Les enjeux hydrologiques modernes, de prévisions ou liés aux changements climatiques, forcent l’exploration de nouvelles approches en modélisation afin de combler les lacunes actuelles et d’améliorer l’évaluation des incertitudes. L’approche abordée dans ce mémoire est celle du multimodèle (MM). L’innovation se trouve dans la construction du multimodèle présenté dans cette étude : plutôt que de caler individuellement des modèles et d’utiliser leur combinaison, un calage collectif est réalisé sur la moyenne des 12 modèles globaux conceptuels sélectionnés. Un des défis soulevés par cette approche novatrice est le grand nombre de paramètres (82) qui complexifie le calage et l’utilisation, en plus d’entraîner des problèmes potentiels d’équifinalité. La solution proposée dans ce mémoire est une analyse de sensibilité qui permettra de fixer les paramètres peu influents et d’ainsi réduire le nombre de paramètres total à caler. Une procédure d’optimisation avec calage et validation permet ensuite d’évaluer les performances du multimodèle et de sa version réduite en plus d’en améliorer la compréhension. L’analyse de sensibilité est réalisée avec la méthode de Morris, qui permet de présenter une version du MM à 51 paramètres (MM51) tout aussi performante que le MM original à 82 paramètres et présentant une diminution des problèmes potentiels d’équifinalité. Les résultats du calage et de la validation avec le « Split-Sample Test » (SST) du MM sont comparés avec les 12 modèles calés individuellement. Il ressort de cette analyse que les modèles individuels, composant le MM, présentent de moins bonnes performances que ceux calés indépendamment. Cette baisse de performances individuelles, nécessaire pour obtenir de bonnes performances globales du MM, s’accompagne d’une hausse de la diversité des sorties des modèles du MM. Cette dernière est particulièrement requise pour les applications hydrologiques nécessitant une évaluation des incertitudes. Tous ces résultats mènent à une amélioration de la compréhension du multimodèle et à son optimisation, ce qui facilite non seulement son calage, mais également son utilisation potentielle en contexte opérationnel. / Contemporary hydrological challenges, such as forecasting and climate change impact evaluations, are forcing the exploration of new modeling approaches to address current gaps and improve the assessment of uncertainties. The approach discussed in this Master’s thesis is referred as multimodel (MM). The main innovation in this study lies in this multimodel construction: rather than individually calibrating the models and use their deterministic combination, a collective calibration is performed on the average of the 12 lumped conceptual models. One of the challenges of this innovative approach is the large number of parameters (82) complicating the computational cost and ease of use, in addition to potential equifinality problems. The first part of the solution proposed is based on a sensitivity analysis to determine the least significant parameters and thereby reduce the total number of parameters to be calibrated. The second part is based on an optimisation with calibration and validation to evaluate the performance of MM and its reduced version. Both lead to improve MM understanding. Sensitivity analysis is performed with the Morris method, which reveal a version of the MM with 51 parameters (MM51) just as efficient as the original MM with 82 parameters and with decreased potential equifinality problems. Results of the calibration and validation with the "Split-Sample Test" (SST) of MM are compared with the 12 models calibrated individually. It emerges from this analysis that the MM individual models have reduced performances compared to the ones when calibrated separately. This decrease in individual performances, essential for an good overall MM performance, comes with an increase in diversity for the MM outputs. The latter is an important component of hydrological applications with uncertainty evaluation. These results lead to a better understanding of the multimodel and its optimisation, which facilitate not only the calibration, but also its potential use in an operational context.

Ce travail évalue le comportement mécanique des matériaux cimentaires à différentes échelles de distance. Premièrement, les propriétés mécaniques du béton produit avec un bioplastifiant à base de microorganismes efficaces (EM) sont etudiées par nanoindentation statistique, et comparées aux propriétés mécaniques du béton produit avec un superplastifiant ordinaire (SP). Il est trouvé que l’ajout de bioplastifiant à base de produit EM améliore la résistance des C–S–H en augmentant la cohésion et la friction des nanograins solides. L’analyse statistique des résultats d’indentation suggère que le bioplastifiant à base de produit EM inhibe la précipitation des C–S–H avec une plus grande fraction volumique solide. Deuxièmement, un modèle multi-échelles à base micromécanique est dérivé pour le comportement poroélastique de la pâte de ciment au jeune age. L’approche proposée permet d’obtenir les propriétés poroélastiques requises pour la modélisation du comportoment mécanique partiellement saturé des pâtes de ciment viellissantes. Il est montré que ce modèle prédit le seuil de percolation et le module de Young non drainé de façon conforme aux données expérimentales. Un metamodèle stochastique est construit sur la base du chaos polynomial pour propager l’incertitude des paramètres du modèle à travers plusieurs échelles de distance. Une analyse de sensibilité est conduite par post-traitement du metamodèle pour des pâtes de ciment avec ratios d’eau sur ciment entre 0.35 et 0.70. Il est trouvé que l’incertitude sous-jacente des propriétés poroélastiques équivalentes est principalement due à l’énergie d’activation des aluminates de calcium au jeune age et, plus tard, au module élastique des silicates de calcium hydratés de basse densité. / This work assesses the mechanical behavior of cement-based materials through different length scales. First, the mechanical properties of concrete produced with effective microorganisms (EM)-based bioplasticizer are investigated by means of statistical nanoindentation, and compared to the nanomechanical properties of concrete produced with ordinary superplasticizer (SP). It is found that the addition of EM-based bioplasticizer improves the strength of C–S–H by enhancing the cohesion and friction of solid nanograins. The statistical analysis of indentation results also suggests that EM-based bioplasticizer inhibits the precipitation of C–S–H of higher density. Second, a multiscale micromechanics-based model is derived for the poroelastic behavior of cement paste at early age. The proposed approach provides poroelastic properties required to model the behavior of partially saturated aging cement pastes. It is shown that the model predicts the percolation threshold and undrained elastic modulus in good agreement with experimental data. A stochastic metamodel is constructed using polynomial chaos expansions to propagate the uncertainty of the model parameters through different length scales. A sensitivity analysis is conducted by post-treatment of the meta-model for water-to-cement ratios between 0.35 and 0.70. It is found that the underlying uncertainty of the effective poroelastic proporties is mostly due to the apparent activation energy of calcium aluminate at early age and, later on, to the elastic modulus of low density calcium-silicate-hydrate.

La séparation des solides produits au sein des systèmes de traitement biologique est une étape cruciale ayant un grand impact sur la qualité de l’effluent. Jusqu’à présent, peu d’études se sont attardées aux spécificités que présente la séparation de la biomasse provenant de systèmes à culture fixe. D’une part, les concentrations relativement faibles de solides présents dans l’effluent des réacteurs ne permettent pas une biofloculation aussi efficace que lors de la décantation freinée observée au sein des clarificateurs de filières à boues activées. D’autre part, les solides présents à l’effluent d’un réacteur biologique à biomasse fixe sont principalement composés de fragments desquamés de biofilm possédant des caractéristiques associées à la décantabilité différant significativement de celles des cultures en suspension. L’objectif de l’étude consiste donc en la caractérisation de la décantabilité des solides contenus dans l’effluent de réacteurs équipés de cellules flottantes à microbiote fixe. Les cellules, contenant le support inerte BIONESTMD permettant la fixation d’une biomasse, ont été incorporées dans des réacteurs (échelle pilote) alimentés avec de l’eau usée domestique. Le montage expérimental a permis de mesurer l’influence des conditions d’opération des réacteurs sur la décantabilité des matières en suspension produites. Les variables ayant été modifiées sont la température et la charge organique surfacique. Des échantillons prélevés directement en aval des pilotes ont été analysés dans le but de mesurer l’influence de ces paramètres d’opération sur la décantabilité des boues produites. Des mesures de distributions de la taille des particules et de leur vitesse de sédimentation ainsi que des essais permettant de quantifier les matières en suspension décantables ont été réalisés sur chacun des échantillons. Les résultats obtenus permettent de constater que la charge surfacique appliquée (0,4 à 10 gDBO5Cs/m².d) n’a pas d’influence statistiquement significative sur la décantabilité des solides produits. La température d’opération (0,1 à 16°C) des réacteurs, quant à elle, affecte de manière significative la séparabilité des solides produits (degré de confiance de 95%). Il est possible de constater que les réacteurs pilotes opérés à des températures plus basses que 14°C permettent la production de solides auxquels sont associées les meilleures performances de décantation (pourcentage de matières en suspension décantées et concentration en MeS après décantation). En considérant que la vitesse de sédimentation est fonction de la taille des particules, les mesures de distributions de la taille des particules permettent d’expliquer les résultats obtenus. Il est effectivement possible de constater qu’une proportion plus grande de particules dont la taille est supérieure à 100 µm (décantables) est observée à l’effluent des pilotes opérés à des températures allant de 0,1 à 10°C. Les performances de décantation (tendances centrales) ainsi que la proportion des solides dont la taille est supérieure à 100 µm sont diminuées pour les pilotes opérés à des températures supérieures à cette plage. / Solid-liquid separation represents a crucial step of biological wastewater treatment processes. It has a large impact on the effluent quality of the facilities. Until now, only few studies were conducted focusing on the separation of solids produced in fixed-film processes. First, the relatively low sludge concentrations do not facilitate bioflocculation making separation less efficient than in activated sludge secondary settlers, where hindered settling occurs. Second, the solids produced in fixed-film biological reactors are mostly sloughed biofilm fragments. The settling potential of that type of particulate matter is quite different from the separation potential of activated sludge. The aim of the present study was to characterize the settleability of solids produced in fixed-film biological reactors. Cells containing BIONEST® inert media allowing the attachment of biomass were incorporated in pilot reactors fed with domestic wastewater. The experimental setup allowed the evaluation of the impact of operating conditions on the settleability of the produced solids. The variables studied were the temperature and organic load. Effluent samples were taken directly downstream the pilot reactors in order to measure the influence of those parameters on the solids’ settling potential. Particle size distributions, settling velocity distributions as well as tests allowing quantification of settleable solids were performed on each sample. The obtained results show that the applied organic load (0,4 to 10 gDBO5Cs/m².d) does not have a statistically significant effect on settleability. The operating temperature (0,1 to 16°C), in contrast, significantly affects solids separability (95% confidence level). The reactors operated at temperatures lower than 14°C allowed the production of solids with the best settling performance (percentage of suspended solids settled and suspended solids concentration after settling). Considering the fact that the settling velocity is a function of particle size, particle size distribution measurements were used to explain the obtained results. Indeed, it can be noted that a larger fraction of large particles (>100 µm) is contained in the effluent of the pilots operated at temperatures between 0,1 and 10°C. The settling performance (central tendencies) as well as the fractions of large particles decreased for pilots operated at temperatures above 10°C.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Les structures composites bois-béton sont largement utilisées aujourd’hui grâce à l’optimisation des performances et du coût de la structure qu’elles permettent. Le comportement de ces structures dépend fortement de la connexion entre les deux matériaux. La conception de ce type d’ouvrage peut rapidement devenir complexe, car il existe une multitude de connecteurs qui ont tout un chacun des comportements qui peuvent être très différents des uns des autres. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique qui permet de calculer avec précision les fréquences naturelles d’une poutre composite est présenté et implémenté. De plus, un modèle qui permet de prédire le comportement statique d’un connecteur ponctuel et d’une poutre composite en tenant compte du comportement non linéaire de chacun des matériaux est présenté et implémenté. Ces modèles reproduisent très bien les essais expérimentaux. Avec les simulations effectuées, il a pu être conclu qu’un connecteur dimensionnable serait l’idéal pour achever une performance ductile d’une poutre composite bois-béton. L’idée de ce type de connecteur est donc explorée et testée en laboratoire. Garantir une performance ductile rend la structure plus sécuritaire et permet ainsi d’augmenter l’utilisation du bois dans le secteur non résidentiel de la construction. / The timber-concrete composite structures are widely used today because they allow the performance optimization and the structure cost. The behaviour of timber concrete composite (TCC) structures depends heavily on the connection between the two materials. The design of this type of structure can quickly become complex because there are a host of connectors whose behaviour may be very different from each other. In this master thesis, a numerical model that can accurately calculate the natural frequencies of a composite beam is introduced and implemented. In addition, a model that predicts the static behaviour of a discrete connector and of a composite beam by taking into account the non linear behaviour of each material is presented and implemented. These models reproduce very well the experimental tests.With simulations, it has been found that an engineered connector would be ideal to provide for a ductile performance of a TCC beam. The idea of this type of connector is explored and tested in a laboratory. Ensure ductile performance makes the structure more secure and thus can increase the use of wood in non-residential construction sector.

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.

En concentration excessive, le phosphore rejeté à l'environnement favorise la croissance anormalement rapide de la flore aquatique. Des efforts doivent donc être faits pour développer des traitements qui permettront d'abaisser la concentration des rejets à des valeurs pouvant être aussi basses que 0,3 mgPtot/L. En ce sens, des travaux de recherche ont été réalisés. La méthodologie utilisée est basée sur l'utilisation d'un média filtrant constitué de broyure de bois activée imprégnée d'hydroxyde de fer à sa surface. Des essais en colonne ont été réalisés à partir de ce média filtrant. Opérées en immersion durant plus de 250 jours, des colonnes ont été alimentées avec une eau synthétique dopée en phosphore. Par ces essais, il a été mis en évidence que les colonnes opérées en milieu anaérobie sont plus efficaces que les colonnes opérées en aérobie. L'absence d'oxygène entraine une chute progressive du potentiel d'oxydoréduction. Lorsqu'il atteint des valeurs de l'ordre de -100mV, le fer en surface de la broyure se réduit et passe de la forme Fe³⁺ à la forme Fe²⁺. La forme Fe²⁺ étant plus soluble que la forme Fe³⁺, il y a donc une augmentation de la concentration en fer dissout. Appelé dissolution réductive, ce phénomène lent permet la complexation du fer solubilisé avec les ions phosphates en solution. C'est la combinaison de l'adsorption et de la complexation du fer qui permet d'obtenir un média performant. Sur une période de 291 jours, la colonne opérée en anaérobie a permis de maintenir à 85% l'enlèvement du phosphore. Puisque le phénomène de dissolution réductive entraine des relargages de fer et de phosphate ferrique à la sortie de la colonne, le contrôle de ces relargages par l'ajout d'une zone aérobie permet une hausse de la performance globale d'enlèvement du phosphore pour un % d'enlèvement global de 95%.

Au cours des dernières décennies, un noyau plutôt mince supporté par des épaulements en enrochement a été le modèle le plus économique et sans danger pour les barrages. Plusieurs rapports d'inspection de tassement et de déformation des barrages en enrochement au cours de la mise en eau et le fonctionnement de ces structures. Les tassements rapides ont été associés à la mise en eau. Cependant, la pression hydrostatique peut également contribuer à des changements considérables dans les déformations volumétriques au début de fonctionnement de barrages en amont. Le premier objectif de cette thèse est de montrer expérimentalement l'influence de la pression hydrostatique sur les matériaux concassés d’enrochement. Les essais de compression unidimensionnelle ont été menés par un grand oedomètre. L'équipement est conçu de manière à modifier la pression hydrostatique lors de l'essai, sans aucune influence sur les contraintes effectives. Premièrement, une étude approfondie est réalisée sur l’influence des dimensions de cellule et aussi l’influence de système de transfert de la charge à l’échantillon. Il a été établi que la hauteur de la cellule a de grandes influences sur la réponse de ces roches concassées en compression. La force de frottement entre la cellule et l'échantillon est la source de comportement varié de l’échantillon avec des hauteurs différentes. Une méthode simple, basée sur un double essai oedométrique peut être utilisée afin de définir la force de frottement dans les échantillons. Trois systèmes sont utilisés pour étudier l'influence de différents systèmes de chargement des échantillons. Ces systèmes transfèrent la charge à l’aide d’une plaque fixe, semi-fixe et rotulé. La plaque fixe transfère la charge d’une manière nonuniforme à l'échantillon, contrairement à d’autres systèmes étudiés. Donc, les résultats obtenus avec la plaque fixe de chargement doivent être utilisés avec une prudence particulière. Le comportement des matériaux d’enrochement dépend de plusieurs paramètres. Basés sur l’utilité de ces matériaux dans le barrage, quatre paramètres sont choisis pour cette étude. Ces paramètres sont la densité, le type de roches concassées, le niveau de contrainte et la taille des roches concassées. L'influence de ces paramètres sur le comportement à court terme de ces matériaux a été définie avec les essais expérimentaux. L’essai de compression unidimensionnelle a été choisi pour les études sur les enrochements avec des roches concassées. Les conditions de matériau ont été à sec, saturé sous la pression atmosphérique ou la pression hydrostatique. Le module oedométrique est utilisé pour représenter l'état de matériau dans l’essai de compression unidimensionnel. Un essai de fluage a été réalisé pour montrer le comportement à long-terme des matériaux granulaires grossiers saturés. L’essai a été réalisé sur les roches concassées de granite en plusieurs niveaux de charge et sous une pression hydrostatique constante. Les résultats de l’essai montrent une relation linéaire entre la contrainte et le temps dans une échelle logarithmique. La thèse présente également des informations sur le modèle phénoménologique à trois paramètres de Zhang et al. (Zhang et al.), développé pour simuler le comportement du fluage à plusieurs niveaux du sable saturé en compression. Le même modèle a été utilisé pour décrire pertinemment les résultats de l'essai sur des matériaux granulaires grossiers. Le comportement semblable de matériaux granulaires à particules fines et grossiers confirme l’existence de mécanismes identiques dans la structure des matériaux granulaires sous effet de fluage. Le deuxième essai de fluage a été réalisé sous différents niveaux de pression hydrostatique. Les résultats de l’essai montrent une relation linéaire entre la pression hydrostatique et le temps dans une échelle logarithmique. La thèse présente également un modèle de fluage qui prendre en compte l’effet de la pression hydrostatique sur des matériaux granulaires grossiers. / During the past decades, a rather thin core supported by rockfill shoulders was the most economical and safe design for dams. There are different reports of settlement and deformation inspection of rockfill dams during impounding and operation of these structures. The rapid collapse settlements have been associated with water impoundment. However, hydrostatic pressure may also contribute to significant change in volumetric deformations during the life of dams in upstream. The first aim of this thesis is to show experimentally the influence of hydrostatic pressure on crushed rockfill materials. In this way, the one-dimensional compression tests were conducted using the large oedometer equipment. The equipment is conceived in a manner to change the hydrostatic pressure during the test without any influences on the effective stresses. A comprehensive study is primarily carried out on the equipment effects on the test results. This study provides the impact of cell dimensions, and also the system influences on the loading transfer to sample. It was established that the height of the cell has great influences on the response of the crushed rock in compression. The frictional force between cell and sample is the source of dissimilarity in behaviour of the sample with different heights. A sample method, based on a double oedometer test, can be used to define the frictional force in the samples. Three systems are used to investigate the influence of different techniques of loading the samples. These systems transfer the loading using the fixed, the semi-fixed and the rotational platen. The fixed platen system transfers the loading in a non-uniform manner to the sample in contrast to other studied systems. Thus, the results obtained with the fixed platen of loading, must be used with a special caution. The behaviour of rockfill materials depends on several parameters. Based on the materials utility in dam, four parameters are chosen for this study. These parameters were the bulk density, the rock mineral type, the stress state and the particle size. The influence of these parameters on the short-term mechanical behaviour is defined with the experimental tests. The tests consisted of the one-dimensional compression tests on the uniform crushed rock particles. The materials are tested in the similar conditions which they are in rockfill dams means the air-dry condition, the flooded under atmospheric or hydrostatic pressure. The oedometric modulus is used to represent the mechanical state of materials under one-dimensional compression test. The one-dimensional creep test is also carried out to show the long-term behaviour of saturated coarse granular materials. The test was realised on the granitic crushed rock particles in multiple stage of stress under a constant hydrostatic pressure. The test results show a linear relationship between stress-strain and strain-time in a log-log scale. The thesis also presents the information on the three-parameter phenomenological model of Zhang et al.(2006) developed to reproduce the multiple stage creep behaviour of saturated sand in compression. The same model is used to describe accurately the results of test on coarse crushed rock particles. The similar behaviour of coarse and fine granular materials confirms the occurring of identical mechanisms in the structure of granular materials under creep effect. The second creep test was conducted under different levels of hydrostatic pressure. The test results show a linear relationship between the hydrostatic pressure and time in a logarithmic scale. The thesis also presents a creep model that takes into account the hydrostatic pressure effect in coarse granular materials.

Dans le contexte où les routes non revêtues sont susceptibles de subir des charges importantes, une méthode rigoureuse pour la conception de ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement mécanique des sols support est souhaitable. La conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement permet l’optimisation des structures de chaussées non revêtues ainsi que la réduction des coûts de construction et d’entretien. Le but de ce projet est donc la mise au point d’une méthode de conception mécaniste-empirique adaptée aux chaussées non revêtues. Il a été question tout d’abord de mettre au point un code de calcul pour la détermination des contraintes et des déformations dans la chaussée. Ensuite, des lois d’endommagement empiriques pour les chaussées non revêtues ont été développées. Enfin, les méthodes de calcul ont permis la création d’abaques de conception. Le développement du code de calcul a consisté en une modélisation de la chaussée par un système élastique multi-couches. La modélisation a été faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de Boussinesq pour le calcul des déformations sous la charge. L’élaboration des fonctions de transfert empiriques adaptées aux chaussées non revêtues a également été effectuée. Le développement des fonctions de transfert s’est fait en deux étapes. Tout d’abord, l’établissement de valeurs seuil d’orniérage considérant des niveaux jugés raisonnables de conditions fonctionnelle et structurale de la chaussée. Ensuite, le développement de critères de déformation admissible en associant les déformations théoriques calculées à l’aide du code de calcul à l’endommagement observé sur plusieurs routes en service. Les essais ont eu lieu sur des chaussées typiques reconstituées en laboratoire et soumises à un chargement répété par simulateur de charge. Les chaussées ont été instrumentées pour mesurer la déformation au sommet du sol d’infrastructure et les taux d’endommagements ont été mesurés au cours des essais. / Unpaved roads generally undergo heavy loads. For this reason, a rigorous design method based on mechanistic-empirical principles and on subgrades mechanical behaviors for unpaved roads is needed. A mechanistic design approach, combined with empirical damage laws, will optimize unpaved road structures and reduce maintenance and construction costs. Therefore, the purpose of this project is to create a mechanistic-empirical method for the design of unpaved roads. First, a calculation model was developed in order to determine the level of stress and strain in the pavement structure This model consists of an elastic multilayer road, using Odemark’s transformation and Boussinesq’s equations. Then, empirical damage curves for unpaved roads were developed. Finally, this work produced design charts. A two-step approach was adopted for the development of the transfer functions. The first step established rutting threshold values according to suitable functional and structural road conditions. Then, an allowable strain criterion that combines the calculated theoretical strains with the observed strains on real roads was developed. Laboratory testing took place on typical roads samples. The tests were carried out using a vehicle load simulator. The instrumentation of the structures was designed to measure the resilient and permanent vertical deformation at the top of the subgrade. The rutting rate was also measured during the tests.

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables. / The modelling of the cryolite bath, used in the smelting of aluminum, offers multiple challenges, particularly the presence of discontinuities in the solution and a difference in density between the solid and liquid phases. To over come these challenges, several novel elements were developed in this thesis. First of all, the phase change problem, commonly named the Stefan problem, was solved in two dimensions using the extended finite element method. A specially designed Lagrange multiplier formulation, using an enriched Lagrange multiplier solution, was implemented to impose the melting temperature on the interface. The interface velocity is determined by the jump in the heat flux across the interface and was calculated using the Lagrange multiplier values. Secondly, convection was included by solving the Stokes equations in the liquid phase using the extended finite element method as well. Thirdly, the density change between solid and liquid phases, usually neglected in the literature, was taken into account by the addition of a non-zero velocity boundary condition at the solid-liquid interface to maintain mass conservation in the system. Benchmark analytical and numerical problems were solved to validated the various components of the model and the coupled system of equations. The solutions to the numerical problems were compared to the solutions obtained using Comsol’s moving mesh algorithm. Theses comparisons show that the extended finite element method correctly solves the phase change problem with non-constant densities.

Ce travail de thèse s’est concentré sur la modélisation de l’effet d’un couvert de neige saisonnier sur le comportement thermique de grands ouvrages de génie civil construits dans les régions nordiques, ainsi qu’à son application sur des ouvrages construits avec des matériaux à grande porométrie. À l’heure actuelle, la présence de neige est souvent négligée dans les simulations numériques de régimes thérmiques, sauf pour les études portant sur les avalanches ou le régime nival qui utilisent des modèles conceptuels ou des modèles très détaillés, basés sur la physique. L’utilisation des modèles très détaillés dans l’industrie n’est pas avantageuse pour modéliser de grands ouvrages de génie civil en raison du grand nombre d'équations différentielles partielles et de paramètres parfois difficiles à estimer. De plus, l’introduction de la neige comme un milieu dans le domaine de calcul impose de grands défis pour les simulations en continu sur plusieurs années, car, comme la neige est saisonnière, le domaine qui représente la neige doit être éliminé après sa fonte. À cet égard, l’objectif principal de cette recherche est de développer un nouvel outil pour modéliser, en continu sur plusieurs années, l’effet thermique d’un couvert de neige sur des ouvrages de génie civil, qui puisse être aisément appliqué dans des cas pratiques. Pour cela, les transferts de chaleur et de masse dans la neige ont été étudiés afin d'identifier les modes de transfert qui ont une influence significative sur la température du sol. Ensuite, un outil numérique dans le logiciel FlexPDE a été établi pour modéliser le transfert de chaleur par conduction et convection, entre le sol, la neige et l'atmosphère en continu sur toute l'année. Cet outil considère également l’effet de la neige (frontière fermée ou ouverte) sur la convection dans des matériaux granulaires grossiers, et l’effet de la pluie et du changement de phase de l’eau sur le bilan d’énergie du couvert de neige. Cet outil emploie la méthode du bilan d’énergie de surface qui est considéré comme étant une condition aux limites de Neumann pour la température. L’outil a également servi à réaliser une analyse thermique d’un barrage en remblai et à démontrer la présence des cellules de convection dans l’enrochement et l’influence de la convection d’air sur l’extraction de chaleur de la fondation. Un autre objectif de cette recherche est d'établir un modèle simple et précis de la conductivité thermique pour tous les types de neige, y compris la neige artificiellement manipulée et compactée. La plupart des modèles existants de la conductivité thermique de la neige sont développés grâce à des techniques de régression qui ont l'inconvénient de ne pas respecter les limites physiques de la neige. Pour intégrer ces limites physiques dans un modèle simple, le concept de conductivité thermique relative est utilisé dans cette étude. Ce modèle est examiné avec des données publiées et réévaluées et avec les résultats de tests effectués au laboratoire de l'Université Laval. Le modèle proposé permet d’estimer la conductivité thermique de tous les types de neige, et ce, avec une grande fiabilité. / This work focused on the modeling of the effect of a seasonal snow cover on the thermal behavior of large engineering structures built in the northern regions, and its application for structures built with materials of large porometry. Nowadays, the presence of snow is often neglected in thermal numerical simulations, except for investigating the phenomenon of avalanches or production of water after snowmelt in the mountainous regions, while using conceptual models or very detailed models based on physics. In the industry, modeling a large structure by detailed models have two principals drawback. First, because of large numbers of partial differential equations and parameters, which are sometimes difficult to estimate. The introduction of snow as a medium in the computational domain also imposes great challenges for the continuous simulations for consecutive years, because seasonal snow is present only a few months a year and the domain representing the snow must be removed after melting. In this regard, the main objective of this research is to develop a new tool for the modeling of snow thermal effect on geotechnical structure continuously for several years that can also be applied in simple practical cases. For this, transfers of the heat and mass in snow are first studied to identify the most important transfer modes that significantly affect soil temperature. Then, a numerical tool using the FlexPDE software has been established to model the heat transfer by conduction and convection between soil, snow and atmosphere continuously over the entire year. This tool also considers the effect of snow (close or open boundary) on the air convection in the coarse granular materials, the rain effect and the water phase change in the energy balance of the snow cover. This tool uses the surface energy balance as the Neumann boundary condition for temperature. The tool is also served for thermal analysis of an embankment dam and demonstrates the presence of convection cells and the influence of the air convection on the heat extraction of foundation. Another purposes of this research is to establish a simple and accurate model of thermal conductivity for all types of snow, including artificially manipulated and compacted snow. Most of the existing model of the snow’s thermal conductivity are developed through regression techniques which have the drawback of not respecting the physical limits of snow. To integrate these physical limits in a simple model, the relative thermal conductivity concept is used in this study. This model is verified with published data and further validated with the results of the tests performed in the laboratory of Laval University. The proposed model estimates the thermal conductivity of all types of snow with great reliability.