniquement. Cette situation étant en accord et cohérente avec le comportement physique attendu du phénomène où les propriétés d'un écoulement turbulent sont directement reliées aux conditions aux limites et que l'action des contraintes fluctuantes est inter-reliée avec l'écoulement moyen. D'autre part, la démarche expérimentale à l'aide de vélocimétrie par imagerie de particules a permis une meilleure compréhension des spécificités des écoulements turbulents à surface libre, à Reynolds modéré. Notre analyse sur les conditions turbulentes à la frontière de l'écoulement tend à corroborer que les corrélations de vitesses turbulentes sont en équilibre avec le gradient de pression et bien que l'écoulement moyen puisse être stationnaire, il apparaît que les corrélations varient continuellement dans le temps selon une action dissipative, ce qui signifie que le gradient de pression est en constante évolution pour équilibrer le système. De plus, il apparaît que les conditions de pression moyenne dans un modèle, ne peuvent représenter adéquatement la réalité physique de l'action de la pression instantanée selon l'agitation turbulente. Enfin, remarquons que l'étude de la turbulence en laboratoire peut être entreprise de manière adéquate, aujourd'hui, avec des moyens limités malgré l'échelle du phénomène. Mots clés: équations de Navier-Stokes, écoulement turbulent, corrélations de vitesses, éléments finis de frontière, vélocimétrie par imagerie de particules.

La théorie des milieux poreux réactifs fermés est explorée pour modéliser le comportement au jeune âge des bétons pour des couplages chimio-poro-visco-élastiques. Le modèle est construit autour de l'hypothèse que la dépression capillaire est le principal mécanisme responsable du retrait d'autodessiccation (Hua et al. 1995). Ce retrait correspond à la réponse viscoélastique de la matrice solide vieillissante du milieu poreux sous l'action d'une contrainte de compression induite par la condensation capillaire. L'apparition d'une déformation de gonflement dans les premières heures qui suivent la prise du matériau ne peut être expliquée par un phénomène de dessiccation, car l'humidité relative décroît au fur et à mesure de l'évolution de la réaction d'hydratation. Les déformations endogènes (déformations libres du matériau en conditions isothermes, sans chargement extérieur et sans échange hydrique avec l'extérieur) sont donc définies comme la somme d'un gonflement chimique macroscopique dû à la réaction d'hydratation et d'un retrait d'autodessiccation. L'approche chimio-poro-visco-élastique développée dans cette étude pour analyser le comportement au jeune âge des bétons a plusieurs objectifs. Premièrement, une modélisation basée sur une approche de la mécanique des milieux poreux permet d'avoir une base rigoureuse à la compréhension des mécanismes qui ont une influence sur les déformations différées observées à l'échelle macroscopique. Le deuxième objectif consiste en la mise en place d'un outil qui fournit les bases nécessaires à une meilleure compréhension de l'influence de la composition du matériau sur le comportement au jeune âge des bétons. Ce rapport est divisé en quatre parties dont les deux premières font état des connaissances publiées dans la littérature scientifique qui permettront d'arriver à une modélisation basée sur une approche multi-échelles du problème. Les conditions de retrait restreint sont développées dans la troisième partie afin de montrer comment un essai R2D2 peut être analysé en vue d'une modélisation du comportement au jeune âge. La quatrième décrit les bases théoriques du modèle ainsi que l'identification des paramètres de ce dernier. Le rapport finit par une application de l'approche pour étudier l'influence du ciment et du rapport E/C sur le comportement au jeune âge des bétons.

Un montage expérimental a· été développé afin de mesur~r la conductivité thermique et la perméabilité intrinsèque d'assemblages de. cailloux. Le montage est composé d'une boîte de 1 m3 , isolée de 0.15 m de polystyrène. Deux plaques amovibles, composées d'un tuyau de cuivre en serpentin, permettent la cIrculation de fluide à température contrôlée au sommet et à la base de l'échantillon. La plaque du haut contient 4 fluxmètres qui permettent de mesurer le flux au sornrriet de l'échantillon pour des essais avec écoulement de chaleur vers le haut ou vers le bas. Des thermistances, installées sur plusieurs niveaux à l '.intérieur de l'échantillon permettent d'établir les profils de températures au centre et de chaque côté de la boîte. Les résultats obtenus de différents essais ont permis de développer et de valider une méthode d'analyse des donnés. Les essais avec écoulement de chaleur vers le haut et vers le bas ont été effectués sur 3 matériaux différents, soient des échantillons dont les diamètres passés par 50% des particules (d50) sont 169.3 (matériau 1), 140.0 (matériau 2) et 107.6 mm (matériau 3). Pour chacun de ces échantillons, les essais avec écoulement de. chaleur vers le bas ont permis de mesurer les coefficients de conductivité thermique effective qui sont, respectivement, de 1.03, 0.95 et 0.71 W/m~C. Les essais avec écoulement de chaleur vers le haut ont permis d'obtenir le nombre de Nusselt et, à partir de la relation Nu-Ra, le nombre de Rayleigh correspondant. Connaissant la conductivité thermique effective des matériaux et les propriétés de l'air à 20oe, la perméabilité intrinsèque des matériaux a pu être rétro-calculée à partir du nombre de Rayleigh. Les valeurs obtenues sont de 3.9,2.0 et 1.5 x10-6 m2 pour les matériaux 1,2 et 3 respectivement. Les résultats de la présente étude, couplés aux résultats d'études antérieures ont permis de valider un modèle de prédiction de la conductivité thermique effective, de même qu'un modèle de prédiction de la perméabilité intrinsèque car, pour une très grande plage de valeur du diamètre des particules (0.1-200 mm), les modèles de prédiction représentent bien les données.

La présente étude porte essentiellement sur l'élaboration de modèles qui mettent en relation, d'une part, les propriétés de résistance des sols (résistance au cisaillement obtenue au scissomètre) et, d'autre part, les propriétés résilientes (modules rétro-calculés à partir d'essais de déflexion) avec les valeurs d'indice de pénétration obtenues au pénétromètre à cône dynamique (DCP). Des essais de terrain ont été effectués sur dix sites couvrant une gamme étendue de sols cohérents représentatifs du contexte géologique québécois ainsi qu'au Site Expérimental Routier de l'Université Laval (SERUL) sur chacune des quatre fosses présentant un sol d'infrastructure différent. Des essais de laboratoire ont également été réalisés sur cinq sols pulvérulents reconstitués. Les résultats obtenus sur le terrain et en laboratoire ont été comparés et analysés afin de définir la relation entre la résistance et la résilience pour différents types de sols ainsi que d'effectuer plusieurs regroupements. En réalisant une analyse statistique avec trois différents niveaux d'interprétation, des relations robustes faisant intervenir des variables explicatives ont été développées. Un minimum d'information sur le sol testé est nécessaire pour le premier niveau, la classification du sol est requise pour l'utilisation des modèles du deuxième niveau alors que des paramètres qui tiennent compte des caractéristiques des sols sont requis pour le troisième niveau. Pour les sols à grains fins, ces paramètres sont la densité sèche, l'indice de plasticité et l'indice de liquidité alors que pour les sols à grains grossiers, ceux-ci sont la densité et l'indice de plasticité ou la teneur en eau.