l’Ecole polytechnique fédérale Colloque du 1.12.1998 des LAVES ...€¦ · température de la surface de la route ° C] ... H = 30 m FI = 376 H = 29 m FI = 345 H = 27 m Perte

Laboratoire de mécanique des sols

Colloque du 1.12.1998 deslaboratoires de mécanique des sols et des roches del’Ecole polytechnique fédéralede Lausanne (EPFL)

PERTE DE PORTANCE AU DÉGEL DES ROUTES ETLAVES TORRENTIELLES DANS LES PERGÉLISOLS

ALPINS: UN MÊME PHÉNOMÈNEpar

Michel Dysli

1


Table des matières

• Conclusion

• Introduction

• Perte de portance au dégel des fondationsde routes

• Laves torrentielles dans les pergélisols alpins soumis au réchauffement du climat

2


Introduction

1900 - 1950 > 1980

• Une approche multidisciplinaire est souvent la clé des développements scientifiques et techniques

• Dans le domaine de l’action du geldans les sols :

• L’étude des pergélisols alpins demande aujourd’hui une approche scientifique rationnelle basée sur des modèles numériques utilisant les lois de la mécanique.

agronome ingénieur civil

géologuegéographeingénieur civil

Aujourd’hui les“maîtres” des

pergélisols alpins

3


Perte de portance au dégel de fondations de routes

Dispositif d’essais en vraie grandeur

isolationthermique

vérin dynamique pour lasimulation du traficaéro-refroidisseurs

fosse d’essai

4


5.00 m

2,00WS


Dispositif d’essais en vraie grandeur

air froid

fondation

limon très gélif

serpentins derefroidissement

conduits descapteurs

longueur

= 20 m

vérin dynamique pour lasimulation du trafic

aéro-refroidisseursisolation

thermique

revêtement

5


0 10 20 30

0 cm-12

-52

-1505 15 25 35 40 45 50

WS

+1°C

0°C

+1°C

0°C -1°C

10

0

-10

01020 80

40

30

0


fermeture rapide de l’isotherme 0° C causée par la chaleur latente de fusion des lentilles de glace

Température, gonflement et déflexion (exemple)poinçonnement de l’infrastructuret > tnon drainé

55 jours

isothermes

limon très gélif

fondation

température de lasurface de la route [°C]

gonflement [mm]déflexion [mm/100]

6

revêtement


************************ **************************

WS

–150

0 cm

60 40 20 0

0 +10–10–20 –15 +5–5


Succion (exemple)

température [° C]

succion [kPa]

1 jour

profondeur du gel

19 jours

36 jours

10 jours

19 jours 36 jours

1 jour

10 jours

fondation

limon très gélif

7

revêtement


0 1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

[mm]

FI = 550 H = 42m

FI = 416 H = 34m

FI = 176 H = 15m

FI = 311 H = 25m

FI = 244H = 30m

FI = 376 H = 29m

FI = 345 H = 27m


Influence de la vitesse du dégel sur la capacité portante

Déf

orm

atio

n pe

rman

ente

sous

la r

oue

aprè

s le

dég

el

Vitesse de dégonflement (fonte des lentilles de glace)[mm . jour -1]

Indice de gel [°C.jour]gonflement max. pendant le gel [mm]

Hm =

FI =

poinçonnement de l’infrastructure

8



Destruction d’une route par perte de portance au dégel (Hiver 1962-63)

9


Simple modélisation numérique


T S1= Te kn¶T¶n S2

= qSConditions aux limites :

Te = temp�rature de lÕenvironnement sur la surface S1

qS = flux thermique entrant sur la surface S2(flux thermique concentr�, convection, radiation solaire)

kn = conductivit� thermique normale � la surface

C ¶T¶ t

T = temp�raturek =f(T)= conductivit� thermiqueqB = chaleur g�n�r�e par unit� de

volumeC = capacit� thermique volumiquet = temps

=

La chaleur latente de fusion de la glace L est introduite par une relation speciale C = f(T) autour de 0° C.

Equation de Fourier :

10

¶¶

¶¶

¶¶

¶¶

¶¶

¶¶x

kTx y

kTy z

kTz

qx y zBæ

èöø+

æèç

öø÷ +

æè

öø= -

temp�raturede lÕair

- radiations solaires- convection- �vaporation- etc.


0 10 20 30

012

52

150

5 15 25 35 40 45

WS

cm

200

+1°C

0°C

-1°C

+1°C 0°C

-1°C

+1°C

k = 3.8 to 4.2 W.m-1.K-1

C = 1'800 to 2'400 kJ.m-3.K-1

L = 0

k = 1.8 to 2.2 W.m-1.K-1

C = 2'000 to 2'600 kJ.m-3.K-1

L = 31'000 kJ.m-3

k = 1.3 to 1.5 W.m-1.K-1

C = 2'200 to 2'400 kJ.m-3.K-1

L = 0

Resultats de la modélisation numérique

50 jours

limon très gélif

fondation

isothermes mesurés

isothermes MEF

température de la surface de la route: voir transp. 6


11

revêtement


–15°C

400 ~ 2500

–2°C

Laves torrentielles dans les pergélisols alpins soumis au réchauffement du climat

ligne d’équilibre des glaciers

zone d’ablation

Rimaye

température moyenne annuelle

isotherme –2°Cmoraine

glaciers

température annuelle de l’air

précipitations annuelles moyennes [mm]

limite inférieuredu pergélisol

Selon W.Haeberli, 1983

ligne d’équilibre des

Limites des pergélisols alpinsAltitude

Climatmaritime:précipitations importantes

continental:faibles précipitations

ligne d’équilibre des glaciers

limite des arbres

pergélisol alpin

zone d’-accumulation

glacier

rocher

zone d’accumulation

des glacierspergélisol

alpinpergélisol

alpin

pergélisol alpinlimite inférieure

du pergélisol

12


250

200

150

100

50

550 600 650 700 750 800 850

2300

2500

2400

2550

2650

25502600

2650

2500

2500 2600

Pergélisols alpins en Suisse


13Adapté de D. Barsch

2500altitude minimale des pergélisols sur lesversants NE à NW

Zone des températures annuelle moyenne < 0°C

Zone des températures annuelle moyenne < -5°C

Selon des observations récentes, on peut trouver des pergélisols à des altitudes inférieures à celles données par D. Barsch


10

20

30

40

50

– 3.0 – 2.0 – 1.0 0.0 1.03.5 m

01.0 1.4 1.8 2.2

22 m

Température et glace dans les pergélisols alpins

Température [°C]

Pro

fond

eur

[m]

environ2660 m.a.s.l

Masse volumique[t .m-3]

couche active

pergélisolenv. 50 m

Murtèl - Corvatschforage 2 / 1987

bloc

sgl

ace

sabl

e ge

lé

Adapté deD. Vonder Mühll,1993

bloc

s ge

lés

roch

er

31 juil. 88

3 nov. 873 fév. 883 mai 88

average

Laves torrentielles dans les pergélisols alpins soumis auréchauffement du climat

14


Laves torrentielles provenant de la fonted’un pergélisol alpin: Moraine du glacier du Dolent pendant la débâcle, 10.07.1990


15


Laves torrentielles provenant de la fonted’un pergélisol alpin.Partie supérieure: niche d’arrachement, env. 2700 m.s.m


16


Laves torrentielles provenant de la fonted’un pergélisol alpin.Partie inférieure, env. 1600 m.s.m


17


Modélisation numérique

Equation et conditions aux limites : les mêmes que pour la route

Problème des conditions aux limites:températures de la surface du sol

• Doivent être connues pendant 500 à 1000 ans

• Deux solutions:• Faire différentes hypothèses pour la température sous la

couche de neige (BTS) en automne, hiver et printemps, et pour la température de la surface en été, notamment en considérant l’effet de la radiation solaire.

• Utiliser la température de l’air et introduire les effets de la couche de neige, de la radiation solaire et de la convection.


18



19

Coupe

et plan

Gacier duDolent 1990

2667

270

0

0 100 200 mBivouac

2400

Coupe

250

0

2700

2600

2500

2400100 200 300 400 500 600 700 800 900 m

1990 1880

2600

moraine

zone rupture

suintement d’eau chargée de limon 10 jours avant la débâcle


1300 1500 19001700

2580

10 20 30

2650

2600

2620

2640 Moraine (0 - 5 m.):k = 2.5 W.m-1.K-1

C = 2500 kJ.m-3.K-1

L = 50 000 kJ.m-3

Moraine:k = 2.5 W.m-1.K-1

C = 2500 kJ.m-3.K-1

L = 125 000 kJ.m-3

40 50 60 70 80 1990

-0.5

0.0

0.5

1.5

1.0

0.07 W.m-2

0-4-8

+4+8

1900

0.500.25-0.25

-0.50

0.25

0.50

0.00

k = 3.5 W.m-1.K-1

C = 2100 kJ.m-3.K-1

L = 0

g

Résultats de la modélisation numérique

surface du sol

m.s.m

réseau 1D,72 noeuds

(1) Hiver et printemps: Températures sous la couche de neige (BTS)

Dt = 1/4 mois

sous un glacier

Dt = 1 an

Laves torrentielles (calcul)

Dt = 2 ans

moyenne annuelleTempérature dela surface du sol

(1) [°C]

réseau 2D,492 noeuds

flux géothermique

réseauMEF

2000 mde prof. Rocher:

isothermes [°C]

années


20

t > tnon drainé


Conclusion

• L’utilisation de connaissances bien établies d’un do-maine scientifique ou technique peut expliquer desphénomènes qui sont encore mal connus dans d’au-tres domaines.

• Un très classique modèle numérique peut expliquerl’activation de laves torrentielles dans les pergélisolsalpins soumis au réchauffement du climat. La ferme-ture rapide de l’isotherme 0 ° C, qui est due à la chaleurlatente de fusion de la glace, est la clé de cette expli-cation.

• Cependant, dans cette analyse, la détermination de latempérature de la surface du sol (l’input) est difficile àrésoudre.

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Aoste - Mt. Emilius

Merci pour votre attention

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Documents

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