L'objectif principal de ce travail était de définir une méthode d'analyse pour l'évaluation des dommages aux chaussées sous l'action des véhicules à très lourdes charges (SHL). L'indicateur proposé est une expression mathématique permettant de calculer le taux de déformation permanente en fonction des états de contrainte décrits par le passage d'un véhicule SHL, ce qui permet à la fois de définir la charge maximale acceptable sur les matériaux de la chaussée, sur la base d'un critère de service, et de quantifier les dommages et l'impact du véhicule non standard par rapport au trafic lourd classique. La première partie des travaux (chapitres 1 et 2), a consisté à définir la manière dont l'évaluation de la détérioration de la chaussée sera effectuée. A cet effet, un paramètre de quantification de la détérioration a été choisi sur la base de la déformation permanente accumulée pendant le transit d'un véhicule SHL, pour les couches granulaires et de fondation. Ce qui précède est basé sur les informations disponibles dans la littérature, où il est reconnu que la déformation permanente dans la structure de la chaussée est l'une des détériorations les plus probables, en raison de l'ampleur et de la forme de la distribution des contraintes induites par les véhicules SHL. La deuxième partie du travail (chapitres 3 à 5) a consisté à développer, calibrer et valider le modèle proposé, en utilisant des tests en laboratoire, l'analyse de modèles par éléments finis, ainsi que des tests de charge accélérés et des tests sur le terrain avec des véhicules SHL en conditions réelles. A l'issue de cette phase, la procédure de calibrage du modèle en laboratoire et de son application aux conditions de terrain a été obtenue. Cette phase comprend la définition de valeurs seuils (maximales) pour la détérioration par déformation permanente dans des conditions SHL. Dans la dernière phase des travaux (chapitres 6 et 7), une méthodologie complète a été proposée pour l'application du modèle de taux de déformation dans les cas des véhicules SHL, et elle a été comparée aux méthodologies actuelles. / This work's main objective was to define an analysis method for evaluating the damage in pavements under the actions of vehicles with super heavy loads (SHL). The proposed indicator is a mathematical expression to calculate the permanent deformation rate as a function of the stress states described by an SHL vehicle's passage. This indicator allows both to define the maximum acceptable load on the pavement materials based on a serviceability criterion and quantify the damage and impact of the non-standard vehicle compared to conventional heavy traffic. The first part of the work (Chapters 1 and 2) defines how the assessment of the pavement's deterioration will be carried out. For this purpose, a damage quantification parameter has been selected based on the permanent deformation accumulated during an SHL vehicle's transit in granular layers and subgrade. The above is based on the information available in the literature. It is recognized that permanent deformation in the pavement structure is one of the most probable deteriorations due to the magnitude and form of distribution of stresses induced by SHL vehicles. The second part of the work (Chapters 3 to 5) has consisted of developing, calibrating and validating the proposed model, using laboratory tests, finite element model analysis, and accelerated load tests and field tests with SHL vehicles under real conditions. As a result of this phase, a procedure for calibrating the laboratory model and its application to field conditions has been obtained. This phase includes the definition of threshold values (maximum) for deterioration by permanent deformation under SHL conditions. In the last phase of the work (Chapters 6 and 7), a complete methodology has been proposed to apply the deformation rate model in SHL vehicles' cases, and it has been compared with the current methodologies.

Les revêtements routiers à albédo élevé peuvent être utilisés afin de réduire la quantité de chaleur absorbée par les surfaces revêtues ce qui permet de limiter la dégradation du pergélisol sous les remblais routiers. Ce projet a pour but de proposer une méthode d’évaluation efficace des revêtements à albédo élevé en contexte nordique. Le premier objectif est de développer des outils permettant de rapidement évaluer les bénéfices thermiques liés à l’utilisation des revêtements à albédo élevé. Un modèle de calcul a été développé afin de calculer les températures superficielles des revêtements routiers en fonction de leur albédo. Ce modèle a été validé en utilisant les données provenant d’une planche expérimentale réalisée à Beaver Creek au Yukon. Enfin, des outils simples de calcul basé sur ce modèle ont été proposés. Le deuxième objectif est d’offrir un cadre d’évaluation de propriétés techniques des revêtements à albédo élevés. Pour ce faire, les propriétés les plus importantes des revêtements à albédo élevé ont été ciblées : la réflectivité solaire, l’adhérence et la durabilité. Des méthodes d’essais ont ensuite été choisies afin de permettre d’évaluer ces propriétés. / High albedo surfaces can be used to reduce heat absorption by road pavement for limiting the degradation of the permafrost underlying road embankments. This project aims at proposing an efficient method to evaluate the use of high albedo surfaces in northern environments. The first objective is to provide tools to evaluate quickly the thermal benefits of high albedo surfaces. A model has been developed to calculate surface temperature of pavements as a function of the albedo of the surface. The model has been validated using data from a test section built in Beaver Cree, Yukon. Simple calculation tools based on the model have been proposed. The second objective is to provide a way to evaluate the technical properties of high albedo surfaces. The most important properties targeted are reflectivity, skid resistance and durability. Testing methods have been chosen in order to test these properties. Observations made on the field and in the laboratory allowed to draw recommendations in order to assure a durable, efficient and safe usage of high albedo surfaces.

Cette étude se concentre sur l’étude de l’influence de la granulométrie des matériaux de protection contre le gel sur le transfert thermique dans les chaussées. Elle se base sur la modélisation d'une structure de chaussée, avec le logiciel Flexpde, en choisissant différentes régions de la Norvège. La température normale d'une période de 30 ans s’étalant de 1980 jusqu’à 2010, ainsi que l’année la plus froide (condition extrême) ont été choisies pour chaque région comme étant la température de l’air. Par l’intermédiaire d’un facteur N, cette température est liée à la température de la surface qui sera imposée par la suite comme conditions aux limites.Tout d’abord, une démarche de validation a été faite pour trois cas d’étude. Le premier cas consiste à modéliser un problème de transfert de chaleur par la conduction pure qui considère le changement de phase d’eau liquide. La solution analytique étudiée pour ce cas est le problème de Neumann. Le deuxième cas consiste à modéliser un problème de transfert de chaleur par convection naturelle en régime permanent dans une cellule adiabatique chauffée par le bas, qui génère un mouvement circulaire de l’air. La cellule adiabatique est modélisée en 2D (1m x 1m). La température imposée en haut et en bas du matériau est symétrique par rapport à la température de référence. Finalement, le troisième cas consiste à reproduire numériquement une structure de chaussée expérimentée à Røros/Norvège pour évaluer l’évolution de la profondeur de gel durant l’hiver pour l’année 2017/2018. Ensuite une étude de structure de chaussée comprenant une couche d’asphalte, une couche de base, une couche de sous-base et une couche de protection contre le gel (Frost protection layer) ainsi que le sol naturel a été modélisée en variant les conditions climatiques imposées selon les régions étudiées en Norvège.

L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux granulaires utilisés pour construire les fondations des routes. Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste dans la limite des tolérances des déformations élastiques. Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de Tutumluer et al., (2003). Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume. / One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the foundations of roads. Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer remains within tolerated limits of elastic deformations. In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing. The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material (72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003). Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the results due to the shape of the pressure-volume curve.

Au Canada, les municipalités sont actuellement confrontées à un problème majeur de dégradation de leurs chaussées, attribuable en bonne partie au vieillissement de celles-ci et à l'augmentation des charges d'autobus urbains. L'étude propose une solution au renforcement de chaussées par l'utilisation d'une structure inverse, adaptée au contexte municipal (présence de seuils en surface et de services techniques souterrains). Le choix de matériaux économiques et à forte teneur en produits recyclés a été privilégié. Sur la base des simulations effectuées, il en ressort que la couche inférieure, fabriquée de grave ciment, a théoriquement une durée de vie illimitée, ce qui permet d'envisager la possibilité d'interventions futures se limitant seulement à la couche du revêtement bitumineux en surface. Le concept proposé, pour la réhabilitation de chaussées dégradées, permet d'entrevoir des excavations peu profondes (350 à 450 mm), une durée de vie d'au moins 25 ans et un bon rapport-bénéfices/coûts.

Un des aspects les plus importants pour la conception et le dimensionnement des chaussées est le module élastique ou réversible (MR) qui permet de caractériser le comportement mécanique des matériaux nécessaire pour le dimensionnement d'une chaussée (AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais 1986). Le module de chacune des couches associé à son épaisseur permet de définir une structure dite multicouche pour laquelle il est possible de modéliser le comportement contrainte-déformation sous charge. Par contre, en considérant la complexité de l'essai de MR et le coût des équipements requis pour le mesurer, le développement de méthodes d'estimation simples, précises et spécifiques au matériau considéré faciliterait la mise en application d'outils de conception mécanistes-empiriques au Canada. Ce projet a donc comme objectif le développement d'un modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires de chaussées adaptés aux matériaux du canadiens. La valeur du MR dépend d'un grand nombre de paramètres. Cette approche de prédiction considère des variables liées à la teneur en eau, la granulométrie et la densité des matériaux granulaires pour l'estimation des constantes C₁ et C₂ du modèle linéaire MR = cls[thêta] + c2s + [delta]MR. Un total de 25 matériaux granulaires de différentes régions de Canada a été considéré pour le développement de ce modèle. En conclusion ce modèle d'estimation du MR des matériaux granulaires fournit une première approximation statistiquement significative en comparaison aux approximations utilisées actuellement au Québec. De plus, il est possible de trouver le MR à n'importe quel degré de saturation, avec l'inclusion du [delta]MR dans l'équation du MR. Ce modèle de prédiction est une approximation très intéressante et simple, puisque dans le but de trouver la valeur du MR, il permet d'éviter la réalisation d'un essai triaxial cyclique complexe et coûteux en ne réalisant que des essais standards.

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.

Actuellement au Québec il n'existe pas de méthode de dimensionnement pour les chaussées revêtues de pavés de béton. Pourtant, l'utilisation de pavés de béton comme revêtement de chaussées apporte des avantages certains tant sur le plan esthétique que sur plan climatique en contexte municipal et nordique. En effet, ils permettent de structurer l'espace urbain et peuvent être mis en place à de faibles températures, permettant ainsi d'augmenter la période de construction durant l'année. Du point de vue structural, sous l'effet du trafic, le transfert de charges d'un pavé à l'autre et vers les couches inférieures de la chaussée permet à ce type de structures de se comporter comme une chaussée souple, ce qui rend possible leur installation dans des zones fortement sollicitées. Lors d'une première étape de ce projet, 18 sites répartis dans les villes de Montréal, Québec et Longueuil ont été étudiés et ont permis de montrer que l'orniérage était la principale dégradation pour ce type de chaussées en contexte municipal et nordique. Les méthodes traditionnelles de dimensionnement des chaussées souples ne sont pas adaptées aux chaussées revêtues de pavés de béton puisque plusieurs des hypothèses généralement posées pour ces méthodes ne sont pas valides pour ces structures : les couches doivent être homogènes et isotropes, les modules doivent être décroissants d'une couche à l'autre du haut de la structure vers le bas. Enfin, les méthodes de dimensionnement traditionnelles consistent à vérifier entre autre que la traction à la base du revêtement ne dépasse pas une valeur critique. Cependant, la présence du sable du lit de pose sous les pavés ne permet pas d'utiliser ce critère. En conséquence, il apparaît important de déterminer les caractéristiques d'une couche unique, homogène et isotrope qui permet de reproduire adéquatement le comportement du revêtement de pavés de béton. L'orniérage étant la principale dégradation pour ce type de chaussées, une méthodologie de dimensionnement peut alors être développée en déterminant l'accumulation de la déformation permanente dans la chaussée sous l'effet du trafic, en incluant les variations de caractéristiques que subit la chaussée suivant la période de l'année.

Une méthode d'évaluation environnementale de tronçons routiers, modulaire, basée sur l'Analyse de Cycle de Vie et développée au LCPC, a été étendue aux calculs d'impacts et aux matériaux alternatifs. L'objet de cette thèse était de comparer des variantes d'autoroutes interurbaines utilisant des matériaux naturels et alternatifs et d'étendre l'outil associé au milieu urbain, tout en menant une réflexion sur l'accessibilité de l'outil par des non-spécialistes de l'environnement. Les spécificités de conception urbaine ont été implémentées sur une base de dimensionnement classique. L'extension aux matériaux alternatifs a été traitée pour des laitiers de hauts fourneaux. Plusieurs applications à des cas types de chaussées ainsi que des études d'ouvrages sont présentées. Une enquête sous forme d'entretiens et de questionnaires a été réalisée auprès de différents acteurs de la profession, permettant de dégager la place des critères environnementaux au sein du processus décisionnel.

Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l'installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité. / Road design and construction techniques developed in southern Canada definitely need to be adapted to northern environment to prevent dramatic permafrost thawing after new road construction. Furthermore, climate warming causes now important soil stability problems in the Canadian far north. All these factors lead to a loss of the functional and structural capacities of the Alaska Highway over a 200-km section mainly from Destruction Bay to the Alaska border. To find long term and cost-effective solutions, Yukon Highways and Public Works (in collaboration with the Alaska University Transportation Center, Transport Canada, le U.S. Federal Highways Administration, l’Université de Montréal and l’Université Laval) constructed 12 instrumented sections on the Alaska Highway near Beaver Creek (Yukon) in 2008. These sections experiment one or several combined methods of thermal stabilization such as convection air embankment, heat drains, snow/sun shed, grass-covered embankment, longitudinal culverts, reflecting surfaces and snow clearing on embankment slopes. The main objectives of this project are 1) to analyze the ground thermal regime and the heat fluxes for each of the 12 sections during their first three years in service; 2) to document all factors which can facilitate or disrupt the efficiency of the protection systems and; 3) to determine the long term costs / benefits ratio for every technique tested. In order to do this, a new method based on the calculation of heat extraction Hx and heat induction Hi index at the interface between the embankment and the natural ground has been used in this study. The permafrost mitigation techniques that showed good potential for cooling by reducing active layer thicknesses were the ACE uncovered, the longitudinal culverts, the snow/sun shed and the light-coloured aggregate BST (although this was only effective along the central part of the highway). Unfortunately, problems in the installation of the heat drain techniques prevented a full assessment of their effectiveness. The durability of the sections as well as their long-term cooling potential must also be assessed to complete the economic analysis provided in this study.