L’objectif de la thèse est de développer un modèle de prédiction de l’uni des chaussées flexibles. La réalisation de cet objectif a impliqué quatre principales étapes. Premièrement, une revue de connaissance relative à la thématique a été faite. Il ressort de cette étude que l’Indice de Rugosité Internationale (IRI) est l’indice qui représente le mieux le phénomène d’uni. Cependant, la prédiction de celui-ci est encore essentiellement faite par des modèles empiriques. Deuxièmement, les deux principales dégradations des chaussées qui peuvent être les sources de problème d’uni pendant leur durée de vie utile sont notamment la déformation permanente différentielle (ornière) et le soulèvement différentiel. Ils ont été analysés et la nécessité de leur prédiction a été établie. Les modèles de prédiction recherchés doivent intégrer dans leur structure mathématique les paramètres géotechniques de sol qui sont les sources de la variabilité le long d’un tracé. Pour le soulèvement au gel, le modèle de Konrad (1981 et 2005) a été jugé approprié pour être intégré dans le modèle de prédiction de l’uni. Cependant, pour la déformation permanente, un nouveau modèle a été développé pour les besoins du projet. Troisièmement, un modèle mathématique de prédiction de l’uni des chaussées flexibles en termes d’IRI a été dérivé. Il a été bâti sur les hypothèses rigoureuses et comporte les paramètres complexes suivants : la déformation permanente ( ε p ), le soulèvement au gel (S), la fissuration transversale ( Ft ) et le coefficient représentant l’effet d’amplification ou d’atténuation des longueurs d’onde (K). Quatrièmement, le modèle dérivé a été étalonné et validé avec de données obtenues sur des chaussées réelles. Pour l’étalonnage, les données des bases de données du LTTP et du MTQ, d’une part, et, d’autre part, les données de la cueillette des paramètres géotechniques issus des essais de caractérisations des échantillons prélevés à chaque 5 m le long de 5 différents sites au Québec, ont été utilisées. Les coefficients d’étalonnage requis ont été déterminés avec succès. Pour la validation du modèle, par manque de paramètres géotechniques à chaque 5 m le long des sections identifiées pour réaliser cet objectif, le principe de niveau d’utilisation du modèle d’uni a été développé. Trois niveaux d’utilisation du modèle ont été développés et le modèle a été validé au troisième niveau d’utilisation avec un niveau de succès acceptable. / The objective of the thesis is to develop a model of prediction of the flexible pavements roughness. This goal was achieved through a rigorous process that involved four steps. First, a review of knowledge was made. It appears from this study that the International Roughness Index (IRI) is the index that better represents the roughness phenomenon, but the prediction is still empirical. Second, the two main pavement degradations that could cause roughness problems during the useful life are the permanent deformation and frost heave. After analysis of the existing models the need of the prediction model was established. The desired prediction models should have in their mathematical structure the geotechnical parameters of soil, which are the origin of variability along a road. For frost heave, the Konrad model (1981 and 2005) was found to be appropriate. However, for permanent deformation there was no adequate model. Thus, a permanent deformation model was developed. Third, a mathematical model for the prediction of pavements roughness in terms of IRI was derived. It has been built on rigorous assumptions and includes the following parameters: permanent deformation ( ε p ), frost heave (S), transverse crack ( Ft ) and coefficient representing the effect of amplification or attenuation of wavelengths (K). Fourth, the derived model was calibrated and validated with data obtained on actual pavements. For calibration, data from the LTTP and MTQ databases and the geotechnical parameters resulting from the characterization tests of the samples, taken at every 5 m along 5 different sites in Quebec Province were used. The required calibration coefficients have been determined successfully. For the validation of the model, due to lack of geotechnical parameters at every 5 m along the identified sections to achieve this objective, the principle of the model use level has been developed. Three levels of the model use were developed and the model was validated at the third level with an acceptable level of success.

Dans un contexte climatique rigoureux comme celui du Québec, l’interaction entre la charge et le climat a une grande influence sur la performance des structures de chaussées flexibles (Doré et Zubeck, 2009). Pendant le dégel printanier, avec la fonte de la glace, la chaussée s’affaiblit et cet affaiblissement la rend vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd ce qui accélère divers phénomènes de dégradation, notamment l’endommagement par fatigue et l’orniérage structural (Farcette, 2010). Afin de minimiser les effets des charges lourdes sur une chaussée affaiblie lors du printemps, les administrations routières choisissent souvent de limiter les charges par essieu ou par véhicule lors du dégel. L’objectif de ce projet est de développer un outil d’aide pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données recueillies par les stations de météo routière. Deux sections expérimentales composées des mêmes matériaux mais avec des épaisseurs d’enrobés bitumineux différentes situées au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) ont été utilisées pour ce projet. Pour bien interpréter le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des jauges de contraintes, des jauges de teneur en eau et des thermistances ont été installées dans chaque couche. Pour solliciter mécaniquement la chaussée, un déflectomètre à masse tombante (FWD) a été utilisé. Les résultats obtenus ont permis de de bien comprendre les mécanismes d’affaiblissement de la chaussée durant la période de dégel. Ils ont aussi montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Néanmoins, pour une meilleure gestion du réseau routier, de nouveaux critères pour mieux déterminer la période de restriction de charges sont proposés. / In strict climatic conditions such as in Quebec, the interaction between load and climate has a great influence on the performance of flexible pavement structures (Doré and Zubeck, 2009). During the spring thaw, when ice melts, the weakening of the pavement makes it vulnerable to solicitation by heavy traffic, speeding various phenomena of degradation, including fatigue damage and structural rutting (Farcette, 2010). In order to minimize the effects of heavy loads on a pavement weakened by the spring, road authorities often choose to limit axle loads or vehicle upon thawing. The purpose of this project is to develop a tool for load restrictions management in thaw period based on data gathered by the road weather stations. Two experimental sections built with the same material but with different thicknesses of asphalt concrete located at Laval University Experimental Road Site (SERUL) were used for this project. Each layer of the tested sections was instrumented with strain, stress, moisture, and temperature sensors. A falling weight deflectometer (FWD) was used to simulate heavy loads. The results obtained made it possible to understand the mechanisms of pavement weakening during the thaw. They also showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. Nevertheless, for better management of the road network, new criteria to better determine the load restriction period are proposed.

L’infiltration de l’eau dans la structure de chaussée peut engendrer des variations importantes dans son comportement mécanique. Cette eau, si en excès, peut engendrer une diminution dans la capacité portante des différentes couches composant la structure de chaussée. Cette diminution dans les propriétés mécaniques de l’infrastructure, se reflèteront à travers l’apparition prématurée de différents mécanismes tels la fissuration de fatigue, l’orniérage, les nids de poules, etc. Il est donc important de prendre les mesures nécessaires afin d’éviter l’accumulation d’eau en excès dans les matériaux granulaires afin d’éviter d’entraîner une diminution dans la durée de vie de l’ouvrage routier. Afin de prévenir ce phénomène, plusieurs techniques de mitigation ont été intégrées aux conceptions routières. L’intégration de technologies drainantes de type géocomposite est l’une de celles-ci. Malgré toutes les recherches qui se sont déroulées au cours des dernières années sur les technologies géocomposites, les décideurs ainsi que la communauté scientifique restent sceptiques face aux gains réels engendrés par l’implantation d’une technologie drainante dans la structure de chaussée. Le but de cette étude était donc de démontrer que l’investissement supplémentaire lié à l’ajout d’une technologie drainante dans la structure de chaussée était reflété par une récupération plus rapide des propriétés mécaniques et ainsi une augmentation dans la durée de vie de l’ouvrage. Pour ce faire, une section de route expérimentale en laboratoire de format réduit et une route expérimentale en format réel ont été produites. Les essais en laboratoire se sont déroulés sur quatre sections présentant des configurations de drainage différentes qui ont aussi été reproduites pour les essais de terrain, en y ajoutant une cinquième configuration. Les résultats des essais de laboratoire ont permis d’observer des améliorations dans le taux de récupération des modules globaux relatifs enregistrés pour les 4 différentes configurations. Les essais de terrain ont aussi permis d’observer des tendances à l’amélioration plus rapide des propriétés mécaniques des chaussées dans les sections présentant des technologies drainantes, mais moins marquées qu’en laboratoire. L’analyse a montré des gains en durée de vie (ÉCAS) de 0,92 à 1,29 % basés sur les données obtenues sur le terrain. Toutefois, l’analyse économique a dévoilé que les gains enregistrés lors d’une seule période de drainage suivant le cycle de dégel n’étaient pas suffisants pour justifier les coûts supplémentaires d’une telle technologie. Néanmoins, il reste plusieurs facteurs qui n’ont pu être considérés dans cette étude et qui pourraient potentiellement contribuer aux gains enregistrés par l’ajout d’une technologie de drainage. / Water infiltration in road structures can lead to important changes in its mechanical response. If in excess, the water can induce bearing capacity loss in the different aggregate layers composing the road structure. The diminution in the mechanical properties is likely to reflect itself prematurely through different mechanisms like fatigue cracking, rutting, pot hole, etc.. In order to prevent the loss of service life, it is important to take measures to prevent excess water infiltration in the granular layers of the infrastructure. Many mitigation techniques have been incorporated to road conceptions in order to prevent this phenomenon. Geocomposite drainage systems are among those. Despite all the research that has been conducted on this matter in the last years, decision maker and the scientific community are skeptical as for the actual earnings generated by the installation of a drainage technology in the pavement structure. The purpose of this study is thus to demonstrate that the additional cost generated by the addition of drainage technologies in road structures is reflected by a faster recuperation of the mechanical properties of the infrastructure and an increase of its service life. In order to validate this hypothesis, a small scale experimental road was constructed in laboratory and a full scale experimental road was constructed in the Laval University experimental site. Laboratory tests were conducted on four different drainage configuration that were reproduced in the field were a fifth section was added. Laboratory trails enabled to record noticeable amelioration between the four tested sections in terms of the recuperation rate of normalised modulus. Although the field results were not as pronounced as in laboratory, they enabled to note trend to faster recovery of the mechanical properties. Damage calculations showed gains in service life (ECAS) from 0.92 to 1.29%. However, the economical analysis showed that gains recorded during one drainage period following a thaw cycle was not sufficient to justify the extra costs. Nevertheless, there still are many factors that have not been considered in this analysis that could potentially contribute to the increase in the calculated gains.

Des techniques adaptées aux contextes routiers sont nécessaires pour maintenir et réhabiliter des chaussées construites sur pergélisol ou en contexte de gel saisonnier. Plusieurs problématiques peuvent engendrer une augmentation des coûts de réparation et entretien, une diminution de la durée de vie des chaussées et des problèmes reliés à la sécurité des usagers de la route. L’objectif du projet consiste donc à élaborer un outil d’aide à la décision, qui contribuerait à localiser les zones sensibles au gel saisonnier et à la dégradation du pergélisol, à discerner les causes de dégradation des chaussées dues au gel saisonnier et à sélectionner les meilleures stratégies d’atténuation et de réfection à moindre coût. Le projet de recherche est divisé en deux volets distincts. Le premier volet traite des problématiques de gel de chaussées en contexte de gel saisonnier. Actuellement, il existe des méthodes de diagnostic qui permettent de détecter les endroits où un problème de gélivité est susceptible d’être présent. Par contre, ces méthodes ne permettent pas de discerner si le problème de gel est en profondeur ou en surface de la chaussée; en d’autres mots si le problème est lié à un soulèvement différentiel du sol ou à un soulèvement de fissures. De plus, les méthodes utilisées ne sont pas adaptées aux chaussées en contexte municipal. Selon les problématiques connues de certains sites, il a été possible de développer un abaque permettant de différencier si la problématique de gel se situe en surface ou en profondeur dans une chaussée. Puis, une analyse d’imagerie 3D a été réalisée pour complémenter l’abaque créé. À l’aide de cette technologie, une nouvelle méthode sera mise au point pour détecter des problématiques de gel grâce aux profils transversaux. Le deuxième volet porte sur les chaussées construites sur pergélisol. Les méthodes actuelles de détection de la dégradation du pergélisol sous les chaussées manquent de précision et ont besoin d’être raffinées, surtout dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Pour ce faire, trois sites d’essais ont été étudiés sur l’Alaska Highway au Yukon. En fonction de différentes analyses telles que des analyses de profils longitudinaux, de la densité spectrale et de longueurs d’onde, des tendances ont été décelées pour caractériser l’instabilité du pergélisol. / Methods adapted to road condition are needed to maintain and rehabilitate roads built on permafrost or in context of seasonal frost. Several issues can lead to increase repair and maintenance costs, decrease the pavement’s lifetime and increase problems related to the safety of road users. The project objective is to develop a profile analysis tool, which would help to locate thaw and frost sensitive zones, diagnose the causes of degradation and select proper mitigation strategies. The research project is divided into two parts. The first section is related to frost heaves on pavements in context of seasonal frost. Currently, there are diagnosis methods for detecting areas where frost susceptibility is present. These methods do not allow to determine whether the freezing problem is under or at the surface of the road; in other words if the problem is related to differential heave or uplift cracks. Moreover, the methods used are not adapted to municipal roads. According to the known problems of some sites, it was possible to develop a chart used to differentiate if the frost problem is in surface layers or deep in the road subgrade. Then, a 3D analysis was done to complement the chart. Using this technology, a new method will be developed to detect freezing problems through the transverse profiles. The second part focuses on the pavements built on permafrost. Current methods for detecting the degradation of permafrost under roads are unclear and need to be refined. Three test sites were studied on the Alaska Highway in Yukon. Depending on various analysis, such as analysis of longitudinal profiles, the spectral density and wavelength, trends analysis were found to characterize the instability of permafrost.

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

En régions froides, les chaussées flexibles sont constamment soumises aux effets combinés des charges dynamiques induites par le trafic et de l’action du gel. Le soulèvement au gel dû à la formation de lentilles de glace dans le sol d’infrastructure est l'un des principaux mécanismes de dégradation impliqués dans l’accroissement du taux d’endommagement des infrastructures de transport. La relation entre la durée de vie des chaussées et les différents mécanismes de dégradation tels que la variabilité de la gélivité des sols, les charges associées aux effets du trafic, la capacité structurale des chaussées et l'effet de la fissuration est complexe à établir en régions nordiques où le soulèvement au gel joue un rôle majeur dans la détérioration des chaussées. L'objectif principal de ce projet est de présenter le développement de modèles d’endommagement de chaussée flexibles, développés grâce à une analyse de régression linéaire multiple, associant la performance de l’uni à long terme au soulèvement au gel et aux divers mécanismes de dégradation. Ces modèles seront essentiels pour évaluer les avantages ou les conséquences d'un soulèvement du gel inférieur, égal ou supérieur aux seuils admissibles établis par le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports (MTMDET) du Québec selon les classes fonctionnelles routières. Le projet montre qu'une augmentation significative du taux de détérioration des chaussées flexibles, généralement causée par de grands soulèvements et d’importantes variations de la gélivité des sols, est susceptible de contribuer à accélérer la dégradation des chaussées. Ce qui se traduit par une réduction de la durée de vie et par des besoins de réhabilitation plus importants. Ce projet permettra aux administrations routières et aux entrepreneurs d'adapter les conceptions des infrastructures de transport soumises à l'action du gel en fonction de leurs besoins et leurs objectifs de conception et de mieux comprendre les effets du gel sur la détérioration des chaussées. / In cold regions, flexible pavements are constantly submitted to the effects of climate combined with the repeated traffic loads effect. The frost heave of the subgrade soils due to formation of ice lens is among the main mechanism involved in the high degradation rate of the flexible pavement. The relationship between pavement service life and the various pavement degradation mechanisms such as the soil variability, the effects of traffic, the pavement structural capacity and the effect of cracking, is complex to establish in cold regions where frost heave plays a major role in pavement deterioration. The main goal of this project is to present the development of flexible pavement damage models, developed through a multiple linear regression analysis, associating the long-term roughness performance to frost heave and several degradation mechanisms. At a design stage, those models would be essential to evaluate the benefits or consequences to have a frost heave lower, equal or higher than the allowable threshold values established by the Ministère des Transports, de la Mobilité Durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) du Québec according to the roads functional classification. The result illustrated that a significant increase in long-term IRI deterioration rate, usually caused by a more variable subgrade soil, is likely to contribute to the rehabilitation of the pavements before the end of the initial pavement service life. This project will allow the road administrations and contractors to adapt the designs of road infrastructure subjected to frost action according to their needs and design objectives, and to better understand to effect of frost heave on pavement deterioration.

Pendant la période de dégel, les chaussées subissent une diminution significative de leur capacité portante, ce qui conduit à une augmentation de la détérioration au cours de cette saison. Le Ministère des Transports du Québec impose une restriction des charges pendant le dégel et la récupération structurale de la chaussée pour assurer une protection contre les dommages excessifs liés au dégel. L’objectif principal de ce projet est de présenter les résultats d’une enquête sur le comportement de la structure de la chaussée pendant le gel et le dégel dans des conditions contrôlées au laboratoire de l’Université Laval à l’aide d’un Simulateur de Véhicules Lourds (SVL). Les résultats de l’étude seront utilisés pour développer des critères d’aide pour les autorités dans le processus de prise de décision pour la mise en place et l’enlèvement de la restriction des charges. Une structure typique de chaussée souple à quatre couches a été construite dans une fosse d’essai faite en béton à l’Université Laval. La section de la chaussée a été instrumentée pour mesurer les déformations horizontales dans la couche du béton bitumineux, ainsi que la contrainte et la déformation verticale, et la teneur en eau dans toutes les couches non-liées et dans le sol d’infrastructure. La température a été également suivie dans toutes les couches. Le nouveau SVL a été utilisé pour appliquer une charge de 5000 kg (conditions normales), 5500 kg (hiver) et 4000 kg (restriction des charges printanière) sur un assemblage standard d’un essieu à pneu jumelé. Le simulateur a également été utilisé pour induire trois cycles de gel-dégel jusqu’à une profondeur de 1,5 m dans la structure de la chaussée. Les résultats ont permis de quantifier la relation entre la réponse de la chaussée et la profondeur de gel/dégel et d’identifier les conditions critiques de la période de dégel. Aussi, les résultats ont montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Cependant, pour optimiser la période de restriction de charges, de nouveaux critères de gestion ont été proposés dans ce projet. / During the spring thaw period, pavements experience a significant decrease of their bearing capacity, which leads to increased deterioration during that season. The Ministry of Transportation of Quebec enforces load restrictions during the thawing and the recovery of the pavement structures to ensure they are protected from excessive thaw associated damages. The main objective of this paper is to present the results of an investigation of the structural behaviour of a pavement structures during freezing and thawing under laboratory controlled conditions using the Laval University heavy vehicle simulator (HVS). The results of the study will be used to develop criteria to assists the authority in the decision-making process for the implementation and the removal of load restrictions. A typical four-layer flexible pavement structure was built inside an indoor concrete test pit at Laval University. The pavement section was instrumented to monitor horizontal strains in the asphalt concrete layer as well as vertical stress, vertical strain, and water content in each unbound layer and in subgrade soil. Temperature was also monitored in all layers. The new HVS was used to impose 5000 kg (normal conditions), 5500 kg (winter) and 4000 kg (spring load restrictions) loads on a standard dual-tire assembly. The load simulator was also used to induce three freeze-thaw cycles to a depth of 1,5 m in the pavement structure. The results allowed quantifying the relationship between pavement response and freezing/thaw depth and to identify the critical conditions of the thawing period. Also, the results showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. However, to optimize the load restriction period, new management criteria have been proposed in this project.

La conception des chaussées urbaines et la conception des chaussées rurales nécessitent l'utilisation de deux approches différentes dues aux vitesses de circulation. L'objectif principal du projet est de développer une méthodologie rationnelle de conception des chaussées adaptée au contexte d'exploitation municipal. La méthode de conception projetée permettra le calcul des épaisseurs des couches de la chaussée en fonction de divers facteurs comme le volume de trafic, le climat et la nature des sols en place. Ces paramètres seront utilisés dans la méthode pour évaluer les déformations de la chaussée sous sollicitations mécaniques et thermodynamiques. La méthode proposée portera principalement sur l'application des modèles viscoélastiques pour la détermination de la réponse mécanique des matériaux de chaussées en fonction du temps d'application de la charge. L'intérêt de cette approche est la possibilité de prendre en considération l'effet de la vitesse de circulation qui est un facteur important à considérer dans un contexte de conception urbain. Après avoir établi une méthode de calcul rigoureuse pour l'évaluation de la réponse mécanique, la recherche s'est portée sur le développement de modèles d'endommagement spécifiques au contexte d'exploitation municipal en prenant notamment en considération les effets saisonniers. Ce rapport porte principalement sur le développement des modèles de comportement mécanique de la chaussée en fonction de la vitesse de circulation. Il fait également état du développement des modèles d'endommagement qui permettront de compléter l'outil de conception proposé.

La performance à long terme du réseau routier au Québec est fortement influencée par le climat et les conditions météorologiques (Doré et Zubeck, 2008). Parmi ces facteurs, des niveaux élevés de saturation dans les sols et les matériaux de chaussée peuvent être une cause importante de la détérioration des routes. Selon des scénarios de changements climatiques établis par Ouranos, le sud du Québec subira des augmentations de précipitations moyennes mensuelles de -0,1 % à 8,45 % sur un horizon de 2010 à 2039. Le but de ce projet est de quantifier l’effet de ces futures augmentations sur le comportement mécanique des structures de chaussées et des sols. Basé sur les données collectées dans des sections de routes instrumentées, une relation entre les précipitations et l’augmentation du niveau de saturation des couches de chaussée est proposée. Afin de déterminer la relation entre les propriétés mécaniques et la teneur en eau, les comportements en module réversible et en déformation permanente (quatre différents sols) ont été déterminés avec des essais triaxiaux et ont été validés avec un simulateur de charge routier. Une analyse d’endommagement est effectuée afin de quantifier la diminution de la durée de vie utile causée par les changements climatiques. Il a été montré que les augmentations de précipitations, prévues au Québec, auront un impact significatif sur la performance des chaussées. Ainsi, certaines techniques de mitigation seront proposées pour pallier la diminution de la vie utile des chaussées. / The long-term performance of the road network of the province of Quebec (Canada) is strongly influenced by the climate and the weather conditions. Amongst other factors, high levels of saturation in soils and pavement materials are believed to be an important cause of pavement deterioration. According to the climate change scenarios established by Ouranos (2010), the North and South of Quebec will undergo an average precipitation increase from -0.1% to 8.45% in a future horizon of 2010-2039. The purpose of this project is to quantify the effect of these expected precipitation increases on the mechanical behavior of road structures, materials and soils. Based on literature and on data collected on instrumented road sections, a relationship between precipitation increase and saturation level of pavement layers is proposed. The resilient modulus and permanent deformation behavior for various water contents and four different subgrade soils was determined using triaxial tests, which were validated using small-scale heavy vehicle simulator, in order to determine the existing relationship between mechanical properties and moisture contents. Using the precipitation increase scenarios and the preset models, a damage analysis is performed to quantify the decrease of pavements service life caused by climate change. It is found that climate change, and more precisely the increase of precipitation expected in the Province of Quebec, will have a significant impact on pavement performance and that adapted pavement structures and materials, such as improved drainage, increased structural capacity or materials with reduced sensitivity to water, are possible options to reduce the loss of pavement life associated with climate change.

Les changements climatiques attendus pour les prochaines décennies auront des impacts non négligeables sur la performance à long terme des réseaux routiers québécois, notamment durant la période hivernale. Cette étude a pour objectif de quantifier l’effet des changements climatiques attendus en hiver, c’est-à-dire les effets d’une diminution de l’indice de gel et d’une hausse du nombre d’épisodes de redoux hivernaux. Tout d’abord, un adoucissement des températures hivernales aura un impact positif en réduisant l’endommagement des chaussées causé par les phénomènes de soulèvement au gel. Une augmentation de durée de vie relative de 6 à 17 % est attendue pour l’horizon climatique [2011-2040]. De plus, une méthode d’ajustement de l’indice de gel utilisé en conception a également été établie pour adapter les futures chaussées à des hivers moins rigoureux. Par la suite, l’effet d’une augmentation du nombre de redoux hivernaux aura des effets négatifs sur les chaussées en occasionnant une augmentation de l’endommagement par déformation permanente dans la couche de fondation granulaire et par fatigue dans la couche de béton bitumineux. Des essais triaxiaux ont été réalisés pour évaluer la performance en déformation permanente de différents types de MG-20 soumis à une répétition de redoux hivernaux. Ces essais ont ensuite été validés par des essais effectués à l’aide d’un simulateur de charge roulante. Il a été possible de conclure que, pour l’horizon climatique [2011-2040], les chaussées flexibles au Québec subiront une perte de durée de vie relative variant de 7 à 13 % en déformations permanentes. Concernant l’endommagement par fatigue, la perte de durée de vie relative attendue varie de 5 à 8 %. Finalement, certaines méthodes de mitigation sont proposées afin d’adapter les réseaux routiers aux changements climatiques. / In the coming decades climate change will have significant impacts on the long-term performance of the road network of Quebec, particularly during winter period. This study quantifies the effect of climate change expected in winter, precisely the effect of a decrease in the freezing index and an increase in the number of episodes of winter thaws. Firstly milder winter temperatures will have a positive impact by reducing pavement damage caused by frost heaves. Increased duration of life of about 6-17% is expected for climate horizon [2011-2040]. In addition, an adjustment of the freezing index has also been established to adapt construction of future pavement structure to less severe winters. Thereafter, the effect of an increase in the number of winter thaws events will have a negative impact on pavements increasing damages by permanent deformation in the granular base and by fatigue in the asphalt concrete layer. Triaxial tests were conducted to evaluate the performance on permanent deformation of different types of MG-20 subjected to repeated winter thaws. These tests were then validated using a small-scale heavy vehicle simulator. It was possible to conclude that, for the climate horizon [2011-2040], flexible pavements in Quebec will suffer a loss of lifetime ranging from 7 to 13% in permanent deformation. Regarding the fatigue damage, we expect a reduction of lifetime from 5 to 8%. Finally, some mitigation methods are proposed to adapt road networks to climate change.