Faut-il abandonner le dimensionnement au gel et les recherches correspondantes?

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Hélène Beaudet
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1 Journée e Technique Lavoc - 4 septembre 2007 Faut-il abandonner le dimensionnement au gel et les recherches correspondantes? Michel Dysli Laboratoire de mécanique m des sols de l Ecolel Polytechnique Fédérale F de Lausanne 1 f

2 Plan de l exposé Réchauffement du climat et dimensionnement au gel et dégel des routes Deux résultats d une récente recherche Utilité de la poursuite des recherches en matière de gel et de dégel 2 f

3 Plan de l exposé Réchauffement du climat et dimensionnement au gel et dégel des routes Deux résultats d une récente recherche Utilité de la poursuite des recherches en matière de gel et de dégel 3 f

4 Définition de l indice de gel (Rappel) Cumul journalier des températures [ C jour] [ C] Température de l air ou de la surface -10 Indice intermédiaire de dégel Indice de dégel TI Indice de gel FI FI ou TI FI S ou TI S => température de l air => température de la surface Indice intermédiaire de gel Automne Hiver Printemps Eté Automne Temps 4 f

5 Effet du réchauffement du climat sur l indice de gel Château - d Oex Davos Lausanne Moyenne mobile 10 ans env FI [ C jour] 1000 Indice de gel de l air ? 200 Fin du Petit Age glaciaire Hivers froids Mesures D où l importance de la définition de l indice de gel de dimensionnement 5 f

6 Principe du dimensionnement au gel en Suisse (1) Utilisation de l indice de gel de la surface du sol : FI S = FI air - RI RI = f(radiations solaires) est déterminé par mesures et corrélations FI air = Moyenne des 3 hivers les plus froids des 30 dernières années. Cette moyenne tient donc compte du réchauffement du climat et les normes suisses de dimensionnement au gel et dégel des routes ne doivent ainsi pas être modifiées, sauf 6 f

7 Principe du dimensionnement au gel en Suisse (2) Carte des indices de gel (norme SN ) Il faudra la revoir prochainement. 7 f

8 Principe du dimensionnement au gel en Suisse (3) Evaluation de l indice de radiation selon norme SN Indice de radiation RI [ C jour] Relation valable pour des latitudes entre 40 et 55 N Ensoleillement GH [W m -2 ] GH [MJ m -2 day -1 ] Heures d ensoleil. 50 nul Résultats d env mesures faible moy. fort L introduction de l indice de radiation a fortement réduit les épaisseurs des fondations des routes dans les zones de moyenne montagne soumises, en hiver, à un rayonnement solaire important. Ceci beaucoup plus que le réchauffement du climat! 8 f

9 Un peu de provocation, cependant scientifique 9 f

10 Un peu de provocation Les effets du réchauffement du climat dépendent des régions sur la Terre Le centre et le nord de l Europe sont anormalement chauds. Le responsable est le Gulf Stream. L indice de gel de l air de Montréal est d environ 1000 C jour et, à la même latitude, celui de Genève est seulement d environ 170 C jour. Une nouvelle théorie prédit que la fonte de la calotte glaciaire du Groenland conduit à un approfondissement du Gulf Stream (eau douce plus légère que l eau salée de l océan). Ainsi l action du Gulf Stream sur les côtes de l Europe va diminuer. Résultat : Après environ un siècle ou moins de réchauffement du climat, la température du centre et du nord de l Europe va diminuer Cette théorie est connue de l IPCC (International Panel for Climate Change) qui l a cependant jugée peu probable. Les spécialistes européens du gel des sols ont, peut-être, encore un avenir! 10 f

11 Québec Station Nicolet Même latitude que Genève Indice de gel de l air en fonction de l altitude Indice de gel de l air [ C jour] Effet du Gulf Stream Altitude [m] Genève 11 f

12 Today 12

13 Warm air Today

14 Today Air heated by the Gulf Stream

15 During global warning Melting of the ice sheet

16 During global warning Melting of the ice sheet Fresh water

17 During global warning Fresh water Deepening of the Gulf Stream under the fresh water

18 During global warning Deepening of the Gulf Stream under the fresh water Cold air 12 f

19 Un peu de provocation (fin) Episodes climatiques pouvant être la conséquence de ce phénomène : Dryas récent, ans BP Petit Âge Glaciaire, environ 19 f

20 Dans tous les cas, au vu de l état de certaines routes, le dimensionnement au gel est toujours nécessaire! Route cantonale de montagne 20 f

21 Plan de l exposé Réchauffement du climat et dimensionnement au gel et dégel des routes Deux résultats d une récente recherche Utilité de la poursuite des recherches en matière de gel et de dégel 21 f

22 Problèmes récemment résolus (ou en partie) Où va l eau de fonte des lentilles de glace? Comment déterminer le module résilient au dégel nécessaire aux nouvelles méthodes analytiques de dimensionnement? 22 f

23 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (1) Le problème : Est-ce que cette couche de drainage est utile? Dégel printanier Où? WS 23 f

24 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (2) Première approche : essais en vraie grandeur réalisr alisées dans la halle fosses d Ecublens,, avec mesure précise de l eau récoltr coltée e sous la fondation Enceinte thermiquement isolée vérin dynamique (simulateur de trafic) aéro-refroidisseur revêtement fondation Conduits des capteurs limon très gélif serpentins de refroidissement eau récoltée pendant le dégel = 0! 24 f

25 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (3) Micro-caméra ra numérique (endoscope) avec éclairage, au centre de l él éprouvette. Première mondiale! Deuxième approche : essais en laboratoire 25 f

26 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (4) Pendant le gel 0 C lentilles de glace Ressort se tendant 26 f

27 Vidéo

28 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (5) Pendant le dégel 0 C eau de fonte des lentilles de glace 0 C succion [kpa] au début du dégel ressort se détendant 28 f

29 Vidéo

30 Où va l eau de fonte des lentilles de glace? (6) WS Toute l eau l de fonte des lentilles de glace est réaspirée vers la zone où elle avait été prélev levée e pendant le gel. Aucun écoulement ne se produit vers la couche drainante qui est inutile. 30 f

31 Détermination du module résilient au dégel (1) Dans le domaine du gel et du dégel des sols, le module de déformation d résilient r M r est le module de déformation du sol de fondation d un ouvrage pendant et surtout après le dégel (routes, voies ferrées et autres constructions). Cependant, ce terme est général et il peut s appliquer à tout module de déformation d un matériau ayant subi une transformation, par exemple par des cycles de charge-décharge hors gel. 31 f

32 Détermination du module résilient au dégel (2) Première approche : essais en vraie grandeur réalisr alisées dans la halle fosses d Ecublens,, avec mesure précise des déformations verticales sur, dans et sous la fondation Enceinte thermiquement isolée vérin dynamique (simulateur de trafic) aéro-refroidisseur revêtement fondation Conduits des capteurs limon très gélif serpentins de refroidissement Mesure précise des déformations verticales 32 f

33 Détermination du module résilient au dégel (3) Deuxième approche : essais en laboratoire Mesure des déformations, donc du module résilient,, par rayons X 33 f

34 Détermination du module résilient au dégel (4) Une radiographie : Bille de plomb encastrée dans le moule Bille de plomb libre Lentilles de glace Thermistance La comparaison de deux radiographies permet de déterminer le champ des déformations dans toute l éprouvette qui déterminent la variation des indices de vide et des modules de déformation pendant une phase de chargement. 34 f

35 Plan de l exposé Réchauffement du climat et dimensionnement au gel et dégel des routes Deux résultats d une récente recherche Utilité de la poursuite des recherches en matière de gel et de dégel 35 f

36 Utilité poursuite recherches en matière de gel et dégel (1) Comment introduire le dimensionnement au gel dans les nouvelles méthodes analytiques de dimensionnement? Aujourd hui, les méthodes de dimensionnement des chaussées sont presque exclusivement empiriques. Cependant, depuis plusieurs années, la tendance va dans le sens de l usage de méthodes analytiques basées sur les lois de la mécanique du continu et les lois de comportement propres à chaque matériau constituant l infrastructure et la superstructure d une chaussée. Le module de déformation résilient intervient dans la plupart de ces lois de comportement. Le grand avantage des méthodes analytiques est qu elles permettent d étudier le comportement de nouveaux matériaux, sans avoir recours à de très coûteux essais en vraie grandeur. 36 f

37 Utilité poursuite recherches en matière de gel et dégel (2) Démarche d un dimensionnement analytique d une chaussée Compliquée e mais efficace! Sera une des bases de la révision des normes routières res suisses de dimensionnement 37 f

38 Utilité poursuite recherches en matière de gel et dégel (3) Stabilité des pergélisols alpins Les pergélisols ont surtout été étudiés par des naturalistes. L approche scientifique de leur formation et de leur fonte est récente et il reste encore beaucoup à faire, en matière de recherche, pour bien comprendre les phénomènes physiques régissant ces sols particuliers. Un exemple : la fonte des pergélisols alpins par réchauffement du climat avec formation de dangereuses laves torrentielles. Laves vers 1600 msm 38 f

39 Merci de votre attention 39 f

40 Petite bibliographie BROECKER W.S., 1995, Chaotic climate, Scientific American, Nov. : p DYSLI M., 1991, Le gel et son action sur les sols et les fondations, Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne, 250 p. DYSLI M., 2000, 25 ans de développements en matière de gel, Publ. de la Société Suisse de Mécanique des Sols et des Roches no 141. DYSLI M., 2001, Evolution des normes de dimensionnement au gel, Route et Trafic 5. DYSLI M., 2007, Etude expérimentale du dégel d un limon argileux, application aux chaussées et pergélisols alpins, Thèse no 3792, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 440 p. 40 f

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