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TP15XXX

Évaluation du bénéfice technico-économique associé à l’utilisation de technologies drainante de type géosynthétique dans les structures de chaussées flexibles en contexte climatique nordique

Préparé pour le Centre de Développement des Transports

de Transports Canada

Par Chaire Industrielle du CRSNG sur l’Interaction

Charges lourdes – Climat – Chaussées (i3C)

Mars 2011

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TP15XXX

Évaluation du bénéfice technico-économique associé à l’utilisation de technologies drainante de type géosynthétique dans les structures de chaussées flexibles en contexte climatique nordique

Par Catherine Savoie

Guy Doré Jean-Pascal Bilodeau

Jérôme Fachon Chaire Industrielle du CRSNG sur l’Interaction

Charges lourdes – Climat – Chaussées (i3C)

Mars 2011

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Les opinions et les vues exprimées dans ce rapport sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les vues et les politiques officielles du Centre de développement des transports de Transports Canada ou des organismes parrains. Le Centre de développement des transports et les organismes parrains n’ont pas l’habitude de citer des noms de produits ou de fabricants. S’ils le font ici, c’est simplement pour la bonne compréhension du texte. Ce rapport n’utilise pas (toujours) les unités du Système international, étant donné que dans le secteur d’activités concerné seules certaines unités impériales ont cours.

© 2011 Transports Canada

iv

Résumé

Ce rapport intérimaire présente l’avancement du projet 1B-1 qui porte sur les bénéfices technico-

économiques liés à l’implantation d’un système de drainage de type géotextile et qui s’inscrit dans le

cadre de la Chaire de Recherche sur l’Interaction Charges Lourdes – Climat – Chaussées (i3C).

L’étude en cours a pour objectif d’améliorer les études faites pendant les 25 dernières années ainsi

que de combler un besoin de recherche sur l’ingénierie routière nordique au Canada en déterminant si

l’investissement additionnel que représente l’implantation de systèmes de drainage de type

géosynthétique est compensé par une amélioration significative de la performance des chaussées.

Afin de remplir ces objectifs, une série d’essais en laboratoire sont présentement en cours et des

essais de terrain sont prévus au début du mois de mai 2011. Les essais en laboratoire consistent en la

réalisation de sections de routes dans une cuve de 1,2 mètre de diamètre par 1,3 mètre de hauteur. Les

sections réalisées en laboratoire dans des conditions contrôlées sont les même qui seront reproduites

lors des travaux de terrain. À ce jour, 3 des 5 sections prévues présentant chacune des configurations

avec géotextile drainant ont été réalisées. Les analyses préliminaires laissent voir une amélioration

dans le temps de récupération du module réversible de la chaussée par rapport à une cuve de

référence. Le taux de drainage serait aussi amélioré grâce à ces technologies. Les essais sur les 2

dernières sections sont en cours et des résultats seront bientôt disponibles à des fins d’analyse.

Les travaux de terrain seront réalisés au site expérimental routier de l’Université Laval (SÉRUL) en

mai 2011. Ce site permettra entre autres la construction d’une route expérimentale en vraie grandeur

composée de 5 sections (4 avec géotextile drainant et 1 de référence) toutes identiques à celle étudiées

au laboratoire. Cette construction sera réalisée dans l’une des 4 fosses de béton de 30 mètres de long

qui permet un contrôle strict du niveau d’eau dans la structure. Située en région nordique, ce site

permettra la tenue d’essais en période estivale et en période printanière (gel / dégel).

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Table des matières

Section 1 : Introduction ................................................................................................................................. 1

Section 2 : Revue de la documentation ......................................................................................................... 3

2.1 L’eau dans les chaussées ............................................................................................................... 3

2.2 Succion matricielle ........................................................................................................................ 5

2.3 Conductivité hydraulique .............................................................................................................. 6

2.4 Les géotextiles ............................................................................................................................... 9

2.4.1 Essais en laboratoire ............................................................................................................ 10

2.4.2 Travaux in situ ..................................................................................................................... 12

Section 3 : Méthodologie et instrumentation ............................................................................................. 17

3.1 Méthodologie .................................................................................................................................... 17

3.1.1 Configuration de la section.................................................................................................. 17

3.1.2 Mise en place de la cuve ..................................................................................................... 19

Remplissage............................................................................................................................................. 19

Saturation ................................................................................................................................................ 20

3.1.3 Prise de mesure et drainage ................................................................................................ 21

3.2 Instrumentation .......................................................................................................................... 22

3.2.1 Le déflectomètre à poids léger (Light Weight Deflectometer) ............................................... 22

3.2.2 Capteurs de teneur en eau ...................................................................................................... 24

Section 4 : Caractérisation des matériaux ................................................................................................... 26

4.1 Granulométrie ............................................................................................................................. 26

4.2 Sédimentométrie ......................................................................................................................... 29

4.3 Essai Proctor Modifié................................................................................................................... 29

4.3.1 MG-112 (sable) ........................................................................................................................ 29

4.3.2 Till et MG-20 ............................................................................................................................ 30

4.4 Essai de densité/absorption ........................................................................................................ 30

4.5 Valeur au bleu ............................................................................................................................. 31

4.6 Limite de liquidité ........................................................................................................................ 31

4.7 Caractérisation avancée .............................................................................................................. 32

4.7.1 Perméabilité ............................................................................................................................ 32

4.7.2 Succion matricielle................................................................................................................... 34

vi

Section 5 : Présentation et analyse des résultats ........................................................................................ 36

5.1 Construction de la section ........................................................................................................... 36

5.2 Drainage ...................................................................................................................................... 39

5.3 Essais déflectomètre portable ..................................................................................................... 43

Section 6 : Travaux à venir .......................................................................................................................... 48

Section 7: Conclusion .................................................................................................................................. 60

Section 8 : Bibliographie .............................................................................................................................. 62

vii

Liste des figures

Figure 1 : Effet cuvette .................................................................................................................................. 4

Figure 2 : État hydrique de la chaussée expérimentale de Saint-Martyr-Canadien en 1995 et 1996

(Gagnon et coll. 1997) ................................................................................................................................... 4

Figure 3: Courbe caractéristique de rétention d'eau (Côté 1997) ................................................................ 6

Figure 4 : Relation entre la vitesse d’écoulement et le gradient hydraulique en fonction de l’énergie de

compaction (Chik 2004)................................................................................................................................. 8

Figure 5 : Effet du pourcentage de particules fines et de la porosité sur la conductivité hydraulique (Côté

et Konrad 2003) ............................................................................................................................................. 8

Figure 6 : Effet du degré de saturation sur la conductivité hydraulique des matériaux granulaires (Konrad

et Roy 2000) .................................................................................................................................................. 9

Figure 7 : Récupération relative du module de surface de chaussées expérimentales construites en

laboratoire avec et sans écran de rive (Savoie 2010).................................................................................. 11

Figure 8 : Évolution des déflexions en surface de chaussées expérimentales construites en laboratoire

avec et sans écran de rive (Savoie 2010) .................................................................................................... 12

Figure 9: Disposition des nappes drainantes dans l'étude de l'état du Maine (Christopher et coll. 2000) 14

Figure 10: Données de drainage tirées de l'ouvrage de Blond et Mlynarek (1999) .................................... 15

Figure 11:Schéma de la section de route et de l’instrumentation utilisée en laboratoire ......................... 18

Figure 12: Schémas des différentes configurations réalisées en laboratoire ............................................. 19

Figure 13: Montage pour la saturation de la cuve par vases communicants ............................................. 21

Figure 14: Composantes du déflectomètre à masse tombante portable ................................................... 23

Figure 15: Capteur ThetaProbe ................................................................................................................... 24

Figure 16: Capteur ProfilProbe .................................................................................................................... 25

Figure 17: Courbe granulométrique MG-20 (fondation)............................................................................. 27

Figure 18: Courbe granulométrique MG-112 (sous-fondation) .................................................................. 28

Figure 19: Courbe granulométrique du till (sol d'infrastructure) ................................................................ 28

Figure 20: Données de conductivité hydraulique du MG-20 (fondation) ................................................... 33

Figure 21: Données de conductivité hydraulique du MG-112 (sous-fondation) ........................................ 33

Figure 22: Données de conductivité hydraulique du till (sol d'infrastructure) ........................................... 34

Figure 23: Courbe caractéristique de rétention d'eau du till ...................................................................... 35

Figure 24: Données de drainage de la cuve de référence C1 ...................................................................... 39

Figure 25: Données de drainage pour la cuve avec écran drainant C2 ....................................................... 40

Figure 26: Données de drainage pour la cuve avec nappe drainante C3 .................................................... 40

Figure 27: Taux de drainage des cuves 1, 2 et 3 pour le sol de fondation MG-20 ...................................... 42

Figure 28: Taux de drainage des cuves 1, 2 et 3 pour le sol de sous-fondation MG-112 ........................... 42

Figure 29: Récupération relative du module réversible pour les emplacements A, B, C et la moyenne .... 44

Figure 30: Récupération relative du module réversible pour les cuves 1, 2 et 3 ........................................ 45

Figure 31: Régressions de la récupération relative des modules réversibles pour les cuves 1, 2 et 3 ....... 45

Figure 32: Récupération relative du module réversible en fonction de la teneur en eau (MG-20) ........... 47

Figure 33: Récupération relative du module réversible en fonction de la teneur en eau (MG-112) ......... 47

Figure 34 : Construction des fosses au SERUL ............................................................................................. 49

viii

Figure 35 : Sections et instrumentation proposée au SERUL – Vue en coupe longitudinale ...................... 52

Figure 36 : Sections et instrumentation au SERUL – Vue en plan ............................................................... 53

Figure 37 : Déflectomètre à masse tombante ............................................................................................. 55

Figure 38 : Schéma du principe de fonctionnement d’un FWD .................................................................. 55

Figure 39 : Pièces d’un déflectomètre multiniveaux ................................................................................... 56

Figure 40 : Schéma d’un déflectomètre multiniveaux ................................................................................ 56

Figure 41 : Mesure du profil d’une chaussée avec un profilomètre inertiel ............................................... 57

Liste des tableaux

Tableau 1 : Fréquence des essais au LWD pour les cuves de laboratoire ................................................... 22

Tableau 2: Caractérisation des sols et matériaux à l’étude ........................................................................ 31

Tableau 3: Données de conductivité hydraulique du MG-20, MG-112 et till ............................................. 32

Tableau 4: État de compaction des cuves 1, 2 et 3 ..................................................................................... 38

Tableau 5 : Fréquence de mesures des différents paramètres durant les essais d’été et de en période de

dégel ............................................................................................................................................................ 58

1

Section 1 : Introduction

La compréhension, la quantification et la modélisation du comportement des matériaux et des

chaussées en présence d’humidité –ont maintenant atteint des niveaux très avancés. L’infiltration

d’eau dans les structures de chaussées est inévitable. De façon générale, une augmentation du degré

de saturation est associée à une diminution de la capacité portante. L’infiltration de cette eau dans la

structure de chaussée souple affecte l’ensemble de sa réponse mécanique. Ce phénomène se reflète,

au niveau de l’enrobé, par des phénomènes de fissuration de fatigue, d’orniérage et de nids de poules.

De plus, une grande quantité d’eau en excès favorisera le soulèvement dû au gel et des pertes de

capacité portante importantes de la fondation lors des périodes de dégel.

Dans l’optique d’améliorer la performance de la structure de chaussée, il est nécessaire de développer

des systèmes permettant d’évacuer rapidement cette eau d’infiltration. Une piste de solution

envisagée depuis plusieurs décennies est l’utilisation de géocomposites dans les structures des

chaussées. Ces couches spéciales représentent des couches à haute capacité de drainage qui ont un

bon potentiel pour intercepter l’eau d’infiltration si elles sont positionnées adéquatement. Avec

l’adoucissement des hivers, la plus grande fréquence des périodes de gel/dégel et l’augmentation des

précipitations intenses, il devient impératif d’apporter des solutions aux phénomènes responsables de

la dégradation prématurée de notre réseau routier afin d’assurer la sécurité et la satisfaction des

usagers et d’en diminuer les coûts d’entretien. Comme il sera présenté dans les sections suivantes,

plusieurs études ont été réalisées afin de prouver et quantifier l’impact de l’implantation de systèmes

de drainage tels que les géotextiles pour l’amélioration du drainage routier. Leur réel apport structural

ne fait toutefois toujours pas l’unanimité dans l’industrie des chaussées. C’est donc pour répondre à

un important besoin de recherche et au besoin de développement de solution durable et efficace que la

Chaire de Recherche sur l’Interaction Charges Lourdes – Climat – Chaussées (i3C) a mis sur pied le

projet 1B-1 qui porte sur les bénéfices technico-économiques liés à l’implantation d’un système de

drainage de type géotextile.

Cette étude vise donc à contribuer à améliorer les études qui ont été menées durant les 25 dernières

années et à déterminer si l’investissement additionnel que représente l’implantation de systèmes de

drainage de type géotextile en vaut la peine d’un point de vue performance des chaussées. Pour ce

faire, ce projet comporte deux volets. Le premier, réalisé dans des conditions contrôlées de

2

laboratoire, vise à faire une évaluation primaire des résultats qui pourraient être attendus lors des

travaux in-situ grâce à la reproduction (dans une section de route) de 5 configurations impliquant un

géotextile. Le deuxième, quant à lui, se déroulera au site expérimental routier de l’Université Laval

(SÉRUL). Les configurations étudiées dans le cadre des essais en laboratoire seront alors reproduites

en vraie grandeur (au SÉRUL). Cette approche va permettre une comparaison de la récupération des

paramètres mécaniques des différentes sections grâce à des essais réalisés régulièrement au

déflectomètre (lors des périodes de drainage) et à des mesures de teneur en eau prises en continu.

Ce rapport d’étape présentera donc l’avancement actuel du projet qui devrait se terminer en mai 2012.

La section 2 présente la revue de la documentation qui porte sur les principaux points suivants : l’eau

dans les chaussées, conductivité hydraulique, succion matricielle, influence des périodes de gel et

dégel et effet des conditions de saturation sur les capacités mécaniques des chaussées. De plus, la

revue de la littérature couvre les travaux qui ont été réalisés sur les géotextiles drainants utilisés dans

le contexte des chaussées.

La section 3 présente la méthodologie expérimentale pour les essais en laboratoire et in-situ ainsi que

l’instrumentation utilisée pour les travaux en laboratoire et de travaux de terrain.

La section 4 présente quant à elle les résultats de la caractérisation des matériaux qui sont utilisés

dans le laboratoire et in-situ.

Les résultats préliminaires obtenus des essais en laboratoire sont présentés dans la section 5 tandis

que la section 6 présente les travaux à venir ainsi que les résultats attendus.

La section 7 présente la conclusion partielle des travaux effectués jusqu’à maintenant.

3

Section 2 : Revue de la documentation

2.1 L’eau dans les chaussées

L’eau s’infiltre de plusieurs façons dans la chaussée, soit par remontée capillaire, par écoulement

subhorizontal à partir des accotements, par infiltration de surface suite aux précipitations, par la

remontée de la nappe phréatique (observée surtout en période printanière) et par l’action du gel (Doré

et Zubeck 2009). Celle-ci a un effet marqué sur les propriétés mécaniques des sols et des granulats

utilisés dans les structures de chaussées. De façon générale, une augmentation du degré de saturation

est associée à une diminution de la capacité portante. Dans un contexte d’opération normale, les

matériaux de chaussées sont non saturés. Ils comportent donc quatre phases distinctes, soient le sol,

l’eau, l’air et la peau contractile (interface air-eau) (Fredlund et Rahardjo 1993). La condition de

saturation, soit un milieu à deux phases (sol et eau), dans lequel peut se développer des pressions

d’eau interstitielles positives, est moins fréquente. Néanmoins, elle est susceptible de se produire,

dans les pays nordiques, entre autres, en contexte de dégel. En effet, tel que présenté à la Figure 1,

lors de la fonte printanière, l’eau gelée dans la partie supérieure des structures ainsi que la neige

accumulée sur les accotements, fondent et tendent à s’accumuler sous la couche d’enrobé bitumineux.

L’eau de fonte se trouve ainsi coincée à cet endroit, puisque la partie inférieure prend plus de temps à

dégeler. Ce phénomène est nommé « effet cuvette » et est bien documenté dans la littérature traitant

de l’ingénierie des chaussées en régions nordiques (Doré et Zubeck 2009). Lorsque les matériaux de

chaussées sont près de la saturation, entre autres lors du dégel, la dégradation des ouvrages tend à

s’accélérer. Ainsi, par des constructions en surélévation par rapport au sol naturel et par la mise en

place de fossé, les chaussées sont conçues pour qu’un minimum d’eau s’infiltre dans les structures et

que la majorité de l’eau ruisselle vers les éléments drainants.

La Figure 2 présente un état hydrique typique de chaussée en contexte climatique québécois. La

teneur en eau volumétrique a été mesurée ponctuellement pendant plusieurs années sur le site

expérimental de Saint-Martyr-Canadien construit sur un sol de type sable silteux. Il est possible

d’observer que, de façon générale, la teneur en eau est plus faible dans la partie supérieure de la

chaussée et qu’elle tend à augmenter avec la profondeur avec la proximité

période hivernale, les teneurs en eau volumétri

particulièrement élevées durant le dégel, soit au mois d’avril et mai. Par contre, les teneurs en eau

tendent à diminuer rapidement au sein de la structure de chaussées, soit dans les matériaux

granulaires, alors que le drainage évolue beaucoup plus lentement à 1 m de profondeur.

Figure 2 : État hydrique de la chaussée expérimentale de Saint

La présence d’eau dans les diverses couches des structures de chaussées est aussi un problème lors de

la pénétration du front de gel dans les structures à la fin de la période automnale. En effet, la présence

d’un front de gel peut causer un soulèvement en

chaussée et qu’elle tend à augmenter avec la profondeur avec la proximité de la nappe phréatique.

rnale, les teneurs en eau volumétriques sont nulles. Les valeurs de teneur en eau sont

particulièrement élevées durant le dégel, soit au mois d’avril et mai. Par contre, les teneurs en eau

nt au sein de la structure de chaussées, soit dans les matériaux

granulaires, alors que le drainage évolue beaucoup plus lentement à 1 m de profondeur.

Figure 1 : Effet cuvette

hydrique de la chaussée expérimentale de Saint-Martyr-Canadien en 1995 et 19961997)

La présence d’eau dans les diverses couches des structures de chaussées est aussi un problème lors de

la pénétration du front de gel dans les structures à la fin de la période automnale. En effet, la présence

d’un front de gel peut causer un soulèvement en surface des structures de chaussées s’il y a présence

4

de la nappe phréatique. En

Les valeurs de teneur en eau sont

particulièrement élevées durant le dégel, soit au mois d’avril et mai. Par contre, les teneurs en eau

nt au sein de la structure de chaussées, soit dans les matériaux

granulaires, alors que le drainage évolue beaucoup plus lentement à 1 m de profondeur.

Canadien en 1995 et 1996 (Gagnon et coll.

La présence d’eau dans les diverses couches des structures de chaussées est aussi un problème lors de

la pénétration du front de gel dans les structures à la fin de la période automnale. En effet, la présence

surface des structures de chaussées s’il y a présence

5

d’eau et d’un sol gélif (Doré et Zubeck 2009). Dans de telles conditions, il peut y avoir formation de

lentilles de glace dans les sols. Les matériaux granulaires de sous-fondation et de fondation sont

généralement peu ou pas gélifs et à l’état non saturé. La gélivité des sols d’infrastructure varie quant à

elle de nulle à très élevée. Par contre, dans le contexte climatique du Québec, la nappe phréatique est

généralement peu profonde et peut constituer une alimentation en eau pour une lentille de glace en

croissance. Le phénomène de formation de lentilles de glace se retrouve principalement dans les sols

fins et est dû au fait que l’eau capillaire et adsorbée gèle à des températures inférieures à 0 °C. Ainsi,

à proximité du front de gel, une mince couche de sol sous 0 °C appelée la frange gelée existe dans

laquelle des tubes capillaires fins d’eau non gelée constituent des canaux d’écoulement privilégiés

pour la circulation d’eau lorsqu’elle est soumise à des forces de succion lors du gel. Le soulèvement

peut aussi provenir du changement de phase de l’eau en glace, qui occasionne une augmentation de

volume de 9%. Tout soulèvement dans une structure de chaussée implique une décompaction partielle

des sols ou des matériaux de la structure qui peut potentiellement contribuer à un affaiblissement plus

marqué de la chaussée lors du dégel. Ainsi, il est dans l’intérêt d’un concepteur de chaussées de

s’assurer que l’eau d’infiltration soit rapidement évacuée afin de garder le degré de saturation des sols

et matériaux de chaussées à des niveaux inférieurs à 70 % (Konrad et Roy 2000) et d’ainsi limiter les

effets du gel.

2.2 Succion matricielle

Le degré de saturation des couches de chaussées et des sols varie au cours d’un cycle annuel dû, entre

autres, aux périodes de précipitation, de séchage et à l’accumulation/fonte de neige. Les variations du

degré de saturation à l’état non saturé dans un sol imposent, par génération de succion matricielle (µa-

µw), des variations dans l’état de contrainte effective (Figure 3). Ce phénomène est dû à la quatrième

phase d’un milieu poreux non saturé, la peau contractile (ou l’interface air-eau), qui est affectée par

les propriétés de tension de surface de l’eau. Cette tension de surface résulte du fait que les

interactions moléculaires sont différentes à l’interface air/eau par rapport à celles à l’intérieur de la

phase liquide (Côté et Konrad 2003). La tension sur cette peau contractile augmente avec la

diminution du degré de saturation et modifie le comportement des sols et matériaux, car elle a un effet

de pseudo-cohésion bénéfique au comportement mécanique général des sols (Fredlund et Rahardjo

6

1993). La Figure 3 présente la relation typique, appelée courbe caractéristique de rétention d’eau,

entre la teneur en eau et le potentiel négatif de l’eau, ou la succion matricielle. Cette relation est

unique pour chaque type de sol et densité. Pour des matériaux granulaires, suite à l’atteinte du point

d’entrée d’air, le degré de saturation diminue rapidement jusqu’à atteindre la teneur en eau résiduelle

sans entraîner d’importants changements dans le niveau de succion matricielle. Une fois la teneur en

eau résiduelle atteinte, l’augmentation de la succion matricielle se fait lentement et nécessite

beaucoup d’énergie puisque l’attraction terrestre n’est plus assez forte pour faire bouger l’eau vers le

bas. L’atteinte de la teneur en eau résiduelle est donc souhaitable et très profitable sur le plan

mécanique puisqu’elle engendre une augmentation dans les forces intergranulaires et une

augmentation de la capacité portante du système.

Figure 3: Courbe caractéristique de rétention d'eau (Côté 1997)

2.3 Conductivité hydraulique

Le transfert de masse en milieu poreux s’effectue par le biais d’un réseau de pores interconnectés

lorsque le fluide est soumis à une force initiant l’écoulement. L’aptitude du milieu poreux à laisser

circuler l’eau est appelée la conductivité hydraulique k. Elle représente la pente de la relation entre la

vitesse d’écoulement v dans un sol et le gradient hydraulique i. Cette relation, appelée la loi de Darcy,

a été définie par Darcy en 1856 et elle est notée

7

� = �� = �∆ℎ

�

dans laquelle L est la longueur de l’élément de sol sur laquelle se produit l’écoulement et ∆h est la

différence de charge d’eau (perte de charge). Pour une surface d’écoulement A connue, en utilisant la

loi Q=Av, il est possible d’écrire la loi de Darcy sous la forme

� = ��

dans laquelle Q est le débit. La loi de Darcy est considérée valable pour les écoulements lents et

laminaires, soit pour des nombres de Reynolds inférieurs à 10. Il est généralement assumé que ces

conditions sont satisfaites dans le cas des sols et des granulats pour la majorité des applications.

La Figure 4 présente un exemple de la relation entre la vitesse d’écoulement et le gradient

hydraulique pour différents niveaux de compactage induits en faisant varier le nombre de chutes

(blows) d’un marteau de compactage Proctor. Telle qu’il a été décrit, la conductivité hydraulique

représente la pente de la relation entre ces deux paramètres. Ainsi, plus le sol est compact, ou plus son

indice des vides est faible, plus la conductivité hydraulique diminue. Cet aspect est aussi montré à la

Figure 5, où la conductivité hydraulique diminue en fonction de la porosité n. Toutefois, cette figure

démontre aussi l’effet marqué du pourcentage de particules fines %F. À l’intérieur d’un sol, les

particules fines tendent à s’insérer dans les pores créés par les plus grosses particules, contribuant à la

diminution de l’indice des vides et à l’augmentation de la tortuosité des canaux d’écoulement. De la

même façon, l’augmentation de l’étalement contribue à la diminution de la conductivité hydraulique.

Le degré de saturation Sr a aussi une influence significative sur la valeur de la conductivité

hydraulique (Côté et Konrad 2003; Konrad et Roy 2000) tel que présenté à la Figure 6. Il est possible

de constater qu’une diminution du degré de saturation de 90% à 40% peut entraîner la diminution de

la conductivité hydraulique sur plusieurs ordres de grandeur. Ce phénomène est explicable par la

tortuosité et la sinuosité des canaux d’écoulement qui tend à augmenter avec la diminution du degré

de saturation. De plus, à l’état non saturé, l’eau doit circuler près de la couche d’eau adsorbée qui est

davantage liée aux particules. La conductivité hydraulique est fortement influencée par la surface

spécifique des particules fines qui est liée à l’épaisseur de cette couche adsorbée. Ainsi, les sols

contenant des particules fines de petites dimensions ou constituées de minéraux actifs tendent à être

8

plus restrictifs à l’écoulement, car l’augmentation de l’épaisseur de la couche adsorbée contribue à la

diminution du flux hydrique à travers les pores du sol.

Figure 4 : Relation entre la vitesse d’écoulement et le gradient hydraulique en fonction de l’énergie de compaction (Chik 2004)

Figure 5 : Effet du pourcentage de particules fines et de la porosité sur la conductivité hydraulique (Côté et Konrad 2003)

9

Figure 6 : Effet du degré de saturation sur la conductivité hydraulique des matériaux granulaires (Konrad et Roy 2000)

2.4 Les géotextiles

Les géotextiles peuvent prendre plusieurs formes et convenir à plusieurs applications. Leur mode de

fabrication et les matériaux utilisés auront une grande influence sur les applications qui en seront

faites par la suite. Cette section présente, sommairement, les différents types de géotextiles, leurs

modes de fabrication ainsi que les utilisations typiques qui en sont faites.

Les deux grandes familles de géotextiles sont les tissés (woven) et les non-tissés (non-woven). La

seconde catégorie est la plus utilisée sur le marché et représente plus de 65 % de ce dernier. Elle est

désignée ainsi, non tissée, en raison de la répartition aléatoire de ses fibres dont la cohérence est

assurée par des procédés chimiques, mécaniques ou thermiques. Les tissés quant à eux proviennent de

l’entrecroisement orthogonal de deux séries de filaments. Dans les deux cas, ils seront constitués de

polyester ou de polypropylène, mais leur utilisation sera très différente.

Le géosynthétique tissé présente des propriétés mécaniques intéressantes dans le cas de renforcement

et de séparation. Le non-tissé, quant à lui, sera privilégié dans des cas de drainage et de filtration.

L’ouverture de filtration (FOS) du géotextile est aussi référencée, en micromètre, selon 95 % de la

masse du matériau passant au travers du géotextile. Cette propriété est très importante afin d’assurer

contamination nulle entre les couches (Benchekroun et coll., 2009).

10

Dans le cadre du présent projet, le choix des géotextiles appropriés selon l’utilisation de drainage qui

en sera faite relèvera du partenaire de la Chaire TEXEL-SOLMAX. Ce dernier veillera aussi à ce que

les produits utilisés rencontrent les normes qui s’appliquent et à ce que les protocoles de mise en

place soient respectés.

2.4.1 Essais en laboratoire

La littérature ne fait pas état de nombreux essais en laboratoire effectués sur la problématique de

l’amélioration du drainage d’une chaussée grâce à l’utilisation de la technologie des géosynthétiques.

Plusieurs essais préalables à la construction d’une section d’essais in situ ont été réalisés afin de

caractériser les matériaux présents dans les sections. Les résultats sont toutefois exposés sans

commentaires ou détails sur la façon de procéder.

Henry (2004) a toutefois vérifié si l’ajout d’un géotextile comme barrière capillaire pouvait réduire le

soulèvement dû au gel. Pour ce faire, l’auteur a construit 4 cellules aux designs différents placées de

manière à toujours avoir de l’eau à disposition. Il les a ensuite exposés à des cycles de gel et a noté les

déformations engendrées. L’auteur a pu observer que les filtres préalablement humidifiés et exposés à

des particules fines comme il est souvent le cas sur le terrain n’avaient pas réussi à diminuer le

soulèvement. À l’opposé, les géocomposites comprenant une couche de propylène entre 2 couches de

géotextile ont permis de réduire et presque enrayer le soulèvement. Les résultats restent donc partagés

et d’autres études seraient nécessaires afin de bien cerner les problèmes à régler.

Des travaux récents de laboratoire à l’Université Laval (Savoie 2010) ont toutefois permis de montrer

l’efficacité relative en termes de drainage d’une chaussée à échelle réduite construite avec écran

drainant (drain tube) par rapport à une chaussée de référence. Dans cette étude, les chaussées ont été

construites dans une cuve de 1,2 m de diamètre et 1,3 m de hauteur. L’eau entre et s’évacue par le bas

de la cuve, celle-ci étant construite (du bas vers le haut) de 500 mm de till, 300 mm de sable de sous-

fondation, 200 mm de pierre concassée de fondation et 50 mm d’enrobé bitumineux. Après la

saturation de la chaussée, le drainage de l’eau est ouvert pour que celle-ci s’écoule par gravité. La

teneur en eau volumétrique des couches a été suivie par des capteurs d’acquisition et l’évolution de la

capacité portante des chaussées expérimentales a été suivie à l’aide de relevés au déflectomètre

portable. Il a été montré que l’écran drainant a un effet notable sur l’évolution de la teneur en eau

dans les couches granulaires, mais que cet effet est difficilement perceptible dans la couche

11

d’infrastructure. L’effet de cette réponse du système en drainage a été observé en récupération

mécanique (Figure 7), alors que l’évolution du module relatif de surface lors de la période de

drainage, soit le module à un temps de drainage donné divisé par le module initial à l’état saturé, s’est

avéré plus importante de 5% (aire sous la courbe). Ceci est aussi vérifié au niveau des déflexions de

surface, où la cuve avec écran de rive présente les déflexions généralement plus petites (Figure 8).

0 100 200 300 400Temps (h)

0.8

1.2

1.6

2

Réc

upér

atio

n re

lativ

e

LégendeRécupération relative Cuve 2 (avec drain)Récupération relative Cuve 1 (référence)

Graphique des données de récupération en fonction du tempsComparaision des données de la cuve 1 et 2

Figure 7 : Récupération relative du module de surface de chaussées expérimentales construites en laboratoire avec et sans écran de rive (Savoie 2010)

12

0 100 200 300Temps (h)

600

800

1000

1200

1400

Déf

lexi

ons

enre

gist

rées

(um

)

Déflexions moyennesCuve avec agent drainantCuve sans agent drainant

Graphique des données de déflexion en fonction du tempsPour la cuve avec couche drainante et

la cuve sans couche drainante

Figure 8 : Évolution des déflexions en surface de chaussées expérimentales construites en laboratoire avec et sans écran de rive (Savoie 2010)

2.4.2 Travaux in situ

Avec les conditions climatiques qui sévissent au Québec, il est important de se référer à des études

qui prennent en considération ces spécificités et abordent ces problématiques. Ainsi, les études

menées dans l’État du Maine (Christopher et coll. 2000; Evans et coll. 2002; Hayden Scott A. et coll.

1998), celles produites au Québec (Mlynarek et coll. 1998; Blond et Mlynarek 1999; Blond et coll.

2000) ou dans tout pays présentant des périodes de gel importantes seront intéressantes à consulter.

Cette section exposera donc l’avancement réalisé grâce à des travaux sur le terrain, ainsi que les

conclusions et recommandations qui ont été tirées.

Le Maine Department of Transportation (MDOT) a réalisé plusieurs études en vraie grandeur afin de

vérifier l’efficacité des géotextiles dans l’amélioration du drainage routier et pour la diminution du

soulèvement au gel. Christopher et coll. (2000) ont construit en 1997 une section expérimentale de

425 mètres de long. Les études consultées ont été produites après la construction, après 2 années de

suivi et après 4 années de suivi de l’ouvrage. Pour ce qui est de Hinzmann John J. Jr et coll. (2002), le

projet documente la réponse à long terme de la reconstruction de plusieurs routes (38,5 miles ou 62

km entre 1994 et 2001) dans la ville de Duluth au Minnesota. Le rapport intérimaire fait état des

données recueillies entre 1994 et 2001, mais précise qu’il faudra plus d’études afin d’évaluer les

13

raisons pour lesquelles certains tronçons ont mieux performé que d’autres. Des études ont aussi été

réalisées dans le contexte municipal au Québec dans le cadre des études de Blond et Mlynarek

(1999), Blond et coll. (2000) et Mlynarek et coll. (1998). Ces dernières ont fait l’objet de campagnes

d’exhumation et de suivi périodique après au moins 2 ans de service. Toutes les études présentaient

un volet sur la réponse du système dans des conditions de gel/dégel. Le sol d’infrastructure avait

toujours la propriété d’être sensible au gel et d’entraîner une dégradation prématurée de la chaussée

précédente.

Les types de données récoltées varient grandement d’une étude à l’autre. La ville de Duluth

(Hinzmann J. Jr et coll. 2002), par exemple, a fait des inspections visuelles, mais n’a récolté aucune

autre donnée. Ils avaient toutefois l’intention de procéder à des évaluations plus approfondies des

sections dont la performance était mauvaise afin de pouvoir mieux cerner les problèmes. Les études

réalisées au Québec et dans l’État du Maine présentent une analyse beaucoup plus poussée. Dans les

deux cas, des données de température, de pénétration du gel, de débit d’évacuation d’eau de la

chaussée, de niveau de la nappe et de pression sous charge étaient enregistrées.

Des suivis périodiques de soulèvement au gel et de capacité portante à l’aide d’un déflectomètre à

masse tombante ont été réalisés lors d’une étude menée à Austin au Texas (Collins et coll. 2005) et

lors des travaux réalisés par Blond et Mlynarek (1999). Dans le cadre de de la première étude, grâce à

l’utilisation d’un FWD sur une période de 12 ans, des sections de routes comprenant des géotextiles

de séparation ont été suivies rigoureusement. Il a été découvert que les plus grandes augmentations du

module réversible se produisaient dans les six mois suivant la construction de la route. Cette étude est

pertinente dû au fait qu’elle permet de connaitre les périodes de changement critique associées au

tassement des matériaux qu’il sera important de prendre en compte dans l’étude en cours. Il n’est

toutefois pas possible de s’y fier entièrement puisque la fonction des géotextiles n’était pas de

drainage, mais plutôt simplement de séparation. De plus, la section présentait très rarement une

pénétration du gel. La deuxième étude, réalisée par Blond et Mlynarek (1999), a évalué la capacité

structurale après 2 années de service d’une route expérimentale municipale. Il a été conclu que toutes

les sections (incluant celles qui présentaient d’autres technologies que des géosynthétiques drainants)

montraient un module résilient de la chaussée et une déflexion calculée semblables.

La position des systèmes de drainage peut aussi varier grandement. L’étude de Mlynarek et coll.

(1998) a évalué l’efficacité de huit systèmes de drainage latéral distincts. Les reconstructions de la

ville de Duluth (Hinzmann et coll. 2002) présentaient des designs spécifiques à chacun des sites.

14

L’auteur a donc inclus quelques schémas de sections typiques construites selon les besoins. Celles-ci

incluent dans la majorité des cas des géotextiles en position de nappe drainante. L’étude de Blond et

Mlynarek (1999) a, quant à elle, évalué la combinaison des deux technologies en combinant sur une

même section la nappe drainante et les drains de rive. L’étude de l’État du Maine (Evans et coll.

2002; Christopher et coll. 2000 ; Hayden Scott A. et coll. 1998) a quant à elle évalué la performance

de nappes drainantes à différentes hauteurs dans la structure de chaussée comme présenté à la Figure

9.

Figure 9: Disposition des nappes drainantes dans l'étude de l'état du Maine (Christopher et coll. 2000)

Les auteurs des différentes études s’accordent tous pour dire que l’implantation de systèmes de

drainage est bénéfique. L’exhumation des filtres géotextiles après 2 et 3 ans d’utilisation (Mlynarek,

Bouthot et coll. 1998) a permis de noter une diminution dans la perméabilité du filtre géotextile, qui

n’est toutefois pas assez importante pour rendre le filtre moins perméable que le sol naturel. Les

études réalisées avec nappe drainante (Evans et coll. 2002; Christopher et coll. 2000 ; Hayden Scott

A. et coll. 1998) ont permis de démontrer que l’ajout de cette technologie placée à l’interface de la

fondation et du sol infrastructure ou directement dans le sol d’infrastructure pouvait efficacement

enlever l’eau de la chaussée. Les études menées à la ville de Saint-Hyacinthe (Blond et Mlynarek

(1999), Blond et coll. (2000)) ont quant à elles conclu que l’implantation de drains latéraux permettait

d’intercepter efficacement l’apport d’eau provenant des épaulements, mais pas d’enlever l’eau de la

chaussée comme en fait état la Figure 10 présentée dans leur rapport final. De plus, l’implantation de

nappes drainantes dans l’étude de Christopher et coll. (2000) a permis de faciliter la construction sur

un sol très argileux et instable.

15

Figure 10: Données de drainage tirées de l'ouvrage de Blond et Mlynarek (1999)

L’implantation de systèmes de drainage présente aussi quelques inconvénients. Le transport des

différents panneaux ne permettant pas leur assemblage préalable, il a été nécessaire de les assembler

et attacher sur place allongeant la durée de la procédure (Hayden S. et coll. 1998). La pose du béton

bitumineux directement sur le géotextile, dans cette même étude, a été problématique et a nécessité

l’élaboration d’une nouvelle procédure. De plus, des travaux en périphérie du site expérimental

municipal de Mlynarek et coll. (1998) ont provoqué un déplacement des drains de certaines des

sections. Selon les auteurs, ces déplacements n’ont toutefois pas affecté la performance des systèmes

drainants.

Suite à ces différentes expériences, plusieurs recommandations ont pu être formulées dans le but de

faciliter et d’améliorer la qualité de futurs ouvrages incluant des technologies géosynthétiques. Les

études réalisées dans l’État du Maine (Christopher et coll. 2000; Evans et coll. 2002; Hayden S. A. et

coll. 1998), ont émis quelques recommandations sur la mise en place des géotextiles sur des sols

argileux comme ceux rencontrés lors de leur étude. Entre autres, ils proposent la superposition d’au

moins 760 mm de géotextile entre les différents panneaux, l’attachement directement sur place des

différents panneaux ainsi que l’apposition d’au moins 200 mm de matériau compacté avant de

permettre le passage de la machinerie lourde. Les études de Mlynarek et coll. (1998); Blond et

Mlynarek (1999) et Blond et coll. (2000) ont quant à elles émises des recommandations pour de

futures conceptions et pour le suivi à long terme de leurs réalisations. Ils ont entre autres mentionné

que les systèmes de drainage devraient faire l’objet de cartographie au même titre que les systèmes

d’aqueducs afin d’éviter leur endommagement lors de projets postérieurs. Ils émettent aussi des

16

recommandations sur la conception d’ouvrages intégrant des systèmes de drainage. Ils terminent en

proposant d’inclure des séances d’entretien et de surveillance des différents puisards afin d’éviter tout

engorgement dans le système. Les différents auteurs s’accordent sur la pertinence et le bien-fondé de

l’implantation de technologies de drainage tel que les géosynthétiques et suggèrent aux concepteurs

(Christopher B.R., et coll. 2000) de ne pas attendre les résultats à long terme avant d’intégrer ces

technologies dans leurs designs.

La revue de documentation a permis de connaître les types de travaux réalisés en laboratoire et in situ

sur les géotextiles en tant qu’éléments drainants. Ces derniers ont permis d’évaluer les différents

problèmes associés à cette technologie et répondre à certaines questions de l’industrie. Ils étaient

toutefois soumis aux conditions climatiques de la période d’essais qui ne permettaient pas, dans tous

les cas, de bien quantifier la réponse de la technologie drainante. C’est dans le but de venir appuyer

les études présentées précédemment, de déterminer le bénéfice technico-économique dans des

conditions hydriques contrôlées, en plus de connaître avec plus de précision l’avantage de l’ajout de

systèmes de drainage de type géotextile que le projet 1B-1 tient toute sa pertinence.

17

Section 3 : Méthodologie et instrumentation

3.1 Méthodologie

Le but de ce projet de recherche est de comparer la récupération mécanique lors de périodes de

drainage de sections de route présentant ou non des technologies géosynthétiques de drainage à

différents emplacements. Pour ce faire, des essais en laboratoire et sur le terrain sont réalisés. Puisque

les travaux de terrain ne sont prévus que pour le mois de mai 2011, seule la méthodologie employée

en laboratoire sera décrite dans la section suivante. Ainsi, les configurations des sections retenues, le

protocole expérimental de mise en place de la section de route, du drainage et de la prise de mesure

sont présentés ci-après.

3.1.1 Configuration de la section

La route reproduite en laboratoire est mise en place dans une cuve de 1,2 mètre de diamètre et 1,3

mètre de profondeur. La configuration retenue pour les différentes couches de sols est la suivante : 50

mm d’enrobé bitumineux, 200 mm de fondation MG-20, 300 mm de sous-fondation MG-112 et 500

mm de sol d’infrastructure de type till. Cette structure de chaussée est assez typique des constructions

faites au Québec en termes de matériaux, mais a une épaisseur de sous-fondation significativement

plus mince que les chaussées vraie grandeur soumises au gel. La Figure 11 schématise la disposition

des couches de sols, l’emplacement des différents capteurs et sera un bon support visuel afin de

comprendre la section suivante.

Figure 11:Schéma de la section de route et de l’instrumentation utilisée en laboratoire

Les 4 configurations (5 configurations si la section de référence est incluse) bâties sont représentées à

la Figure 12. Celles-ci seront ensuite reproduites dans la fosse du SÉRUL afin d’y réaliser des essais

dans un système en vraie grandeur. Dans le but de sim

termes « cuve 1 », « cuve 2 », «

respectivement à la cuve de référence, à la cuve avec géotextile en écran drainant de rive, à la cuve

avec nappe drainante à l’interface de la sous

drainante à l’interface de la sous-fondation et du sol d’infrastructure et à la cuve avec des matériaux

recyclés en fondation et une nappe drainante à l’interface de la

d’infrastructure.

:Schéma de la section de route et de l’instrumentation utilisée en laboratoire

Les 4 configurations (5 configurations si la section de référence est incluse) bâties sont représentées à

ci seront ensuite reproduites dans la fosse du SÉRUL afin d’y réaliser des essais

dans un système en vraie grandeur. Dans le but de simplifier l’écriture et la compréhension, les

», « cuve 3 », « cuve 4 » et « cuve 5 » font toujours référence

respectivement à la cuve de référence, à la cuve avec géotextile en écran drainant de rive, à la cuve

te à l’interface de la sous-fondation et du sol d’infrastructure, à la cuve avec nappe

fondation et du sol d’infrastructure et à la cuve avec des matériaux

recyclés en fondation et une nappe drainante à l’interface de la sous-fondation et du sol

18

:Schéma de la section de route et de l’instrumentation utilisée en laboratoire

Les 4 configurations (5 configurations si la section de référence est incluse) bâties sont représentées à

ci seront ensuite reproduites dans la fosse du SÉRUL afin d’y réaliser des essais

plifier l’écriture et la compréhension, les

» font toujours référence

respectivement à la cuve de référence, à la cuve avec géotextile en écran drainant de rive, à la cuve

fondation et du sol d’infrastructure, à la cuve avec nappe

fondation et du sol d’infrastructure et à la cuve avec des matériaux

fondation et du sol

19

Figure 12: Schémas des différentes configurations réalisées en laboratoire

3.1.2 Mise en place de la cuve

Remplissage

À ce jour, les cuves 1, 2 et 3 ont été complétées. La méthodologie suivie afin de remplir les

différentes cuves est la même pour chacune d’entre elles et est détaillée ci-après.

Les couches de sol, au nombre de 4, sont disposées de manière à avoir 150 mm de pierre nette, 500

mm de till (infrastructure), 300 mm de sous-fondation (MG-112), 200 mm de fondation (MG-20) et

50 mm de béton bitumineux ESG-10. Les couches de till et de sable sont mises en place en 4 couches

de même épaisseur, c'est-à-dire de 0,125 m et 0,075 m respectivement. Le MG-20 lui est mis en place

en trois couches égales. Dans tous les cas, des teneurs en eau sont mesurées lors de l’apposition de

chacune des couches afin d’assurer une meilleure précision dans les calculs et estimations de la masse

de sol nécessaire pour occuper le volume donné. De plus, tout le sol introduit dans la cuve est pesé.

20

Une fois ces vérifications effectuées, chacune des couches est compactée jusqu’à l’obtention de

l’épaisseur nécessaire selon le degré de compaction voulu et la masse de sol présente. Une

compaction de 90% de l’optimum Proctor est visée pour le till, de 95% pour le sable (MG-112) et de

98% pour le MG-20. Des points de références sur le pourtour de la cuve permettent de faire un bon

suivi des épaisseurs afin d’assurer un bon degré de compaction. Le béton bitumineux est chauffé 24

heures avant son apposition et placé en une couche. Des trous y sont aussi percés afin de laisser

s’échapper l’air lors des périodes de saturation du système.

Le tubage du ProfilProbe (capteur présenté dans la section suivante) est mis en place dès le début du

remplissage. Le sol était donc compacté autour du cylindre. Les ThetaProbes (capteurs présentés dans

la section suivante) sont installés à chacune des mi-couches, au centre de la cuve. Une attention

particulière est portée à ne pas mettre de cailloux trop gros dans la région où les pointes du capteur

sont enfoncées afin de s’assurer qu’ils pénètrent bien dans le sol. L’erreur associée à une telle

manipulation sera discutée dans une autre section.

Saturation

Suite à la mise en place de la cuve, de son instrumentation et de la mise en place de la couche de

béton bitumineux, un premier essai de référence avec le déflectomètre à poids léger (instrument

présenté dans la section suivante) est réalisé. La saturation de la cuve est faite de bas en haut afin de

s’assurer que l’air puisse s’échapper plus facilement. Le principe des vases communicants présenté à

la Figure 13 permet de contrôler la charge hydraulique appliquée et de s’assurer qu’elle n’est pas trop

importante. Une charge maximale de 200 millimètres est appliquée afin d’assurer une bonne

saturation et du même coup une meilleure expulsion des bulles d’air. La saturation de chacune des

cuves s’est déroulée sur 7 jours.

21

Figure 13: Montage pour la saturation de la cuve par vases communicants

3.1.3 Prise de mesure et drainage

Suite à la saturation complète de la chaussée expérimentale de laboratoire, la période de drainage

débute par l’ouverture de la valve de sortie d’eau située au bas de la cuve. La prise de mesure des

teneurs en eau se fait de manière automatique à l’aide d’un ordinateur relié aux différents capteurs

(Thetaprobe et Profilprobe). La période de drainage est de 10 jours et des données de déflexion et de

récupération ont été obtenues grâce à un déflectomètre à poids léger LWD (présenté aussi dans la

section suivante) tout au long de cette période. La prise de mesure avec cet appareil varie dans le

temps, tel que présenté au Tableau 1. Cette approche est justifiée par le fait que les teneurs en eau

varient très rapidement au départ, pour évoluer beaucoup plus lentement par la suite.

22

Tableau 1 : Fréquence des essais au LWD pour les cuves de laboratoire

Une charge de 560 kPa est visée pour tous les essais produits avec le LWD. Cette charge est une

référence en mécanique des chaussées et la hauteur de chute de la masse tombante est ajustée afin

d’obtenir cette contrainte à chacun des essais. Pour chacun des temps T, trois emplacements sont

testés (comme présenté sur la Figure 11). Pour chacun des emplacements, 2 tombées d’assises ont été

pratiquées avant de réaliser les 3 essais enregistrés. Les données de déflexion, de module réversible

ainsi que de charge appliquée sont ensuite transcrites dans un tableur EXCEL afin de pouvoir générer

des graphiques synthèses. Comparativement au déflectomètre standard, le léger présente une

profondeur d’analyse plus petite. Dans le cas présent, l’utilisation d’une plaque de 150 mm permet

l’analyse de la structure jusqu’à une profondeur de l’ordre de 300 à 375 mm ce qui signifie que la

couche d’infrastructure n’influence pas de façon significative les déflexions mesurées en surface.

3.2 Instrumentation

Plusieurs instruments ont été utilisés dans la réalisation de la phase de laboratoire de ce projet. Ces

derniers ont permis d’obtenir une caractérisation complète des variables d’intérêts pour mesurer

l’impact de la présence de divers systèmes de drainage. Les instruments nécessaires à la réalisation de

la phase de terrain qui se déroulera en mai 2011 seront présentés dans une section réservée aux

travaux futurs.

3.2.1 Le déflectomètre à poids léger (Light Weight Deflectometer)

1 Toutes les heures

2 et 3 Toutes les deux heures

4 et 5 Trois fois par jours

6 et 7 Deux fois par jours

8, 9 et 10 Une fois par jour

Temps de

drainage (jours)Fréquence de mesure LWD

23

Cet instrument est la version portative d’un déflectomètre à masse tombante. Il permet d’enregistrer

la déflexion verticale de la section sous l’effet d’une charge et d’ainsi obtenir le module réversible de

surface, ou le module réversible du système de chaussée testé. Le module d’une chaussée est un bon

indicateur mécanique de la condition structurale de celle-ci et ce paramètre sera utilisé dans le cadre

de cette étude. La Figure 14 permet de visualiser les différentes composantes du mécanisme. Le LWD

est composé d’une barre graduée et d’une poignée ajustable permettant de placer la masse tombante à

n’importe quelle hauteur. Cette fonction permet à l’opérateur de décider, à travers un éventail de

mesure, quelle charge (kPa) il désire appliquer. C’est une masse de 20 kg qui a été utilisée dans le

cadre des présents travaux. La présence d’un loquet de sécurité en plus de la poignée de

déverrouillage assure une plus grande sécurité de l’opérateur qui doit déclencher les 2 mécanismes

simultanément afin de relâcher la masse tombante.

Figure 14: Composantes du déflectomètre à masse tombante portable

La base de la cellule est quant à elle composée d’un anneau de caoutchouc normalisé selon la masse

choisie. Il permet d’amortir le choc de la masse tombante. De plus, dans le cadre de cette expérience,

c’est la plaque de 150 mm qui a été utilisée à la base. La plaque de 300 mm fut conservée dans le

montage simplement afin d’assurer sa stabilité.

24

L’ordinateur portable permet de visualiser directement les données calculées par le LWD dès

l’application de la charge. Il est donc possible de valider la convenance de l’essai sur le champ et de

reprendre ceux jugés non-convenables. L’interface est très parlante et permet de visualiser très

facilement les résultats de module réversible, de déflexion et de charge appliquée.

3.2.2 Capteurs de teneur en eau

Deux types de capteurs ont permis d’obtenir des lectures de teneur en eau volumétrique à différents

endroits dans la cuve. Le premier type, le ThetaProbe (Figure 15), permet d’obtenir des données en

continu de teneur en eau volumétrique. Le capteur est inséré dans le sol à instrumenter et retourne les

valeurs lues ponctuellement à cet endroit. Les données recueillies en continu sont en volt. Ces

données sont converties en teneur en eau volumétrique par l’utilisation d’une équation de calibration

prédéterminée.

En plus, le capteur de type ProfilProbe (Figure 16) permet d’obtenir un profil vertical de teneur en

eau volumétrique. Cet instrument est muni de 6 capteurs placés respectivement à 12.5, 22.5, 32.5,

42.5, 62.5, et 102.5 cm de profondeur par rapport à la poignée du tube. Un tube de fibre de carbone

est installé à l’endroit de la prise de mesure et permet d’y introduire facilement le capteur lorsque le

montage est terminé. Ce dernier nécessite aussi un changement de variable afin que les données

mesurées en volt soient transformées en teneur en eau volumétrique.

Afin d’alléger l’écriture et de normaliser toutes les prises de mesure, les données recueillies grâce au

Thetaprobe sont identifiées selon la couche dans laquelle le capteur se trouve par exemple MG-20,

MG-112 ou till. Les capteurs du Profilprobe sont quant à eux identifiés selon leurs profondeurs par

rapport au haut de l’appareil, c’est-à-dire 225, 325, 425, 625 et 1025 mm de profondeur. Les deux

capteurs présentés ont été calibrés en suivant la procédure décrite par le détaillant.

Figure 15: Capteur ThetaProbe

25

Figure 16: Capteur ProfilProbe

26

Section 4 : Caractérisation des matériaux

La caractérisation des matériaux est une étape importante dans l’évaluation des propriétés physiques

de ceux-ci. Plusieurs essais effectués en laboratoire permettent d’évaluer des paramètres qui auront

une influence sur la réponse mécanique et hydrique des matériaux granulaires et des sols. Les essais

réalisés afin de déterminer les caractéristiques de base du matériau sont la granulométrie, l’essai

Proctor, l’essai de densité et absorption du granulat, la valeur au bleu ainsi que la limite de liquidité.

La caractérisation avancée a servi à connaître certains aspects du comportement hydrique du matériau

tels la perméabilité et le potentiel de succion. La section suivante présente les grandes lignes des

essais réalisés pour la caractérisation des sols ainsi que les résultats obtenus pour chacun de ceux-ci.

4.1 Granulométrie

L’analyse granulométrique est réalisée conformément à la norme BNQ 2560-040. Entre autres, cette

analyse permet de savoir si les matériaux granulaires choisis rencontrent les exigences du Ministère

des Transports du Québec en respectant les normes granulométriques selon l’utilisation prévue en

fondation ou en sous-fondation. De plus, la distribution granulométrique influence grandement les

propriétés des sols et des matériaux granulaires comme leur capacité de drainage.

Trois échantillons de chacun des sols sont utilisés pour réaliser l’analyse granulométrique. C’est un

tamiseur mécanique de type Gilson qui a permis d’obtenir la granulométrie des fractions grossières

(>5 mm) de chacun des échantillons. Une deuxième analyse est faite sur la fraction fine (<5 mm) de

l’échantillon à l’aide aussi d’un tamiseur mécanique de type Rotap. Avant de procéder au tamisage de

cette fraction, il est nécessaire de laver l’échantillon à travers un tamis de 80 µm afin de n’utiliser que

la fraction passante de 5 mm et retenue sur le 80 µm.

Le tableau synthèse présente certaines informations significatives mises à jour lors de l’analyse

granulométrique par tamisage. On y retrouve entre autres le diamètre effectif à 10% de passant (D10),

le coefficient d’uniformité (Cu), le diamètre moyen à 50% de passant (D50) et le pourcentage de

particules fines de chacun des sols à l’étude. Les courbes granulométriques sont présentées aux

27

Figure 17, Figure 18 et Figure 19 avec les limites inférieures et supérieures des fuseaux dictés par le

Ministère des Transports du Québec. Ces exigences granulométriques assurent que les propriétés

d’intérêts pour les matériaux de chacune des couches soient optimisées.

0

20

40

60

80

100

Pou

rcen

tage

de

pass

ant (

%)

0.01 0.1 1 10 100Diamètre des particules (mm)

0

20

40

60

80

100

Courbe granulométrique du MG-20 avec fuseau granulométrique prescrit par le MTQ

Figure 17: Courbe granulométrique MG-20 (fondation)

28

0

20

40

60

80

100

Pou

rcen

tage

de

pass

ant (

%)

0.01 0.1 1 10 100 1000Diamètre des particules (mm)

0

20

40

60

80

100

Courbe granulométrique du MG-112 avec fuseau granulométrique prescrit par le MTQ

Figure 18: Courbe granulométrique MG-112 (sous-fondation)

0

20

40

60

80

100

Pou

rcen

tage

de

pass

ant (

%)

0.001 0.01 0.1 1 10 100Diamètre des particules (mm)

0

20

40

60

80

100

Courbe granulométrique du Till

Figure 19: Courbe granulométrique du till (sol d'infrastructure)

29

4.2 Sédimentométrie

L’analyse de la granulométrie des particules de grosseur inférieure à 80 µm des sols inorganiques a

été réalisée selon la norme NQ 2501-025. Cette évaluation permet de connaître la distribution

granulométrique des particules de taille inférieure à 80 µm et de compléter la courbe granulométrique

pour les sols fins, comme le sol d’infrastructure. Cet essai se base sur la loi de Stokes qui relie la

vitesse de chute des particules dans un fluide en fonction du diamètre, de la masse volumique et de la

viscosité du fluide. Puisqu’il est possible de connaître tous les autres paramètres, il devient facile de

connaître la proportion de particules qui se trouvent toujours en suspension et ainsi d’en déduire la

distribution granulométrique. Les données de cette caractérisation sont donc incluses dans l’analyse

granulométrique.

4.3 Essai Proctor Modifié

Un essai Proctor modifié a été effectué conformément à la norme BNQ 2501-255. Puisque la

méthodologie est différente pour chacun des sols, en fonction de leur granulométrie, ils sont détaillés

indépendamment.

4.3.1 MG-112 (sable)

Un moule de 10,16 cm de diamètre et un marteau manuel sont nécessaires afin de réaliser cette

caractérisation. Conformément à la méthode C présentée dans la norme citée précédemment, le

matériau retenu sur le tamis de 20 mm a été rejeté sans apporter de correction au reste de

l’échantillon. Des teneurs en eau de 8, 9,10, 11, 12 et 13 % ont été obtenues en mélangeant une masse

connue de sol sec avec la quantité d’eau appropriée. Le sol est compacté en cinq couches avec 25

coups de marteau. Les poids et teneurs en eau sont par la suite notés afin de produire une courbe

Proctor mettant en relation la masse volumique sèche et la teneur en eau dans le but d’obtenir les

valeurs de masse volumique et teneur en eau optimum.

30

4.3.2 Till et MG-20

Un moule de six pouces de diamètre et un marteau mécanique sont utilisés pour ces sols.

Conformément à la méthode D présentée dans la norme citée précédemment, le matériau retenu sur le

tamis 20 mm a été rejeté, une correction a ensuite été apportée et la masse de matériau retenu sur le

tamis 20 mm a été remplacée par du matériau passant 20 mm et retenue sur 5 mm. Le MG-20 est

humidifié afin d’obtenir des teneurs en eau de 3, 4, 5, 5.5, 6, 6.5 et 7 % tandis que les valeurs visées

pour le till sont plutôt de 4, 5, 6 et 7%. Pour chacune des 5 couches, 56 coups de marteau étaient

appliqués selon la norme.

La masse volumique sèche maximale (ρd max) ainsi que la teneur en eau optimale (wopt) peuvent être

connus grâce à l’essai Proctor modifié et sont présentées dans le Tableau 2 synthèse. Les paramètres

trouvés grâce à cet essai sont très importants lors de la compaction de matériaux granulaires dans des

ouvrages routiers. Ces valeurs sont des références qui permettent de mieux contrôler l’efficacité du

compactage sur le terrain et lors du montage des cuves en laboratoire.

4.4 Essai de densité/absorption

La détermination de l’absorptivité et de la densité d’un granulat se fait en évaluant le granulat fin

(passant 5mm) indépendamment du granulat grossier (retenu 5 mm). La réduction du sol est faite

selon la norme BNQ 2560-015. Dans le cadre de cette étude, c’est la norme BNQ 2560-065, qui est

suivie afin de réaliser les essais sur la fraction fine et la norme BNQ 2560-067, pour la fraction

grossière. Dans les deux cas, le granulat doit tremper dans l’eau au moins 24 heures avant la

réalisation des essais. Ces essais permettent entre autres de trouver la densité brute à l’état sec, à l’état

superficiellement sec, la densité apparente ainsi que le pourcentage d’absorption. L’évaluation de ces

caractéristiques permettra de faire la conversion d’unités massiques en unités volumétriques et vice

versa. Cette caractéristique est particulièrement intéressante puisque les capteurs utilisés afin

d’instrumenter le système rendent des valeurs volumétriques tandis que la caractérisation du matériau

est faite en valeurs massiques. Les valeurs de densité brute, ρs et le pourcentage d’absorption sont

présentés dans le tableau synthèse.

31

4.5 Valeur au bleu

La détermination de la valeur au bleu des sols a été complétée en suivant la norme LC 21-255. Cet

essai permet entre autres de chiffrer le niveau d’argilosité de la fraction fine des granulats et la

surface spécifique. Cette surface spécifique aura une grande influence sur le drainage du matériau.

Une diminution de la grosseur des grains augmentera la surface spécifique de l’ensemble du matériau.

Cette augmentation aura pour conséquence d’augmenter la quantité d’eau adsorbée et donc non

disponible au mouvement. Cela entraîne une diminution du volume des pores pouvant contribuer à

l’écoulement du fluide à travers le matériau. Les valeurs au bleu des trois matériaux sont présentées

dans le tableau synthèse.

4.6 Limite de liquidité

Cette caractérisation a été faite pour le till seulement puisque seul ce dernier contient une grande

quantité de particules fines. La limite de liquidité est déterminée afin de connaître la teneur en eau à

laquelle le comportement du sol passe d’un état plastique à liquide. Les essais ont été réalisés

conformément à la norme CAN/BNQ 2501-092 (CAN/BNQ 1988), grâce à l’essai de pénétromètre à

cône suédois selon la méthode à plusieurs points. Dans ce cas aussi, les résultats sont présentés dans

le tableau synthèse.

Tableau 2: Caractérisation des sols et matériaux à l’étude

Granulométrie Proctor Densité et absorption Valeur au bleu Limites Atterberg

D50 D10 Cu %Fines ρdmax wopt ρs Absorption VB WL

Type de sol (mm) (mm) (D60/D10) (%) (kg/m³) (%) (kg/m³) (%) (cm³/g) (%)

MG-20 4,89 0,19 38,1 5 2230 6 2640 0,7 0,05 -

MG-112 1,2 0,36 4,6 1 1920 11,5 2690 0,9 0,01 -

Till 0,59 0,03 40,3 22 2230 4,6 2640 1,3 0,07 17

32

4.7 Caractérisation avancée

4.7.1 Perméabilité

L’évaluation de la conductivité hydraulique est faite en conditions saturées à l’aide d’un moule

proctor de 15,24 cm de diamètre pour les sols granulaires (MG-20, MG-112) et de 10,16 cm de

diamètre pour le till. Cette caractéristique est essentielle dans l’analyse qui sera faite des périodes de

drainage afin de pouvoir mieux interpréter les résultats obtenus sur les sections de chaussées

expérimentales, particulièrement en conditions saturées.

L’échantillon est d’abord compacté à teneur en eau optimale à l’intérieur du moule. Les taux de

compaction visés sont ceux qui sont susceptibles d’être retrouver dans la chaussée, c’est-à-dire de

90% de l’optimum Proctor pour le sol d’infrastructure, 95% pour le sol de sous-fondation et 98%

pour le sol de fondation. L’échantillon est soumis à des contrepressions de 600 kPa afin d’assurer un

degré de saturation très près de 100%. Les échantillons sont ensuite soumis à des gradients

hydrauliques, � =∆

�, pouvant varier entre 1,8 et 5,3. Afin d’assurer un suivi plus étroit des gradients

hydrauliques, les pressions en tête et en base de l’échantillon sont suivies grâce à des capteurs placés

à même le montage, ce qui permet d’avoir un contrôle beaucoup plus précis des pressions appliquées.

Ce gradient i, est ensuite mis en relation avec la vitesse du fluide qui est obtenue avec la quantité

d’eau ayant circulé dans l’échantillon (en cm3) par unité de temps. La pente de la relation formée

passe par l’origine et donne la valeur de la conductivité hydraulique k qui sera spécifique à chacun

des matériaux ainsi qu’à chacun de leur état de compaction. Les résultats obtenus pour les différents

sols sont présentés sous forme de graphique. Le Tableau 3 résume les données obtenues suite à la

réalisation des essais. Les graphiques obtenus afin de déterminer la conductivité hydraulique sont

présentés aux Figure 20, Figure 21 et Figure 22.

Tableau 3: Données de conductivité hydraulique du MG-20, MG-112 et till

Sol Compacité k (m/s) MG-20 94% ρdmax 1,43x10-5

MG-112 97% ρdmax 7,77x10-5 Till 94 à 97% ρdmax 3,07x10-7 à 6,56x10-8

Comme présenté dans le tableau 3,

typiques de ce type de sol (selon Holtz et Kovacs 1991) qui varient entre 10

sable propre et du MG-20 concordent aussi

Certains essais devront toutefois être repris dans le cas du till

atteinte. Il sera de plus intéressant de

de savoir quelle sera l’effet du degr

Figure 20: Données de conductivité hydraulique du MG

Figure 21: Données de conductivité hydraulique du MG

Comme présenté dans le tableau 3, les données obtenues pour le till concordent avec les données

typiques de ce type de sol (selon Holtz et Kovacs 1991) qui varient entre 10-5 à 10-

20 concordent aussi avec les valeurs typiques qui varient

être repris dans le cas du till puisque la compaction visée n’a pas été

. Il sera de plus intéressant de compléter les essais de perméabilité des 2 sols granulaires afin

de savoir quelle sera l’effet du degré de compaction sur leur capacité de drainage.

: Données de conductivité hydraulique du MG-20 (fondation)

: Données de conductivité hydraulique du MG-112 (sous-fondation)

33

es données obtenues pour le till concordent avec les données -9. Les données du

entre 10-2 et 10-5.

puisque la compaction visée n’a pas été

les essais de perméabilité des 2 sols granulaires afin

fondation)

Figure 22: Données de conductivité hydraulique du till (sol d'infrastructure)

4.7.2 Succion matricielle

L’évaluation du potentiel de succion matricielle permet de connaître la courbe caractéristique de

rétention d’eau du matériau comme p

de ce projet, la détermination de cette

des propriétés mécaniques des différentes couches composant la structure de chaussée

l’évolution du degré de saturation.

eau) augmente, la capacité de support du matériau augmente aussi. L’augmentation de la capacité de

support se traduit par la croissance du modu

propriétés mécaniques de l’infrastructure. Dans l’étude en cours, une amélioration du taux de

drainage des couches de la chaussée impliquera

saturation et une récupération plus rapide de la capacité portante, ce qui peut être lié à

dégradation moins rapide de l’ensemble de

Des essais sont donc présentement en cours

succion matricielle en fonction de la teneur en eau des matériaux utilisés dans l’étude

préliminaires obtenues grâce à un premier essai effectué

Figure 23. La courbe de régression a été produite en suivant le modèle de Fredlund et

Entre autres, il est possible d’obtenir à partir de cette courbe la pression d’entrée d’air (~ 2

teneur en eau résiduelle (~ 12 %)

données préliminaires obtenues sont satisfaisantes et permettent de croire que les essais en cours

permettront de compléter ces résultats et de caractéris

l’étude.

: Données de conductivité hydraulique du till (sol d'infrastructure)

Succion matricielle

de succion matricielle permet de connaître la courbe caractéristique de

comme présenté précédemment. Dans le cadre des travaux effectués lors

de cette courbe est importante afin de mieux comprendre l’évolution

des propriétés mécaniques des différentes couches composant la structure de chaussée

. En effet, lorsque la tension de la peau contractile (à l’interface air

eau) augmente, la capacité de support du matériau augmente aussi. L’augmentation de la capacité de

support se traduit par la croissance du module élastique du matériau et par une amélioration des

de l’infrastructure. Dans l’étude en cours, une amélioration du taux de

drainage des couches de la chaussée impliquera une atteinte plus rapide des conditions de non

récupération plus rapide de la capacité portante, ce qui peut être lié à

dégradation moins rapide de l’ensemble de la structure.

es essais sont donc présentement en cours afin de caractériser cette courbe de développement de

fonction de la teneur en eau des matériaux utilisés dans l’étude

préliminaires obtenues grâce à un premier essai effectué sur le till (90% ρdmax) sont présentées à la

La courbe de régression a été produite en suivant le modèle de Fredlund et

Entre autres, il est possible d’obtenir à partir de cette courbe la pression d’entrée d’air (~ 2

(~ 12 %) et l’indice de distribution de la taille des pores (~

données préliminaires obtenues sont satisfaisantes et permettent de croire que les essais en cours

permettront de compléter ces résultats et de caractériser le potentiel de succion des 2 autres sols à

34

: Données de conductivité hydraulique du till (sol d'infrastructure)

de succion matricielle permet de connaître la courbe caractéristique de

. Dans le cadre des travaux effectués lors

mieux comprendre l’évolution

des propriétés mécaniques des différentes couches composant la structure de chaussée avec

de la peau contractile (à l’interface air-

eau) augmente, la capacité de support du matériau augmente aussi. L’augmentation de la capacité de

une amélioration des

de l’infrastructure. Dans l’étude en cours, une amélioration du taux de

une atteinte plus rapide des conditions de non

récupération plus rapide de la capacité portante, ce qui peut être lié à une

afin de caractériser cette courbe de développement de

fonction de la teneur en eau des matériaux utilisés dans l’étude. Les données

sont présentées à la

La courbe de régression a été produite en suivant le modèle de Fredlund et Xing (1993).

Entre autres, il est possible d’obtenir à partir de cette courbe la pression d’entrée d’air (~ 2 kPa), la

on de la taille des pores (~ 0,87). Les

données préliminaires obtenues sont satisfaisantes et permettent de croire que les essais en cours

er le potentiel de succion des 2 autres sols à

Figure 23: C: Courbe caractéristique de rétention d'eau du till

35

36

Section 5 : Présentation et analyse des résultats

Au moment de l’écriture de ce rapport, 3 des 5 cuves devant être construites en laboratoire et

présentées précédemment ont été réalisées. La section suivante présente donc les résultats obtenus à

partir des cuves 1, 2 et 3 qui représentent respectivement la cuve de référence, la cuve avec écran

drainant et la cuve avec nappe drainante à l’interface entre la sous-fondation et le sol d’infrastructure.

Les essais se sont déroulés en plusieurs phases telles la construction de la section, la saturation du

système et le drainage couplé de la prise de mesure avec le LWD. Afin de simplifier la

compréhension du système, les résultats sont traités de manière indépendante dans la section suivante.

La présentation des résultats est suivie d’une brève analyse. Puisque les essais sont présentement en

cours de réalisation, l’analyse présentée dans ce rapport n’est que partielle et pourra faire l’objet de

changements dans les prochains rapports à la lumière de nouveaux résultats.

5.1 Construction de la section

Lors de la construction d’un ouvrage routier, le niveau de compaction d’un sol est un paramètre très

important à surveiller. Dans le cas de la section de route construite en laboratoire pour cette étude, la

référence utilisée afin d’obtenir des niveaux de compaction souhaitables est l’optimum Proctor.

Puisque l’espace utilisé afin de mettre en place les sols est bien connu, il est possible d’évaluer son

volume. En connaissant la teneur en eau du sol à mettre en place, il est possible de convertir toutes les

masses en masses de sol sec et d’ainsi pouvoir comparer la quantité de sol sec à mettre (évaluée par le

ρd opt) et celui déjà placé dans la cuve. Toutes les masses placées ont été notées afin de connaître le

degré de compaction ainsi que la porosité (n) de chacune des couches. Cette dernière est évaluée

grâce aux trois relations suivantes :

� =��

�� (1)

�� = �� + �� (2)

� =��

��∗ 100 (3)

37

- Le volume des grains solides (Vs) est trouvé grâce à l’équation 1, où Ms est la masse de sol

sec (trouvée grâce à la masse totale de sol humide et la teneur en eau de ce du sol) et ρs, la

densité brute, trouvée lors de la caractérisation des sols.

- Le volume des vides (Vv) est trouvé grâce à l’équation 2, où VT est le volume total occupé

dans la cuve par le sol en question.

- La porosité (n) est ensuite évaluée en divisant le volume de vide par le volume total.

Le Tableau 4 présente toutes les données permettant l’évaluation de l’état de compaction des

systèmes de chacune des cuves.

38

Till MG-112 MG-20 Till MG-112 MG-20 Till MG-112 MG-20

Masse de sol humide dans la cuve (kg) MT 1191,7 646,4 506,2 1213,2 633,5 490,1 1193,6 632,6 506,7

Teneur en eau moyenne (%) w 6,64 4,4 2 7,08 2,3 2,53 5,25 2,2 2,5

Masse de sol sec dans la cuve (kg) Ms 1117,5 619,1 496,3 1133,0 619,2 478,0 1134,1 619,0 494,3

Hauteur de sol dans la cuve (m) H 0,5 0,3 0,2 0,5 0,3 0,2 0,5 0,3 0,2

Diamètre de la cuve (m) D 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Volume occupé dans la cuve (m3) VT 0,57 0,34 0,23 0,57 0,34 0,23 0,57 0,34 0,23

Masse volumique optimale (kg/m3) σopt 2230 1920 2230 2230 1920 2230 2230 1920 2230

Masse de sol pour 100% Proctor dans la cuve(kg/m3) σopt s 1261 651 504 1261 651 504 1261 651 504

Pourcentage de compaction visé (%) 90 95 98 90 95 98 90 95 98

Compaction σd /σopt s 0,89 0,95 0,98 0,90 0,95 0,95 0,90 0,95 0,98

Volume des grains solides (m3) Vs 0,42 0,23 0,19 0,43 0,23 0,18 0,43 0,23 0,19

Porosité (%) n 14 11 4 14 11 5 14 11 4

CUVE 2CUVE 1 CUVE 3

Tableau 4: État de compaction des cuves 1, 2 et 3

39

5.2 Drainage

Les capteurs de teneur en eau thétaprobe et profilprobe présentés antérieurement ont permis de

mesurer rigoureusement à toutes les minutes les données de teneur en eau volumétrique durant toute

la durée de la période de drainage, permettant de mettre ces valeurs en relation avec la récupération

relative du module réversible de la chaussée. Des graphiques permettant de bien visualiser l’évolution

de la teneur en eau volumétrique en fonction du temps ont été produits. Ceux-ci montrent les valeurs

enregistrées pour toute la période d’essai soit 10 jours et sont présentés aux Figure 24, Figure 25 et

Figure 26.

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ten

eur

en e

au

LégendeMG-20_ThetaProbeMG-112_ThetaProbeTill_ThetaProbe

Drainage Cuve Référence C1Données des capteurs ThetaProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5T

eneu

r en

eau

Profondeur des capteurs (type de sol intercepté)

225 mm (MG-20)325 mm (MG-20 / MG-112)425 mm (MG-112)625 mm (MG-112 / Till)1025 mm (Till)

Drainage Cuve Référence C1Données des capteurs ProfilProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

Figure 24: Données de drainage de la cuve de référence C1

40

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ten

eur

en e

au

LégendeMG-20_ThetaProbeMG-112_ThetaProbeTill_ThetaProbe

Drainage Cuve avec écran drainant C2Données des capteurs ThetaProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ten

eur

en e

au

Profondeur des capteurs (type de sol intercepté)

225 mm (MG-20)325 mm (MG-20 / MG-112)425 mm (MG-112)625 mm (MG-112 / Till)1025 mm (Till)

Drainage Cuve avec écran drainant C2Données des capteurs ProfilProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

Figure 25: Données de drainage pour la cuve avec écran drainant C2

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ten

eur

en e

au

LégendeMG-20_ThetaProbeMG-112_ThetaProbeTill_ThetaProbe

Drainage cuve avec nappe drainante C3Données des capteurs ThetaProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

0 4000 8000 12000 16000Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Ten

eur

en e

au

Profondeur des capteurs (type de sol intercepté)

225 mm (MG-20)325 mm (MG-20 / MG-112)425 mm (MG-112)625 mm (MG-112 / Till)1025 mm (Till)

Drainage Cuve avec nappe drainante C3Données des capteurs ProfilProbe

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

Figure 26: Données de drainage pour la cuve avec nappe drainante C3

41

Il est possible d’observer sur ces diagrammes que le temps critique de drainage où les variations les

plus importantes de teneur en eau sont enregistrées se situe avant les 1000 premières minutes de

drainage. À l’intérieur de cet intervalle, les teneurs en eau diminuent rapidement jusqu’à atteindre des

teneurs en eau résiduelles qui varieront très peu. Cette stabilisation est notamment due à la succion

matricielle qui est développée lors de la désaturation du système. Après l’atteinte de la pression

d’entrée d’air, les pressions tendent à s’équilibrer et à former des ménisques qui sont en équilibre

avec les pressions atmosphériques ambiantes. Plus le sol contient des particules fines, plus la pression

d’entrée d’air sera élevée et une grande pression atmosphérique sera nécessaire afin de désaturer le

sol. La réalisation des essais de succion matricielle permettra de mettre en relation les teneurs en eau

des sols et matériaux mesurées dans les cuves avec le potentiel négatif de l’eau associé à une valeur

de succion matricielle. Les résultats et analyses seront présentés lors de rapports subséquents.

Une régression linéaire a été calculée afin de comparer le taux de drainage des trois cuves pour

chaque couche. Les données des trois cuves sont portées en graphiques aux Figure 27 etFigure 28

(MG-20 et MG-112) afin de permettre une meilleure comparaison. À la lumière de ces résultats, il

semble que l’ajout d’un système de drainage ait un effet bénéfique sur le taux de drainage de la sous-

fondation, mais un effet moins marqué sur la fondation. En effet, le taux de drainage de la sous-

fondation des cuves 2 et 3 est nettement plus élevé que celui de la cuve 1. Dans le cas de la cuve avec

une nappe drainante, ce taux va même jusqu’à être doublé (passant de -0.015 min-1 à -0.029 min-1).

Cela signifie donc que le taux de drainage de la sous-fondation des cuves incluant des couches de

géosynthétique est plus rapide que celui de la cuve de référence.

Afin de compléter les résultats obtenus grâce aux capteurs de teneur en eau placés à même le système,

des échantillons de sol ont été prélevés le long d’un profil lors du démontage de chacun des systèmes

de chaussées. L’analyse de ces données n’est pas complétée à ce jour. Elle nous permettra toutefois

d’évaluer l’influence de l’effet de bord sur l’évolution des teneurs en eau et sera présentée dans un

rapport ultérieur.

42

0 100 200 300 400Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Ten

eur

en e

au

Légende

Cuve 1, RéférenceCuve 2, Écran drainantCuve 3, Nappe drainanteRégression linéaire C1, m = -0.017 min-1

Régression linéaire C2, m= -0.015 min-1

Régression linéaire C3, m= -0.013 min-1

Drainage cuves 1, 2 et 3Données du capteur ThetaProbe dans la couche MG-20

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

Figure 27: Taux de drainage des cuves 1, 2 et 3 pour le sol de fondation MG-20

0 100 200 300 400Temps (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Ten

eur

en e

au

Légende

Cuve 1, RéférenceCuve 2, Écran drainantCuve 3, Nappe drainanteRégression linéaire C1, m= -0.015 min-1

Régression linéaire C2, m= -0.024 min-1

Régression linéaire C3, m= -0.029 min-1

Drainage cuves 1, 2 et 3Données du capteur ThetaProbe dans la couche MG-112

Teneur en eau volumique en fonction du temps (min)

Figure 28: Taux de drainage des cuves 1, 2 et 3 pour le sol de sous-fondation MG-112

43

5.3 Essais déflectomètre portable

Les résultats enregistrés lors des essais réalisés sur une période de 10 jours avec le déflectomètre à

masse tombante portable (light weight deflectometer, LWD) ont été portés en graphiques. L’analyse

porte sur la récupération relative du module afin de permettre la comparaison des données

enregistrées pour chacune des cuves. La valeur initiale notée ici Eo, est la valeur du module réversible

du système enregistré à l’état saturé. Grâce à la relation suivante, il est possible d’obtenir des données

de récupérations relatives des modules à différents temps t :

�� =�

�! (4)

Où Eo est la valeur du module à l’état saturé

Et est la valeur du module à un temps t

La réalisation d’essais au LWD à 3 emplacements distincts a permis le calcul d’une moyenne des

données de récupération relative. La Figure 29 présente un exemple du type de données obtenues

pour la cuve de référence. Les données obtenues pour les trois emplacements de prise de mesure sont

présentées ainsi que la moyenne obtenue grâce à celles-ci.

44

0 50 100 150 200 250Temps (h)

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Mod

ule

rela

tif (

Et /

Esa

t)

LégendeRécupération Emplacement ARécupération Emplacement BRécupération Emplacement CRécupération Moyenne

Récupération relative du module de réversible (Et / Esat)Cuve de référence C1

Figure 29: Récupération relative du module réversible pour les emplacements A, B, C et la moyenne

En utilisant les données moyennes obtenues, il est possible de mettre en relation les résultats obtenus

pour la cuve 1, 2 et 3 (Figure 30). Puisque ces données s’entrecoupent et sont difficiles à lire et

analyser, une régression est calculée pour chacune des moyennes et présentée à la Figure 31.

45

0 50 100 150 200 250Temps (h)

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Mod

ule

rela

tif (

Et /

Esa

t)

LégendeCuve 1, RéférenceCuve 2, Écran DrainantCuve 3, Nappe Drainante

Récupération relative du module de réversible (Et / Esat) Cuves 1, 2 et 3

Figure 30: Récupération relative du module réversible pour les cuves 1, 2 et 3

0 50 100 150 200 250Temps (h)

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Mod

ule

rela

tif (

Et /

Esa

t)

LégendeCuve 1, RéférenceCuve 2, Écran DrainantCuve 3, Nappe Drainante

Récupération relative du module de réversible (Et / Esat) Régressions pour les cuves 1, 2 et 3

Figure 31: Régressions de la récupération relative des modules réversibles pour les cuves 1, 2 et 3

46

L’analyse des régressions calculées à partir des données de récupération relative des modules

réversibles permet de rendre compte d’une nette amélioration dans le temps de récupération du

module réversible du système. Le LWD rend des valeurs moyennes de déflexion de l’ensemble de

l’infrastructure et ne permet pas, dans ce cas, de connaître la déformation élastique aux interfaces

critiques. Malgré qu’elle ne soit pas mesurée, cette déflexion aux interfaces critiques peut être reliée à

la déflexion totale mesurée. Bien que les résultats obtenus ne permettent pas d’obtenir les valeurs

nécessaires afin de réaliser un calcul d’endommagement, ils sont toutefois intéressants dans notre

analyse. Puisque la déflexion globale de la chaussée est directement liée à la performance de la

chaussée, une diminution rapide de la teneur en eau entraînera une diminution plus rapide des

déflexions et donc une augmentation plus rapide du module réversible. Cette reprise plus rapide des

propriétés mécaniques des couches de matériaux granulaires est susceptible d’engendrer une

diminution des taux de dégradation de l’ouvrage routier qui se reflèteront en gain de durée de vie.

Entre autres, les essais de terrain se prêteront bien à ce type d’analyse, en permettant la caractérisation

plus rigoureuse et plus complète de la déflexion engendrée sous l’application d’une charge grâce à un

déflectomètre à masse tombante. Cet outil sera présenté dans la section des travaux à venir.

Puisque les données de teneurs en eau sont prises en continu, il est aussi possible de produire des

graphiques mettant en relation la récupération relative des modules réversibles en fonction de

l’évolution des teneurs en eau du système. Les Figure 32 et Figure 33 présentent la relation entre les 3

cuves et la teneur en eau enregistrée grâce aux thétaprobes de la fondation (MG-20) et de la sous-

fondation (MG-112). L’analyse de ces graphiques est plus complexe et n’a pas été complétée au

moment de la remise de ce rapport. Il sera donc intéressant de pousser la réflexion sur ces graphiques

qui pourront aider à mieux comprendre le comportement du drainage en présence de technologie

géosynthétique.

47

0.08 0.12 0.16 0.2 0.24 0.28Teneur en eau

1

1.2

1.4

1.6

Réc

upér

atio

n re

lativ

e du

mod

ule

(Et /

Eo)

LégendeCuve de référence, C1Cuve avec écran drainant, C2Cuve avec nappe drainante, C3Régression des données de la cuve 1Régression des données de la cuve 2Régression des données de la cuve 3

Récupération relative du module en fonction de la teneur en eaupour la fondation (MG-20)

Figure 32: Récupération relative du module réversible en fonction de la teneur en eau (MG-20)

0.04 0.06 0.08 0.1 0.12Teneur en eau

1

1.2

1.4

1.6

Réc

upér

atio

n re

lativ

e du

mod

ule

(Et /

Eo)

LégendeCuve de référence, C1Cuve avec écran drainant, C2

Cuve avec nappe drainante, C3Régression des données de la cuve 1

Régression des données de la cuve 2Régression des données de la cuve 3

Récupération relative du module resilient en fonction de la teneur en eaupour la fondation (MG-112)

Figure 33: Récupération relative du module réversible en fonction de la teneur en eau (MG-112)

48

Section 6 : Travaux à venir

Pour faire suite aux travaux de laboratoire de l’automne 2010 et de l’hiver et printemps 2011 sur des

échantillons de chaussées à échelle réduite, des travaux de terrain sur une structure de chaussée réelle

en vraie grandeur seront entrepris au printemps 2011. Ceux-ci permettront de valider et de calibrer les

résultats obtenus en laboratoire, en plus d’observer les divers effets de systèmes de drainage mis à

l’essai dans le contexte d’une structure de chaussée soumise à des sollicitations réelles du trafic et du

climat.

Les travaux auront lieu au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) situé sur la route

33 qui croise l’autoroute 175 à la hauteur de kilomètre 103. La route 33 est une route de gravier

conduisant au Pavillon principal de la Forêt Montmorency et à diverses zones d’exploitation

forestière, le SERUL étant situé à 3 km de la jonction avec l’autoroute 175. Ce site expérimental a été

construit en l’an 2000. L’idée était de construire un laboratoire en vraie grandeur qui permettrait de

tester des chaussées en conditions relativement bien contrôlées et sécuritaires pour les étudiants

impliqués dans les projets. Le SERUL vise à tester des systèmes de chaussées et à faire le lien entre

les essais de laboratoire qui se font généralement sur des matériaux spécifiques et la route en service

qui ne permet pas le contrôle complet des facteurs expérimentaux. Au moment de sa construction, le

laboratoire était unique au Canada et, bien que certains laboratoires avaient certaines caractéristiques

similaires, il n’avait pas d’équivalent connu dans le monde. Depuis la construction du SERUL,

l’Université de Waterloo et l’Université de Calgary ont également construit des sites expérimentaux

routiers dont les caractéristiques varient quelque peu. Les conditions nordiques sont une des

particularités du site.

Lors de la construction du site expérimental, une fosse de béton de 120 m de longueur a été mise en

place, celle-ci étant divisée en quatre sous sections indépendantes de 30 m. Dans chacune de ces sous-

sections, un sol d’infrastructure différent a été mis en place. Ceci permet de faire des études qui

permettent d’inclure l’effet de la nature du sol support sur la réponse des chaussées, ce facteur étant

un important paramètre de conception. Chacune de ces sous sections comporte un système de

drainage de l’eau à leur base. Un système de vase communiquant relié à ce système de drainage a

49

aussi été mis en place afin d’augmenter artificiellement et de contrôler le niveau de la nappe

phréatique dans les sections étudiées. La Figure 34 présente des photos de la construction du SERUL,

mais plus particulièrement de la construction de la fosse de béton. Afin de réaliser l’étude sur une

chaussée expérimentale vraie grandeur en conditions contrôlées, une des sous sections de 30 m sera

utilisée. Le sol d’infrastructure mis en place dans la section d’essai choisie est du till glaciaire de type

sable silteux (SM). Il s’agit du même sol d’infrastructure que celui utilisé dans la cuve de laboratoire

(Tableau 2).

Figure 34 : Construction des fosses au SERUL

À l’intérieur de la section de 30 m qui sera utilisée pour cette étude de terrain, cinq sections de 6 m de longueur chacune seront construites. Ces cinq sections auront les mêmes caractéristiques que les chaussées expérimentales testées en laboratoire. De plus, elles seront construites avec les mêmes matériaux de fondation et de sous-fondation, dont les caractéristiques ont été présentées au Tableau 2. Tout comme les travaux de laboratoire, les diverses sections de 6 m seront construites avec des nappes drainantes et des écrans drainants positionnés à divers endroits stratégiques dans la structure de chaussée. La section avec une fondation constituée de matériaux recyclés sera aussi reproduite. Chaque section sera séparée sur toute la hauteur de la structure jusqu’à 200 mm dans le sol d’infrastructure par une membrane étanche verticale fixée et scellée sur les parois en béton de la cuve.

50

Ce choix est fait pour minimiser l’interaction hydrique et le transfert d’eau d’une section à l’autre. De plus, des sorties d’eau seront percées dans la paroi de béton pour chaque section environ 300 mm sous le niveau du sol d’infrastructure. Ceux-ci serviront à mesurer et comparer le débit d’eau à ces positions pour chaque section, en plus de servir à vérifier et comparer la turbidité de l’eau s’échappant de chacune des sections. En ce qui concerne l’épaisseur des couches de la chaussée, la structure finale retenue ressemble à celle utilisée lors des travaux de laboratoire. Ainsi, au-dessus du sol d’infrastructure, les couches suivantes seront mises en place : 75 mm d’enrobé bitumineux, 200 mm de fondation et 450 mm de sous-fondation. La

Figure 35 et la Figure 36 présentent des schémas des sections étudiées pour une vue en coupe

longitudinale et une vue en plan respectivement. Ainsi, les sections proposées seront les suivantes :

• Section 1 : Référence (aucun système de drainage mis en place);

• Section 2 : Nappe drainante (type drain tubes FTF) positionnée à l’interface fondation / sous-

fondation;

• Section 3 : Nappe drainante (type drain tubes FTF) positionnée à l’interface sous-fondation /

infrastructure;

• Section 4 : Écran drainant couvrant verticalement toute l’épaisseur de la structure de

chaussée jusqu’à environ 200 mm dans le sol d’infrastructure;

• Section 5 : Nappe drainante (type drain tubes FTF) positionnée à l’interface fondation / sous-

fondation avec une fondation constituée de matériaux recyclés.

51

L’instrumentation qui sera utilisée s’apparente en partie à celle utilisée dans le cadre des travaux de laboratoire. Par contre, des paramètres supplémentaires seront mesurés afin de bien caractériser les conditions de terrain. Un profil vertical de la température sera enregistré en continu à l’aide de thermistances positionnées au centre de la section référence. Entre autres, les capteurs de température seront utiles pour connaître avec précision la position des fronts de gel et dégel, qui peuvent avoir une importance significative sur la performance des technologies drainantes. La teneur en eau volumétrique θ sera suivie à l’aide de capteurs de teneur en eau volumétrique de type Theta Probe (TP) et Profile Probe (PP). Un capteur Theta Probe sera positionné au centre de chaque couche granulaire, aligné verticalement avec le sentier de roue droit (

Figure 35 et Figure 36). Un capteur de ce type sera positionné à 200 mm dans le sol d’infrastructure, dans le même axe vertical que les deux précédents. Ainsi, un total de 15 capteurs Theta Probe sera utilisé, à raison de trois par section. Au niveau de la structure de chaussée, ces capteurs permettront d’obtenir une teneur en eau volumétrique moyenne des couches granulaires directement sous l’axe de sollicitation verticale du trafic. L’acquisition de ces capteurs se fera à intervalle fixe de façon automatisée. De plus, trois tubes de mesures par section pouvant accueillir un capteur de type Profile Probe seront installés dans chacune des sections, pour un total de 15 tubes (

Figure 35 et Figure 36). Ceux-ci seront positionnés au début des sections et couvriront à espace

régulier la largeur d’une voie de roulement. Ces capteurs seront très utiles pour obtenir un profil

vertical détaillé de la teneur en eau volumétrique en plusieurs points par rapport au centre de la

chaussée. Ce type de mesure sera particulièrement utile pour observer l’évolution du profil de la

teneur eau volumétrique dans le sens transversal (perpendiculaire à la direction de roulement). Une

acquisition ponctuelle des données sera faite avec ces capteurs. Il est à noter que l’ensemble des

mesures de teneur en eau volumétrique pourra être rattaché à des données de succion matricielle

grâce aux essais de laboratoire qui auront permis de déterminer les courbes caractéristiques de

rétention d’eau des sols et matériaux granulaires utilisés dans ce projet pour des niveaux de compacité

similaires à ceux visés sur le terrain et en laboratoire. Finalement, deux piézomètres par section seront

positionnés au centre de chaque section afin d’obtenir le niveau piézométrique ainsi qu’une

estimation du profil piézométrique dans la direction transversale. Les mesures de niveau

piézométrique seront aussi faites de façon ponctuelle.

Figure 35 : Sections et instrumentation proposée au SERUL

: Sections et instrumentation proposée au SERUL – Vue en coupe longitudinale

52

Vue en coupe longitudinale

Figure 36 : Sections et instrumentation au SERUL

: Sections et instrumentation au SERUL – Vue en plan

53

54

Le suivi de la réponse mécanique de la chaussée pour chaque section sera fait à l’aide de deux

principaux outils. Premièrement, un déflectomètre à masse tombante (FWD) sera utilisé pour

caractériser le bassin de déflexion et son évolution temporelle. La Figure 37 et la Figure 38 présentent

les principales caractéristiques de cet outil. Grâce à cet outil, il sera possible de déterminer les valeurs

du module réversible pour chacune des couches de la chaussée, qui sont fortement influencées par la

teneur en eau, ou la succion matricielle, des sols et matériaux. Qui plus est, plusieurs indices

mécanistiques peuvent être obtenus suite à l’analyse de bassins de déflexion, mesurés grâce à

plusieurs géophones positionnés linéairement à des distances de 200, 300, 450, 600, 750, 900, 1200 et

1500 mm du centre de la charge. Celle-ci est appliquée par une masse tombant en chute libre sur une

plaque de 300 mm de diamètre munie d’un caoutchouc à sa base. La force d’impact crée des ondes

de contraintes, desquelles résultent des déflexions dans le massif de la chaussée. Les divers indices

mécanistiques seront utiles pour analyser le bénéfice technico-économique associé à l’implantation de

technologies drainantes. Des chargements verticaux seront aussi imposés sur des déflectomètres

multiveaux (DMN), qui permettent de mesurer la déflexion totale dans chacune des couches de la

chaussée à l’aide de plaques rigides positionnées aux interfaces pertinentes et reliées par des tiges à

des capteurs de déplacement (Figure 39 et Figure 40). La déflexion dans une couche est déduite en

mesurant la déflexion au sommet et à la base d’une couche. Un déflectomètre multiniveaux par

section sera installé dans le sentier de roue droit. Les chargements verticaux seront imposés par le

déflectomètre à charge tombante.

Figure

Figure 38 : Schéma du principe de fonctionnement d’un FWD

`

Figure 37 : Déflectomètre à masse tombante

: Schéma du principe de fonctionnement d’un FWD

55

`

56

Figure 39 : Pièces d’un déflectomètre multiniveaux

Figure 40 : Schéma d’un déflectomètre multiniveaux

57

Afin de compléter l’information, des mesures de profil longitudinal et transversal de chaque section

seront aussi obtenues avec un profilomètre inertiel. Ces mesures seront prises après la construction,

en période hivernale et en période de dégel. Comme la présence d’eau dans une chaussée influence

grandement la façon dont la condition de celle-ci évolue, des mesures de profil pourraient permettre

de tirer certaines conclusions quant aux bénéfices liés à l’implantation de système de drainage. De

telles mesures sont susceptibles de pouvoir appuyer les principales conclusions qui seront tirées de la

caractérisation mécanique et de l’évolution des propriétés mécaniques obtenues avec le FWD et les

déflectomètres multiniveaux. Toutefois, étant donné que le projet se déroule sur une courte période de

temps et que le nombre de véhicules lourds circulant sur le SERUL est assez faible, il est probable

que l’évolution de la condition soit assez faible.

Figure 41 : Mesure du profil d’une chaussée avec un profilomètre inertiel

Le protocole expérimental qui sera utilisé est basé sur celui réalisé en laboratoire. Par contre, deux

phases distinctes de mesures seront effectuées, soit en conditions estivales et en conditions de dégel

saisonnier. En ce qui concerne les essais en période estivale suite à la construction, ceux-ci seront

réalisés au mois d’août 2011. Les caractéristiques mécaniques des sections expérimentales construites

seront d’abord mesurées à l’aide du déflectomètre à masse tombante et des déflectomètres

multiniveaux. Les teneurs en eau dans les diverses couches de la chaussée seront aussi mesurées. Par

la suite, les sections expérimentales seront saturées en eau. Le niveau d’eau piézométrique sera

augmenté jusqu’au sommet de la couche de fondation. Après la saturation complète des sections

58

expérimentales, leurs caractéristiques mécaniques seront mesurées à nouveau. Par la suite, le drainage

des sections inondées sera initié par l’ouverture de la valve de drainage située au bas de la cuve de

béton. Durant la période de drainage, l’évolution de la teneur en eau volumétrique, de la température,

du niveau piézométrique et de la réponse mécanique sera suivie rigoureusement. Cet essai durera

environ 15 jours, ou jusqu’à ce que les teneurs en eau soient environ stabilisées. Pour les essais en

conditions de dégel, prévus pour la période mars-avril 2012, il n’y aura pas de phase de saturation.

Par contre, dès que le front de dégel entrera dans la structure, un suivi rigoureux similaire à celui

réalisé en conditions estivales débutera afin de mesurer la réponse des chaussées expérimentales et de

quantifier l’effet des technologies drainantes en période de dégel. La durée de cet essai sera plus

longue, soit environ 40 jours, afin que la chaussée puisse dégeler complètement et que les teneurs en

eau puissent se stabiliser. Le Tableau 5 présente la fréquence à laquelle seront prises les diverses

mesures sur la chaussée expérimentale au SERUL. Pour des raisons pratiques, la prise de mesure sera

un peu plus espacée lors des essais en période de dégel que lors des essais en été.

Tableau 5 : Fréquence de mesures des différents paramètres durant les essais d’été et de en période de dégel

Acquisition Fréquence (été) Fréquence (dégel) θTP

* Continue 1 mesure / minute 1 mesure / minute θPP

* Ponctuelle 2 mesures / jour 1 mesure / 2 jours Piézomètre Ponctuelle 2 mesures / jour 1 mesure / 2 jours Température Continue 1 mesure / minute 1 mesure / minute DMN Ponctuelle 1 mesure / 2 jours 2 mesures / semaine FWD Ponctuelle 1 mesure / 2 jours 2 mesures / semaine * θTP=Teneur en eau volumétrique mesurée avec une Theta Probe; θPP=Teneur en eau volumétrique mesurée avec une Profile Probe.

Les essais sur la chaussée expérimentale du SERUL, en combinaison avec les essais de laboratoire,

permettront de combler un besoin en recherche sur les chaussées au Canada, où un climat rigoureux

combiné à des précipitations abondantes rend complexe le dimensionnement de structures de

chaussées performantes et durables. Dans cette optique, les diverses solutions offertes pour minimiser

l’impact de l’infiltration d’eau dans les structures de chaussées sont plus que pertinentes. Toutefois,

malgré un certain nombre d’études réalisées sur lesdites techniques, leur emploi dans la pratique reste

limité à certains cas bien définis. Ces divers produits augmentent généralement les coûts initiaux de

construction. Dans un contexte où les budgets de construction et de réhabilitation de chaussées sont

souvent basés sur des décisions politiques à court et moyen termes, les intervenants en conception de

59

chaussées peuvent se montrer plus réticents à un emploi de système de drainage de façon plus

systématique. Pourtant, certains scientifiques prétendent que l’emploi de technologies drainantes dans

les structures de chaussées améliore significativement la performance à long terme des ouvrages.

Ainsi, il existe un besoin de recherche afin de déterminer le bénéfice technico-économique réel, basé

sur des critères mécanistes et empiriques de conception et de performance de chaussées, lié à l’emploi

de système de drainage de type géomatériaux dans les structures de chaussées. La phase de

laboratoire a permis de démontrer des effets positifs qui, suite à l’analyse plus détaillée des résultats,

permettront de faire une analyse mécaniste en termes de durée de vie et de dégradation des ouvrages

routiers. Les travaux de terrain sont également orientés dans la même optique. Ainsi, suite à la

réalisation et à l’analyse des résultats des deux phases de ce projet de recherche, il sera possible de

quantifier sur des bases rationnelles les avantages réels et les bénéfices pouvant être tirés de l’emploi

de technologies drainantes, ainsi que sur les façons les plus optimales de les mettre en œuvre.

60

Section 7: Conclusion

L’étude en cours a pour objectif d’améliorer les études faites pendant les 25 dernières années ainsi

que de combler un besoin de recherche sur l’ingénierie routière nordique au Canada en déterminant si

l’investissement additionnel que représente l’implantation de systèmes de drainage de type

géosynthétique est compensé par une amélioration significative de la performance des chaussées.

Pour ce faire, l’effet de l’ajout d’un géotextile drainant ainsi que l’effet de son positionnement sont

évalués en termes de récupération des propriétés mécaniques de la structure. Cette quantification se

fait à travers une étude comportant un volet de laboratoire, présentement en cours, et un volet de

terrain qui débutera en mai 2011. Le but de ce rapport intérimaire est donc de présenter l’état

d’avancement du projet, les résultats obtenus jusqu’à présent ainsi que de détailler les travaux de

terrain qui débuteront sous peu.

La consultation de la documentation a permis de se familiariser avec les études réalisées ailleurs ainsi

qu’avec les résultats et les conclusions qu’il a été possible de tirer. Ces lectures ont aussi permis de

situer cette étude par rapport à celles déjà réalisées et d’identifier les nouvelles connaissances qu’elle

pourra apporter. Celles-ci découleront notamment d’une étude paramétrique en conditions contrôlées

en laboratoire et de l’utilisation d’un site expérimental permettant le contrôle strict des conditions de

teneur en eau, le suivi rigoureux de l’évolution des déflexions de la structure de chaussée à l’aide

d’un FDW et de déflectomètres multi-niveaux..

De plus, le choix et la caractérisation de base des matériaux qui seront utilisés tant en laboratoire

qu’in situ ont été complétés. La conformité des matériaux granulaires nécessaires à la construction

par rapport aux normes du MTQ a été validée. Le sol d’infrastructure a quant à lui été classé comme

un SM selon la classification unifié de l’AASHTO. L’évaluation préliminaire des caractéristiques

avancées des sols telles la perméabilité a permis de rendre compte que les sols sélectionnés sont tout à

fait représentatifs de sols d’infrastructure rencontrés au Québec quant à leur capacité de drainage

respective. Bien entendu, comme mentionné précédemment, la caractérisation avancée est en cours et

les résultats finaux seront exploités dans l’analyse du comportement observé dans les sections de

chaussées expérimentales.

Les résultats des trois premières cuves réalisées en laboratoire ont été présentés sous forme de

tableaux et graphiques dans la section 5. Ces derniers ont permis de tirer des conclusions favorables à

l’utilisation de systèmes de drainage tant au niveau du taux de drainage, avec des taux de drainage

61

initiaux jusqu’à deux fois plus rapides dans le cas de cuves avec technologie drainante, qu’au niveau

de la reprise des propriétés mécanique, où des améliorations notables ont été remarquées en

produisant la régression des données de récupération relative du module réversible des trois systèmes.

Ces résultats sont encourageants puisqu’ils mettent de l’avant une tendance positive quant à

l’utilisation de systèmes de drainage géosynthétique pour favoriser la récupération des propriétés

mécaniques de la chaussée routière.

Les travaux à venir incluent donc la finalisation de la caractérisation avancée des matériaux à l’étude,

la réalisation et le suivi des deux dernières cuves expérimentales en laboratoire ainsi que la

construction et l’étude du système vraie grandeur au SÉRUL. La date d’échéance de ce projet est

donc fixée au mois de mai 2012.

62

Section 8 : Bibliographie

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