Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de mécanique des sols LMS)

Étude expérimentale du dégel d'un limon argileux : application aux chaussées et pergélisols alpins

Dysli, Michel ; Vulliet, Laurent (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3792.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    Curiously, the thawing of frozen soils containing ice lenses has only been the subject of rare fundamental studies even though it is the cause of the greatest damage to constructions. The reduction of bearing capacity caused by the thawing of the ice lenses is a destructive phenomenon, and thus costly, which concerns roadway and railway infrastructures, as well as the melting of mountain permafrost by global warming. The present research, especially experimental, has tried to explain how ice lenses melt and how the water produced by the melting acts on soil properties, in particular on their deformability. Numerous freezing and thawing tests have been carried out in a testing apparatus including : A mould containing a specimen 150 mm in diameter and 300 mm in height. It is slightly conical in order to reduce the friction against its walls due to swelling. Numerous gauges placed on the sides and in the specimen in order to measure temperature, unfrozen water content and suction. Three cryostats, which control temperature at the head of the specimen (positive and negative), at its base (always positive) and outside of the thermal insulation placed against the mould. A micro-camera (endoscope), which moves in a translucent tube placed along the axis of the specimen, which enables animations of the growth and melting of ice lenses to be made. A press to enable loading and unloading cycles to be applied to the specimen. An X ray device using lead shot placed in the specimen, which enables the measurement of deformation in the entire specimen during the freezing and thawing cycles. All of the tests were carried out on one very frost–susceptible silt. Their duration of approximately two months excluded the possibility of carrying out tests on several types of frost–susceptible soils. Some numerical simulations permitted the verification of the thermal behaviour of the test apparatus. Then, previous freezing and thawing tests carried out at full scale on road pavements, carried out in a large test pit, were reinterpreted in order to obtain improved information on the deformability (resilient moduli) of the frost–susceptible infrastructure which was made up of a silt similar to that tested in the laboratory tests described above. The results of the laboratory tests and the reinterpretation of the full–scale measurements on road pavements were used for two very different practical applications : the design of roadway and railway pavements by quantitative methods using, in particular, resilient moduli and the formation of mountain permafrost and its thawing due to global warming. In the general field of the physical phenomenon of freezing and thawing of frost–susceptible soils, the very elaborate experiments permitted the measurement, with precision and reliability, of numerous parameters which are involved in the phenomena of freezing and thawing of fine-grained soils. However, most of these phenomena were already known and their parameters have been determined rather well by numerous experiments. This research has, nevertheless, permitted the quantification of certain parameters a bit better. The greatest contribution to the understanding of these phenomena has been the visualisation of the growth and the thawing of ice lenses inside the specimen using an endoscope, which has never been carried out previously. The resulting animations show extremely well how the ice lenses form and melt in a virtually natural soil. In the field of freezing and thawing design for roads and railways, the research has shown that the use of a thawing resilient modulus combined with modern numerical design methods is completely possible. This research has provided several values for this modulus : for the silt used in the full–scale test pit, for various frost–susceptible soils, and, by a more elaborate method, for the silt used in this research. Also concerning this field, it has shown how the resilient modulus may be used in modern numerical methods and how to determine it in the laboratory. The results of this research will thus be very useful for the work of the Swiss committee which will very soon address the revision of Swiss standards for the design of pavements for roads and railways. In the field of the construction of roads and railways, this research has confirmed that the water, which comes from the melting of ice lenses, flows toward the soil zone from where it has been extracted then transported toward the freezing front. Any drainage of the formation level is thus of no practical use. Finally, in the field of melting of permafrost due to global warming and the initiation of debris flows in mountain permafrost, this research has shown, first of all, the importance of the capillary suction regime in the formation of mountain permafrost, which has never been well explained until now. It has also shown how the use of sophisticated numerical models in the prediction of the melting of mountain permafrost and of the initiation of debris flows is possible. Such use, however, is difficult and should not be considered as a practical tool for common use in the prevention of these dangerous phenomena. This research has also provided a practical method for evaluating the degree of supersaturation of permafrost.
    Résumé
    Curieusement, le dégel des sols gélifs contenant des lentilles de glace n'a fait l'objet que de rares études fondamentales alors qu'il est la cause des dégâts aux constructions les plus importants. La diminution de la portance induite par la fonte des lentilles est un phénomène destructeur, et donc coûteux, qui concerne aussi bien les infrastructures de routes ou de voies ferrées, que la fonte des pergélisols alpins par réchauffement du climat. La présente recherche, avant tout expérimentale, a tenté d'expliquer comment fondent les lentilles de glace et comment l'eau de leur fonte agit sur les propriétés des sols, en particulier, sur leur déformabilité. De nombreux essais au gel et dégel ont été réalisés dans un dispositif d'essai élaboré qui comprenait notamment : Un moule contenant une éprouvette de quelque 150 mm de diamètre et de 300 mm de hauteur ; il était légèrement conique pour diminuer le frottement contre ses parois lors du gonflement. De nombreux capteurs placés sur le pourtour et dans l'éprouvette permettant la mesure des températures, des teneurs en eau non gelée et des succions capillaires. Trois cryostats contrôlant les températures de la tête de l'éprouvette (positives et négatives), de son embase (toujours positives) et de l'extérieur de l'isolation thermique placée contre le moule. Une micro-caméra (endoscope) se déplaçant dans un tube translucide placé dans l'axe de l'éprouvette qui a permis de réaliser des animations de la formation et de la fonte des lentilles de glace. Un dispositif permettant de soumettre l'éprouvette à des cycles de charge et décharge. Une installation à rayons X qui, par le biais de billes de plomb placées dans l'éprouvette, a permis de mesurer les déformations dans toute l'éprouvette pendant les cycles de gel-dégel. Tous les essais ont été effectués sur un seul limon très gélif. Leur durée – quelque deux mois – n'a pas autorisé la réalisation d'essais sur plusieurs types de sols gélifs. Quelques simulations numériques ont permis de vérifier le comportement thermique du dispositif d'essais. Ensuite, d'anciens essais en vraie grandeur au gel et dégel sur des superstructures routières, réalisés dans une fosse d'essais, ont été réexploités pour obtenir une meilleure information sur la déformabilité (modules résilients) de l'infrastructure gélive qui était constituée par un limon semblable à celui utilisé pour les essais en laboratoire décrits ci-dessus. Les résultats des essais en laboratoire et la réexploitation des mesures en vraie grandeur sur des superstructures routières ont été utilisés pour deux applications pratiques très différentes : le dimensionnement des superstructures routières et ferroviaires au moyen de méthodes quantitatives, utilisant, en particulier, les modules résilients, et la formation des pergélisols alpins et leur fonte par le réchauffement du climat. Dans le domaine général du phénomène physique du gel et du dégel des sols gélifs, l'expérimentation très élaborée a permis de mesurer avec précision et fiabilité les nombreux paramètres qui interviennent dans les phénomènes du gel et du dégel des sols fins. Cependant la plupart de ces phénomènes étaient déjà connus et leurs paramètres assez bien déterminés par de nombreuses expérimentations. Cette recherche a néanmoins permis de quantifier un peu mieux certains de ces paramètres. Le plus grand apport à la bonne connaissance de ces phénomènes a été la visualisation de la formation et de la fonte des lentilles de glace, visualisation à l'intérieur de l'éprouvette au moyen d'un endoscope, ce qui n'avait jamais été fait auparavant. Les animations résultantes montrent très bien comment se forment et comment fondent les lentilles de glace dans un sol presque naturel. Dans le domaine du dimensionnement au gel et dégel des voies de communication, la recherche a montré que l'usage d'un module résilient au dégel, avec des méthodes numériques modernes de dimensionnement, était tout à fait possible. Cette recherche a donné quelques valeurs de ce module : pour le limon utilisé lors des essais réalisés dans la halle fosses d'Ecublens, pour différents sols gélifs et, par une méthode élaborée, pour le limon utilisé pour cette recherche. Toujours dans ce domaine, elle a aussi montré comment utiliser le module résilient dans les méthodes numériques modernes et comment le déterminer en laboratoire. Les résultats de la présente recherche seront ainsi d'une grande utilité dans les travaux de la commission suisse qui va très prochainement s'atteler à la révision des normes suisses de dimensionnement des super- et infrastructures routières voire ferroviaires. Dans le domaine de la construction des voies de communication, cette recherche a confirmé que l'eau de fonte des lentilles de glace s'écoulait vers la zone du sol où elle avait été prélevée puis transportée vers le front de gel. Tout dispositif de drainage de la forme de la fondation est ainsi inutile. Enfin, dans le domaine de la formation et de la fonte des pergélisols alpins par réchauffement du climat et de l'initiation de laves torrentielles dans les pergélisols alpins, la présente recherche a tout d'abord démontré l'importance du régime des succions capillaires dans la formation des pergélisols alpins, importance qui n'avait pas encore été bien mise en évidence. Elle a aussi montré que l'usage de modèles numériques élaborés dans la prévision de la fonte des pergélisols alpins et dans l'initiation de laves torrentielles était possible. Un tel usage est cependant difficile et ne peut être considéré comme un outil pratiquement utilisable dans la prévention de ce dangereux phénomène. Cette recherche a aussi donné un moyen pratique pour évaluer le degré de supersaturation des pergélisols alpins.
    Zusammenfassung
    Merkwürdigerweise ist das Auftauen von frostempfindlichen Böden, die Eislinsen enthalten, Gegenstand von nur seltenen grundlegenden Studien, während es die Ursache der wichtigsten Schäden an den Bauwerken darstellt. Die Tragfähigkeitsverminderung, die durch das Schmelzen der Linsen verleitet wird, ist ein zerstörendes und daher kostspieliges Phänomen, das nicht nur die Infrastrukturen der Strassen oder der Eisenbahn betrifft, sondern auch das Schmelzen des Permafrostes durch Erwärmung des Klimas. Diese vor allem experimentelle Forschung hat versucht zu erklären, wie die Eislinsen schmelzen und wie das Schmelzwasser auf die Eigenschaften der Böden, und insbesondere auf ihre Verformbarkeit, wirkt. Zahlreiche Frost- und Auftauversuche wurden in einer ausgearbeiteten Versuchseinrichtung realisiert; sie umfassten insbesondere : Ein Zylinder, der eine Probe von etwa 150 mm Durchmesser und 300 mm Höhe enthält; die Form war leicht konisch, um die Reibung gegen die Wände während der Frosthebung zu vermindern. Zahlreiche Empfänger, die auf den Umfang und in den Prüfkörper gesetzt wurden, um die Messung der Temperatur, des nicht gefrorenen Wassergehalts und des kapillaren Saugens zu erlauben. Drei Kryostate, die Temperaturen vom Kopf des Prüfkörpers (positiv und negativ), von seinem Unterteil (immer positiv) und von der Aussenseite des Wärmeschutzes, der gegen die Form gesetzt wurde, kontrollieren. Eine Mikrokamera (Endoskop), die sich in einer lichtdurchlässigen Röhre fortbewegt, die entlang der Achse des Prüfkörper gesetzt wurde; dies hat erlaubt, Aufnahmen der Bildung und des Schmelzens der Eislinsen zu realisieren. Eine Vorrichtung die erlaubt, dem Prüfkörper Ladungs- und Entladungszyklen zu unterbreiten. Eine Einrichtung mit Röntgenstrahlen, die mittels Bleikugeln, die in den Prüfkörper gesetzt wurden, erlaubt hat, die Verformungen des ganzen Prüfkörpers während den Frost-Tau-Zyklen zu messen. Alle Versuche wurden mit einem einzigen sehr frostempfindlichen Silt durchgeführt. Ihre Dauer - etwa zwei Monate - hat es nicht erlaubt, die Versuche auf mehreren frostempfindlichen Bodentypen zu verbreiten. Einige numerische Simulationen haben erlaubt, das thermische Verhalten der Versuchseinrichtung zu prüfen. Anschliessend wurden alte Frost- und Auftauversuche, die in reeller Grösse auf Strassenoberbaue in einer Versuchsgrube durchgeführt wurden, wieder verwertet, um eine bessere Information über die Verformbarkeit (resilient Modulus) der frostempfindlichen Infrastruktur zu erhalten, die durch einen Silt dargestellt wurde. Dieser Silt ist jenem ähnlich, der für die oben beschriebenen Laborversuche benutzt wurde. Die Ergebnisse der Laborversuche und die Wiederverwertung der Messungen in reeller Grösse auf Strassenoberbaue sind für zwei sehr verschiedene praktische Anwendungen benutzt worden: die Dimensionierung der Strassen- und Eisenbahnoberbaue mittels quantitativen Methoden, die sich insbesondere auf die resilient Modulus stützen, und die Bildung des Permafrostes in den Alpen und ihr Schmelzen durch die Erwärmung des Klimas. Im allgemeinen Bereich des physischen Phänomens des Frostes und des Auftauens der frostempfindlichen Böden haben die sehr ausgearbeiteten Versuche erlaubt, mit Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die zahlreichen Parameter, die in den Phänomenen des Frostes und des Auftauens der feinkörnigen Böden eintreten, zu messen. Jedoch war die Mehrzahl dieser Phänomene bereits bekannt und ihre Parameter waren, Dank zahlreichen Experimenten, recht gut bestimmt. Diese Forschung hat dennoch erlaubt, einige von diesen Parametern ein wenig besser zu quantifizieren. Der grösste Beitrag zur guten Kenntnis dieser Phänomene war die Visualisierung der Bildung und des Schmelzens der Eislinsen. Diese Visualisierung fand innerhalb des Prüfkörpers, mittels eines Endoskops statt, was noch nie zuvor gemacht wurde. Die resultierenden Animationen zeigen sehr gut wie die Eislinsen, im fast natürlichen Boden, sich bilden und wie sie schmelzen. Im Bereich der Dimensionierung des Frostes und des Auftauens der Verkehrswege hat die Forschung gezeigt, dass die Anwendung eines resilient Moduls für das Auftauen, mit modernen numerischen Dimensionierungsmethoden, durchaus möglich war. Diese Forschung hat einige Werte für dieses Modul gegeben: für den benutzten Silt während der Versuche in der Grubenhalle von Ecublens, für verschiedene frostempfindliche Böden, und, mittels einer ausgearbeiteten Methode, für den Silt der für diese Forschung benutzt wurde. Stets auf diesem Gebiet hat die Forschung auch gezeigt wie das resilient Modul in den modernen numerischen Methoden benutzt wird und wie es im Laboratorium bestimmt wird. Die Forschungsergebnisse werden so von grossem Nutzen bei den Arbeiten der Schweizer Kommission sein, die sich demnächst um die Revision der Schweizer Normen der Dimensionierung des Über- und Unterbaus der Strassen, sogar der Bahn kümmern wird. Im Bereich des Baus der Verkehrswege hat diese Forschung bestätigt, dass das Schmelzwasser der Eislinsen in Richtung der Zone des Bodens fliesst wo es entnommen worden war, und dann in Richtung der Frostfront befördert. Jede Vorrichtung der Drainage des Planums ist somit unnötig. Schliesslich, im Bereich der Bildung und des Schmelzens des Permafrostes in den Alpen durch Erwärmung des Klimas und der Bildung von Schlammströmen, hat diese Forschung zunächst die Bedeutung des kapillaren Saugensregimes in der Bildung des alpinen Dauerfrostes bewiesen; Bedeutung, die bisher noch nicht recht hervorgehoben wurde. Sie hat auch gezeigt, dass die Anwendung von ausgearbeiteten numerischen Modellen in der Prognose des Schmelzens des alpinen Permafrostes und in der Bildung von Schlammströmen möglich war. Eine solche Anwendung ist jedoch schwierig und kann nicht als ein in der Praxis brauchbares Werkzeug für die Vorbeugung dieses gefährlichen Phänomens betrachtet werden. Diese Forschung hat auch ein praktisches Mittel ergeben, um den Übersättigungsgrad des Permafrostes zu schätzen.