Analyse de stabilité d’un remblai construit sur pergélisol en voie de dégradation : l’approche utilisée dans le projet de recherche du remblai de la piste d’atterrissage de Puvirnituq

Le projet de recherche Suivi des comportements thermique et mécanique du remblai de Puvirnituq s’inscrit dans l’approche de recherche suivie par le groupe de recherche de l’Université Laval en adaptation des infrastructures de transport construites sur pergélisol sensible appuyée par le ministère des Transports du Québec (MTQ).

Le projet de recherche avait pour objectif principal de vérifier l’efficacité des systèmes de protection du pergélisol construits en bordure de la piste. Ce projet avait également comme objectif spécifique de déterminer les particularités d’une analyse de stabilité dans le contexte d’un pergélisol en voie de dégradation. L’article qui suit présente l’approche générale utilisée lors de ce projet afin de réaliser l’analyse de stabilité. Des recommandations sont également formulées pour des cas similaires.

Mise en contexte

Il est important de mentionner que le possible risque d’instabilité du remblai de la piste de Puvirnituq était un problème post-construction. En hiver, de la neige s’accumulait en bordure du remblai (Figure 1 a). Cette accumulation a isolé le sol sous-jacent et a causé une dégradation du pergélisol sous le pied du remblai. À la base de la couche active, une augmentation de la pression interstitielle était susceptible de se produire dans la couche de sol en dégel. Un cercle de rupture aurait éventuellement pu se développer dans cette couche de sol présentant une résistance au cisaillement plus faible, faisant suite à une dégradation importante du pergélisol (Figure 1 b).

Les sols en place se composent principalement d’une couche de sable d’environ deux mètres d’épaisseur, suivi d’une couche de silt et d’argile. L’étude géotechnique a également exposé la présence de lentilles de glace millimétriques sur une épaisseur d’environ 1,8 mètres (L’Hérault, 2012).

Dans le cadre du projet, l’analyse de stabilité a été divisée en trois phases, soit la modélisation thermique du remblai, l’estimation des surpressions interstitielles au front de dégel ainsi que l’analyse de stabilité.

Modélisation thermique du remblai

La géométrie du pergélisol évolue dans le temps puisque le front de dégel se déplace en fonction des conditions de surface. La modélisation thermique avait pour objectif de décrire l’évolution du front de dégel, plus spécifiquement de déterminer le taux de dégel ainsi que l’évolution de la géométrie du pergélisol.

La Figure 2 présente les étapes de la modélisation thermique du pergélisol à l’aide du logiciel TEMP/W. La première étape consiste à appliquer des cycles de température et de couverture de neige aux conditions prévalant immédiatement à la suite de la construction du remblai de la piste d’atterrissage. Cette simulation permet de recréer le bulbe de dégel tel qu’observé à l’aide du MASW (méthode géophysique) en 2009, soit avant les travaux d’agrandissement de la piste. Cette étape est également appelée la calibration. L’obtention de cette géométrie permet de valider les propriétés thermiques des sols utilisés dans le modèle ainsi que les cycles de température et de couverture neigeuse.

L’évolution du pergélisol pour les 20 prochaines années a alors pu être simulée. Cette analyse a permis de déterminer le taux de dégel ainsi que la géométrie du pergélisol à différents intervalles de temps.

Estimation des surpressions interstitielles au front de dégel

Afin de déterminer si des surpressions interstitielles sont générées au front de dégel du pergélisol, l’indice de dégel-consolidation R a été utilisé (Morgenstern et Nixon, 1971). L’indice de dégel-consolidation R se définit à la figure 3.

Cet indice indique l’influence relative du taux auquel l’eau est produite par le dégel et le taux auquel cette eau peut être expulsée du sol dégelé au-dessus du front de gel. Le taux de dégel utilisé pour la détermination de l’indice R provient de la modélisation thermique.

Pour un sol en dégel-consolidation sous son propre poids, la pression interstitielle peut être déterminée à l’aide de la fonction suivante :

Dans le cas de la piste d’atterrissage de Puvirnituq, les indices R déterminés pour les différents scénarios sont très faibles et n’indiquent pas la génération de surpression interstitielle à l’interface sol gelé/sol dégelé.

Analyse de stabilité

La géométrie du pergélisol déterminée à l’aide de la modélisation thermique ainsi que les pressions interstitielles déterminées à l’aide de l’indice de dégel-consolidation R ont été utilisées lors de l’analyse de stabilité. La stabilité du remblai a été examinée pour plusieurs scénarios qui représentent différents états possibles du pergélisol au cours des prochaines années.

Tous les scénarios analysés ont donné des facteurs de sécurité élevés. Ces scénarios ont permis de remarquer que les résultats sont très dépendants de la géométrie du pergélisol dans le remblai de la piste. La remontée du pergélisol dans le remblai de la piste a tendance à empêcher la formation de cercle de rupture de grande dimension. Ces cercles de rupture passent dans la partie supérieure du sol naturel et ont des facteurs de sécurité élevés.

De plus, il a été possible de constater que la présence d’une couche de sol non gelé (talik) aide la consolidation de cette couche de sol. Si des surpressions interstitielles sont générées dans le bulbe de dégel, elles peuvent être dissipées si le sol ne regèle pas durant l’hiver. Par contre, si le sol gèle, ces pressions interstitielles ne se dissiperont pas. Finalement, l’épaisseur de la couche en dégel diminue significativement en présence d’une couche non gelée, ce qui a pour effet de diminuer l’indice R. La génération de surpression interstitielle est donc moins probable.

Recommandations pour l’instabilité de remblai ou de pente

Les recommandations suivantes sont proposées dans le cas d’une possible instabilité de remblai sur d’autres infrastructures de transport construites sur pergélisol au Nunavik :

• Échantillonnage et essais sur sol gelé. En plus d’une caractérisation géotechnique traditionnelle, une attention particulière doit être portée sur la récupération du sol à l’interface sol gelé/sol dégelé. Des essais de consolidation au dégel permettent de déterminer le coefficient de consolidation (Cv) ainsi que le potentiel de génération de surpression interstitielle du sol qui risque de dégeler.
• Détermination des propriétés thermiques des matériaux (conductivité thermique et capacité calorifique). Ces propriétés thermiques peuvent être introduites dans un modèle d’évolution du front de dégel. Il est possible de déterminer ces propriétés à l’aide d’essais de laboratoire ou de les estimer à l’aide d’un modèle existant. Ces propriétés sont également nécessaires pour la détermination de l’indice R.
• Modélisation de l’évolution du front de dégel. La progression du front du dégel est importante afin d’obtenir l’indice R. Une modélisation du comportement thermique est également utile afin de déterminer la remontée du pergélisol dans le remblai. La géométrie du pergélisol a une grande importance sur le facteur de sécurité déterminé à l’aide d’une analyse de stabilité.
• Détermination de l’indice R le plus précisément possible. Cet indice permet de prédire si des surpressions interstitielles peuvent survenir. Cet indice est facile à obtenir et donne des indications sur les risques que peut causer le dégel d’une couche de sol.
• Installation des piézomètres afin de valider les pressions interstitielles prédites. Ces pressions interstitielles sont très importantes dans l’analyse de stabilité. Les piézomètres devraient être installés le plus près possible de la couche de sol en dégel. Ces piézomètres pourraient indiquer la génération de surpression interstitielle dans la couche en dégel. Les données recueillies sur le terrain pourraient raffiner l’étude de stabilité et l’estimation des surpressions interstitielles.
• Suivi du comportement thermique du sol où une instabilité est susceptible de se produire. Ce suivi permet de valider la modélisation de l’évolution du régime thermique. De plus, il permet de réajuster l’étude de stabilité en fonction de la géométrie réelle du pergélisol.
• Un relevé géophysique de type MASW peut être recommandé afin de connaître la géométrie du bulbe de dégel et la remontée du pergélisol dans le remblai. La géométrie du pergélisol a une grande importance sur le facteur de sécurité.

Remerciements

L’auteur de cet article aimerait remercier l’Université Laval et le ministère des Transports du Québec pour le financement du projet de recherche. L’auteur aimerait également remercier le CRSNG, le FQRNT et exp pour la bourse BMP-Innovation.

Références

Gravel Gaumond, F. (2013). Suivi des comportements thermique et mécanique du remblai de la piste de Puvirnituq, mémoire présenté au département de génie civil et de génie des eaux (en révision), Université Laval.

L’Hérault, E., Allard, M., Barrette, C., Doré, G., et Sarrazin, D. (2012). Investigations géotechniques, caractérisation du pergélisol et stratégie d’adaptation pour les aéroports du MTQ au Nunavik : Rapport final. Québec, Québec, Canada : Centre d’étude nordique, Université Laval.

Morgenstern, N. R., & Nixon, J. F. (1971). One-dimensional consolidation of thawing soils. Canadian geotechnical journal, 8(4), 558-565.