SÉMINAIRE DE MAÎTRISE - Université Laval · Simulateur Vitesse max = 6km/h Tps de passage = 1,5...
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Effets des changements climatiques sur la performance à long terme des chaussées flexibles au Québec
Présenté par
Papa Masseck Thiam
Sous la direction de
Guy Doré : Directeur de recherche
Jean-Pascal Bilodeau : Co-directeur de recherche
SÉMINAIRE DE MAÎTRISE
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Plan de présentation
o Mise en contexte
o Description et objectif du projet
o Méthodologie et résultat des essais
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
o Conclusion
Mise en contexte
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Mise en contexte (1)
o Évolution du climat:o Naturelle à Anthropique
o Augmentation des GES
o Manifestation des CC:o Fonte massive des neiges et océans
o des températures moyennes
o des précipitations
(GIEC, 2007)
(GIEC, 2007)
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Mise en contexte (2)
o Plusieurs impacts des de précipitations sur l’environnement bâti dont:
o Et la performance à long terme des routes au Québec?
Sol d’infrastructure
Sous fondationfondation
Enrobé
Ornière structurale de l’infra = Endommagement à long termeCapacité portante Mr et εp = f (teneur en eau)
εp
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Mise en contexte(3)
Concept de Mr
Module rigidité du sol Nbre d’application de charge
Relation Mr vs W
Concept de εp
Caractérise performance à long terme et ornièrage structural
Relation εp vs W
(Lekarp et al., 2000)
(Lekarp et al., 2000)(Lebeau, 2006)
Mécanisme d’Endommagement
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Mise en contexte(4)
Quantifier la réduction de la performance à long terme des chaussées causée par les futures de Précipitation sur un horizon
défini
Conclusion revue littéraire
-Performance à long terme chaussée dictéepar ornièrage structural de l’infrastructure
-Critère de performance: N= f(Mr) et εp
-Mr et εp dépendent de la teneur en eau du sol(accéleration de l’endommagement)
-Lien entre futures de Précipitation et Wdans les sols?
Objectif du projet
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Plan de présentation
o Mise en contexte
o Description du projet
o Méthodologie et résultat des essais
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
o Conclusion
o Description du projet
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Description du projet(1)
(MTQ, 2012)
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Description du projet(2)
ΔW vs MrP vs ΔW Scénarios précipitation
Étape 1 Étape 2 Étape 3 Étape 4
Endommagement par εp relatif (simulateur)
Nbre d’application de
charges (N) relatif (triaxial)
Endommagement par εp relatif
(triaxial)
ΔW vs εp
(Triaxial)
ΔW vs εp(Simulateur)
3 zones
Horizon futur: 2010-2039
Horizon de référence: 1971-2000
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Plan de présentation
o Mise en contexte
o Description et objectif du projet
o Méthodologie et résultat des essais
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
o Conclusion
o Méthodologie et résultat des essais
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Méthodologie et résultats(1)
Description de sols utilisés et sources
o 4 sols caractéristiques du contexte géologique du Québec
Parc des Laurentides, Qc
Saint-Alban, QC
Ste-Catherine-de-la-Jacques-Cartier, Qc
St-Augustin, Qc
o Till SM
o Sable SP
o Argile CH
o Argile CL
o Till SM
o Sable SP
o Argile CH
o Argile CL
(SM)
(CL)
(SP)
(CH)
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Méthodologie et résultats(2)
Étape 1: Relation P vs W
o Chaussées instrumentées pour acquisition de données de W
o P des stations respectives utilisées
o Diversification des sols (argile, sable, MG) dans leur type et provenance
o Rapport imminent W= f(P)
Ex: Données sur argile (source: Hwy 520, Manitoba)
0
2
4
6
8
10
12
0
10
20
30
40
50
60
juin-03 janv.-04 août-04 févr.-05 sept.-05 mars-06 Pré
cip
itat
ion
mo
yen
ne
s m
en
sue
lles
(mm
)
Ten
eu
r e
n e
au v
olu
mé
triq
ue
(%
)
Périodes mensuelles
PrecipitationmensuellesW à 0,6m deprofondeurWà 0,8 m deprofondeurW à 1m deprofondeurW à 1,2m deprofondeurW à 1,4 mProfondeurW à 1,6 m deprofondeur
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 2 4 6 8 10 12
ΔW
(vo
mu
létr
iqu
es
en
%)
Précipitations moyennes mensuelles (mm)
Argile Manitoba à -0,6m
Argile (Manitoba) à -0,8m
Argile Manitoba à -1m
Sable Saint Celestin
SERUL
Périodes entre Mars et Novembre
∆W(%)=0,9227P-0,1092
Corrélation:∆W.(à P=X)= W(à P=x+1) – k
où k = faible précipitation sur longue période
o Faible corrélation mais tendance à la hausse
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Méthodologie et résultats(3)
Étape 2: Essai de Module réversible sur les 4 sols (méthodologie)
o Permet de mesurer rigidité du sol (lien Mr vs W)
o Effectué conformément à la norme de l’AASHTO T307-99
o Deux condition environnementales: État Optimal et Saturé
o Échantillons de dimensions 150mm x 300mm
o 3 paliers de confinement des échantillons
Différentes étapes de l’essai
(1) (2) (4)(3) (5)
Équipements utilisés
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Méthodologie et résultats(4)
Étape 2: Essai de Module réversible sur les 4 sols (Résultats)
o Till SM
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 20 40 60 80
Mr
(MP
a)
σd (kPa)
σ3= 41,47 kPa état optiumσ3=41,47 kPa État Saturé
σ3=27,68 kPa État Optimumσ3=27,68 kPa État Saturé
σ3=13,82 kPa État optimumσ3=13,82 kPa État Saturé
Modèle de prédiction de Mr (suggéré par le MEPDG)
SolsK1 opt (Uzan) K2 Opt (Uzan) K3 opt (Uzan) θopt σd opt Ks W opt volumetrique R2 modèle Uzan
- - - MPa MPa - % État OptimumTill SM 1,37 1,17 -0,64
-
-1,20 0,11 0,95Sable SP 1,08 0,87 -0,38 -0,79 0,16 0,97Argile CL 2,16 0,10 -0,37 -10,55 0,23 0,97Argile CH 3,81 0,07 -0,41 -7,92 0,28 0,89
Mr = K1opt (Uzan)
Paθ
Pa
K2 opt (Uzan ) σ d
Pa
K3opt (Uzan )
× 10Ks W −Wopt( )
Mr (Uzan) à l’optimum
K1, K2, K3, Ks : Paramètres de régression du modèle
Mr = K1Pa
θ
Pa
K2 σ d
Pa
K3
Modèle de Uzan (1985):
Modèle initial MEPDG: Mr = 10Ks W −Wopt( )
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 200 400 600 800
Mr
Cal
culé
(M
Pa)
Mr mesuré (MPa)
Mr mesuré vs MrCalculé à l'étatsaturé
Mr mesuré vs Mrcalculé à l'étatOptimum
Illustration fiabilité du modèle (Till SM)
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Méthodologie et résultats(5)
Étape 2: Essai de déformation permanente sur les 4 sols (méthodologie)
o Permet de décrire le comportement en déformation permanente (Lien εp v W)
o Deux condition environnementales: État Optimal et Saturé
o Échantillons de dimensions 100mm x 200mm
o σd= 20kPa et σ3= 15kPa (simulation sur Winjuléa)
o 50000 cycles par palier environnemental
o Chargement de type Haversine (200ms de chargement et 800ms de repos
Différentes étapes de l’essai
(1) (2) (3) (4) (5)
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Méthodologie et résultats(6)
Étape 2: Essai déformation permanente sur les 4 sols (Résultats)
0
5000
10000
15000
20000
25000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
εp (
Mic
ro d
efo
rmat
ion
) fo
r C
H,S
M, S
P, C
L
Cycle N
Argile CH
Till SM
Sable SP
Argile CL
Légende des axes:Gauche: CH,SM, SPDroite: CL
État optimal État saturé
Analyse des résultats de l’essai
Utilisation du modèle de Dresden : ε p = AN
1000
B
B: taux de εpA: Déformation à 1000 cyclesN: Nbre de cycle
Lien entre B et W pour chaque sol
o B à 50000 cycles par condition environnementaleo Relation linéaire en fonction de la W
Type de sol Argile CL Argile CH Till SM Sable SP
W volumétriqueOptimum Saturé Optimum Saturé Optimum Saturé Optimum Saturé
28,84% 34,43% 25,06% 43,25% 13,32% 19,75% 17,18% 35,08%
Corrélation 0,99 0,98 0,99 0,90 0,99 0,97 0,99 0,99
Paramètre A 694,6 18146,0 405,8 2276,4 932,7 218,4 1150,1 366,6
Paramètre B 0,17 0,03 0,17 0,14 0,06 0,11 0,06 0,32
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Méthodologie et résultats(7)
Étape 2: Essai au simulateur de charge routier (Description)
o Décrit le comportement en déformation permanente (Lien εp v W) (validation de l’essai triaxial)
o Simule à petite echelle le comportement de chaussée (rotation de σ) (sol d’infrastructure)
o Validation de l’essai de déformation permanente
o L=2,75m, l=1,25m, h=2,5m
Simulateur Vitesse max = 6km/h
Tps de passage = 1,5 s
Confection d’échantillon et instrumentation
(Juneau et pierre, 2008)
Infra: 185 mm
SF: 185 mm
F: 140 mm
EB: 50mm: Prise de mesure
Cycle
1 0
2 50
3 100
4 200
5 350
6 500
7 1000
8 2000
9 3500
10 5000
11 10000
12 20000
13 30000
14 40000
15 50000
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Méthodologie et résultats(8)
Étape 2: Essai au simulateur de charge routier (Méthodologie)
o Deux condition environnementales: État Optimal et Saturé
o Pression dans le ballon= 25 PSI et pression dans le pneu=80 PSI (simulation sur Winjuléa)
o 50000 cycles par palier environnemental
o Réalisation sur Till SM et argile CL
Différentes étapes de l’essai
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
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Méthodologie et résultats(9)
Étape 2: Essai déformation permanente sur les 4 sols (Résultats)
Analyse des résultats de l’essai
Utilisation du modèle de Dresden : ε p = AN
1000
B
B: taux de εpA: Déformation à 1000 cyclesN: Nbre de cycle
Lien entre B et W pour chaque sol
o B à 50000 cycles par condition environnementaleo Relation linéaire en fonction de la W
0,0%
0,5%
1,0%
1,5%
2,0%
2,5%
3,0%
3,5%
4,0%
4,5%
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
Dé
form
atio
n p
erm
ane
nte
(%
)
Cycle N
Argile CL Étatoptimum et saturé
Till SM étatoptimum et saturé
État optimum État Saturé
Type de sol Argile CL Till SM
W Volumétrique (%)
Optimum Saturé Optimum Saturé
29,0% 36,7% 13,4% 26,7%
Correlation 0,92 0,84 0,92 0,97
Paramètre A 0,0016 0,0037 0,0037 0,0021
Paramètre B 0,5885 0,6491 0,1891 0,4118
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Plan de présentation
o Mise en contexte
o Description et objectif du projet
o Méthodologie et résultat des essais
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
o Conclusion
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
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Analyse des résultats et loi d’endommagement(1)
Moyennes de précipitations actuelles
(MTQ, 2012)
Région d’étudeo Référence des scénarios climatiques
o Moyennes effectuées sur 30 ans
o Période de référence de 1971 à 2000
o 3 zones étudiées entre Mars et Novembre
Zone 1 85,4 mm
Zone 2 74,3 mm
Zone 3 72,7 mm
Zone 1
Zone 2
Zone 3
85,4 mm72,7 mm
74,3 mm
Ptotal=232,4mm
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Analyse des résultats et loi d’endommagement(2)
(MTQ, 2012)
Moyennes de précipitations futures
o Établis par Ouranos (2012)
o Périodes future d’analyse : 2010- 2039 (référence de 1971-2000)
o 3 zones étudiées entre Mars et Novembre
o 10 scénarios de MRCC effectués
o 2 scénarios retenus : un scénario optimiste et un scénario pessimiste d’ de Précipitations pour chaque zone
Optimiste
Pessimiste
Zone 1 6,39% 0,67%
Zone 2 7,40% -0,10%
Zone 3 8,45% 2,17%
Zone 1
Zone 2
Zone 3
0,67%
2,17%
-0,10%
Total: 2,74 % Pessimiste
zone 1
zone 2
zone 3
6,39%
7,40%
8,45%
Total: 22,24 %
Optimiste
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Analyse des résultats et loi d’endommagement(3)
Résumé des scénarios de d’augmentation de précipitation
Période de référence (1971-2000)
Zone 1
Zone 2
Zone 3
85,4 mm72,7 mm
74,3 mm
Ptotal=232,4mm
Période future (2010-2039)
Scénario optimiste
Scénario pessimiste
90,905
79,757
78,863
Optimiste: Total = 249,5 mm
Zone 1
Zone 2
Zone 3
86,023
74,187
74,293
Pessimiste: total= 234,4 mm
Zone 1
Zone 2
Zone 3
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Analyse des résultats et loi d’endommagement(4)
Analyse du dommage
Deux paramètres: N (essai triaxial de Mr) et B (Essai triaxial εp et essai simulateur εp )
N (ECAS): Nbre de charges axiales admissibles dans la chaussée
o Loi d’endommagement de l’Asphalt Instituteo εz : déformation au dessus de l’infra (fonction de Mr)o εz :obtenu par simulation Winjuléa
o Pour chaussée nationale et charge standard
B: Taux de déformation permanente o Modèle de Dresden
N = 106 ε z
482
−4,48
Durée de vie relative entre horizon futur et référence
N futur
N référence
(essai M r)
BRéférence
B futur
(essai triaxial)
BRéférence
B futur
(essai sim ulateur)
Démarches de l’analyse du Dommage
P vs ∆W
∆W vs Mr(triaxial)
∆W vs B (triaxial et
simulateur)
Scénario ∆P
B
NLoi d’endommagement
Modèle de Dresden
P
∆W
∆W
![Page 25: SÉMINAIRE DE MAÎTRISE - Université Laval · Simulateur Vitesse max = 6km/h Tps de passage = 1,5 s Confection d’échantillon et instrumentation (Juneau et pierre, 2008) Infra:](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060417/5f14ee7b1e777a4c9c3082b3/html5/thumbnails/25.jpg)
o zone 1 (Endommagement relatif)
Analyse des résultats et loi d’endommagement(5)
73,4%
93,6% 93,8%
80,68%
92,91%
76,09%
89,49%96,13%
72,25%
108,14%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 1: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=85,5 mmP 2010-2039 =90,9 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
96,72% 99,29% 99,31%97,72% 99,20%97,12% 98,78% 99,58%96,61%100,80%
0%
50%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 1: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=85,5 mmP2010-2039 =86,0 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
![Page 26: SÉMINAIRE DE MAÎTRISE - Université Laval · Simulateur Vitesse max = 6km/h Tps de passage = 1,5 s Confection d’échantillon et instrumentation (Juneau et pierre, 2008) Infra:](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060417/5f14ee7b1e777a4c9c3082b3/html5/thumbnails/26.jpg)
o Zone 2 (endommagement relatif)
Analyse des résultats et loi d’endommagement(6)
71,11%
92,63% 92,90%
79,39%
91,65%
74,83%
86,52%
95,76%
71,24%
92,96%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 2: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=74,3 mmP2010-2039 =79,8 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
100,72% 100,11% 100,11%100,32% 100,13%100,41% 100,22% 100,06%100,47% 100,10%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 2: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=74,3 mmP 2010-2039 =74,2 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
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o Zone 3 (endommagement relatif)
Analyse des résultats et loi d’endommagement(7)
67,85%
91,66% 91,97%
77,16%
90,53%
72,42%
84,59%
95,23%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 3: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=72,7 mm P 2010-2039 =78,9 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
90,34%
97,72% 97,81%93,47%
97,39%91,90%
95,54%98,73%
90,66%
97,83%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Mr (N futur/N actuel) Def. Perm (B actuel/Bfutur) Simulateur (B actuel/Bfutur)
Du
rée
de
vie
re
lati
ve (
%)
Zone 3: (Scénario Optimiste de ΔP)
P1971-2000=72,7 mm P2010-2039 =74,3 mm
Till SM
Sable SP
Argile CL
Argile CH
![Page 28: SÉMINAIRE DE MAÎTRISE - Université Laval · Simulateur Vitesse max = 6km/h Tps de passage = 1,5 s Confection d’échantillon et instrumentation (Juneau et pierre, 2008) Infra:](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060417/5f14ee7b1e777a4c9c3082b3/html5/thumbnails/28.jpg)
Plan de présentation
o Mise en contexte
o Description et objectif du projet
o Méthodologie et résultat des essais
o Analyse des résultats et loi d’endommagement
o Conclusiono Conclusion
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Conclusion(1)
des précipitations mensuelles entre -0,10% et 8,45% sur un horizon de 2010-2039o Pour des scénarios optimiste et pessimiste
Objectif: Quantifier réduction de vie utile causée par ces augmentationso Lien P vs ∆W et ∆W vs Prop. Mécaniques(Mr, εp)
Endommagement, caractérisé par N (fonction de Mr) et εp, avec expérimentationo
Résultats obtenus dans les 3 trois zones de la région d’étude
N futur
Nréférence
(essai Mr) BRéférence
B futur
(essai triaxial) BRéférence
B futur
(essai simulateur)
Till SM Sable SP Argile CL Argile CH
Nfutur/Nactuel
(Triaxial)67,9%-100,7%
77,2%-100,3%
74,4%-91,9%68,4%-100,5%
Bactuel/Bfutur
(triaxial)91,7%-100,1%
90,5%-100,1%
84,6%-100,2%
92,9%-100,1%
Bactuel/Bfutur
(simulateur)91,9%-100,1%
-95,2%-100,1%
-
![Page 30: SÉMINAIRE DE MAÎTRISE - Université Laval · Simulateur Vitesse max = 6km/h Tps de passage = 1,5 s Confection d’échantillon et instrumentation (Juneau et pierre, 2008) Infra:](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060417/5f14ee7b1e777a4c9c3082b3/html5/thumbnails/30.jpg)
Conclusion(2)
Quelques incertitudes!
o Améliorations futures
1. Corrélation et données pour Relation P vs ΔW
2. Modèle linéaire de εp
3. Incertitude dans les scénarios climatiques1. Horizon utilisé
2. Nombre de scénarios
3. Périodes mensuelles dans l’année
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Au
gme
nta
tio
n d
es
pré
cip
itat
ion
s (%
)
deltas moyens de précipitation, de Mars à Novembre, 1971-90 vs 2046-65
zone 1 zone2 zone 3
acuagr
afx
agr agx
adc
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Conclusion(3)
o Solutions tangibles
o Utilisation de matériaux moins sensibles à l’eau
o L’adaptation de meilleurs systèmes de drainage
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Remerciements
o Guy Doréo Jean-Pascal Bilodeauo Pierre Perrono Marie France Sotilleo Christian Juneauo André Lapierreo Jolyo Rayelleo Mes parentso Tous les partenaires de la chaireo Tous ce que j’aurais oublié (et qui me pardonneront)
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QUESTIONS