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Développement d’un caro2er pour la caractérisa5on in situ du pergélisol

Consolida5on de fonte

Cédric Flécheux – Guy Doré – Louis Gosselin Séminaire de Maitrise – 20 mars 2014

2

Sommaire

1. Introduc5on

2. L’existant

3. Probléma5que

4. Objec5fs du projet

5. Prototype

6. Tests en laboratoires

7. Améliora5ons

8. Conclusion

3

•  Pergélisol : sol dont la température reste inférieure à 0°C pendant au moins deux ans consécu5fs

Introduction Problématique Existant Prototype Tests Améliorations Conclusion Objectifs

90-‐100% 50-‐90% 10-‐50% 0-‐10%

Photo Don Hayley, 2013

Définition du pergélisol

Dans un scénario de fonte du pergélisol •  Quelle sera la hauteur de tassement ?

•  En combien de temps ?

Fonte du pergélisol riche en glace

Tassements saisonniers

Instabilité

Entre5en

Sécurité

Et/ou


Les enjeux

4

2. L’existant

5


Carottage par rotation Ro

ta5o

n

Tarière Forage à sec

Diamant Fluide de forage réfrigéré

Parois fines (type caro2er béton) Forage à sec

6

0%

20%

40%

60%

80% 0 20 40 60 80 100 120

Déform

a(on

ΔH/

H

σ (kPa)

•  Vitesse de consolida5on


9

9,5

10

10,5

11

11,5

0 250 500 750 1000 1250 1500

Déplacem

ent (mm)

t (minutes)

Entre deux chargement

•  Comportement sous charge 1.  Drainage de l’eau en excès 2.  Diminu5on du volume d’eau

contenu dans les pores du sol

La consolidation par paliers de chargement

1

2

7

Adapté de Nixon (1973)

2. Problématique

8

Transport des échan5llons gelés du site au laboratoire

Couteux


1) Echan5llonnage de sol gelé +

2) Main5en des échan5llons gelés pendant le transport

Complexe

Long

9

4. Objectif du projet

10

Développer un caro2er capable de réaliser les essais de consolida5on de fonte, in situ


11

Equipement de forage

•  Foreuse légère de type Minuteman •  Forage à sec

Essai de consolida5on

•  Tassement de fonte sous une charge donnée •  Rapide

Carohage •  Sols riches en glace •  Profondeur de travail aheinte par tubage

Aspect pra5que •  Facilité d’entre5en


12

Contraintes

5. Prototype

13


Principe d’utilisation

Carohage Essai

Tubage

14


Présentation carottier

Lecture déplacement Tête Par5e consolida5on Logement vérin

Sciage et découpe par copeaux

Vernier

Tige du vérin

Connexions électriques, pneuma5que et évacua5on eau drainée

15


Filtre en inox poreux

Tube d’étanchéité

Elément chauffant électrique

Présentation carottier

Dint = 30 mm

Dext = 76 mm

1,3 m

16

Chargement

6. Tests en laboratoire

17

Foreuse Minuteman


Montage expérimental

Silt Sable Epaisseur moyenne

len5lles glace 4,6 cm 2,2 cm

Epaisseur moyenne couches de sol 7,4 cm 4,3 cm

% glace en excès 40% 33 %

Cons(tu(on des barils Plateforme

Baril de sol

18

63 forages

35 forages glace

6 essais Consolida5on de glace

1 test de fuite

5 essais avec suivi f(t) du tassement

17 forages Silt (Si)

6 essais Fonte avant chargement Chargement de 168 kPa

2 essais rejetés

4 essais retenus

11 forages Sable (Sa)

11 essais Fonte sous contrainte Paliers de chargement

Tous les essais sont retenus


Ensemble des forages réalisés

Série 2

Série 1

19


Protocole série 1

Rappel de l’objec5f : •  Obtenir le tassement de fonte pour une charge donnée

Carohage

Fonte de l’échan5llon (20-‐40 min)

Chargement de 168 kPa

20

Protocole 1 :

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25 30 35

Déplacem

ent (mm)

t (min)

Palier de consolida(on unique – fonte avant applica(on de la contrainte

(Si-‐2) 102

(Si-‐3) 156

(Si-‐4) 183

(Si-‐5) 185


Résultats de la série 1

21

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5

Déplacem

ent (mm)

t0,465 (min)0,465

Chargement de 450 kPa après fonte

(Si-‐2) 102

(Si-‐3) 156

(Si-‐4) 183

(Si-‐5) 185

Glace

1

2

•  Phase 1 : drainage de l’eau en excès

•  Phase 2 : consolida5on •  Phase 3 : durée trop faible

Pour drainage radial : déplacement en fonc5on du temps0,465 (McKinley,1961)


Analyse série 1

22

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6

Déplacem

ent (mm)

t0,465 (min)0,465

Intersec(on des tangentes : exemple sur Si-‐4

𝑅↑2 >0,98

Tassement dû au drainage de l’eau en excès


Analyse série 1

23

0%

20%

40%

60%

80% 1 10 100 1000

Déform

a(on

ΔH/

H

σ (kPa)


Série 2

Compression : pente = Ccε

24

Après les résultats obtenus, l’objec5f a été modifié : •  Obtenir le tassement de fonte pour une plage de chargement donné

Adapté de Nixon (1973)


Protocole série 2

Evalua5on frohements Piston/filtre à vide

Carohage

Fonte de l’échan5llon sous charge

Paliers de chargements

25

(Connaitre la contrainte appliquée à l’échan5llon)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80% 10 100 1000

Déform

a(on

ΔH/

H

σ (kPa)

Chargements par paliers

(Sa-‐1) 186

(Sa-‐2) 185

(Sa-‐3) 185

(Sa-‐4) 186

(Sa-‐5) 188

(Sa-‐6) 189

(Sa-‐7) 187

(Sa-‐8) 189

(Sa-‐9) 189

(Sa-‐10) 189

(Sa-‐11) 189


Résultats série 2

37%

26

Tassement eau en excès ahendu

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80% 10 100 1000

Déform

a(on

ΔH/

H

σ (kPa)

Chargements par paliers

(Sa-‐9) 189


Résultats série 2

27

37%

0% 20% 40% 60% 80%

1 10 100 1000

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80% 10 100 1000

Déform

a(on

ΔH/

H

σ (kPa)

Chargements par paliers -‐ Seuil à σfroUements

(Sa-‐1) 186 (Sa-‐2) 185 (Sa-‐3) 185 (Sa-‐4) 186 (Sa-‐5) 188 (Sa-‐6) 189 (Sa-‐7) 187 (Sa-‐8) 189 (Sa-‐9) 189 (Sa-‐10) 189 (Sa-‐11) 189


Analyse série 2

Δ 15%

70 -‐ 170 kPa

28

37%

¯ˉ𝐶↓𝑐𝜀  =0,19 𝜎↓2 =0,10 𝑒↓0 ~0,64 ¯ˉ𝐶↓𝑐  =0,31

¯ˉ𝐶↓𝑐𝜀  =0,15 𝜎↓3 =0,04 𝑒↓0 ~0,64 ¯ˉ𝐶↓𝑐  =0,25

Aller plus loin : sans S-‐6 et S-‐8

Généralement pour les sables 𝐶↓𝑐 <0,1


Analyse série 2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Ccε

Indice de compression modifié

29


Synthèse

Tassement dû au drainage de l’eau en excès •  Série 1 : +/-‐ 10% d’erreur rela5ve •  Série 2 : Non évalué (frohements)

Vitesse de consolida5on •  Série 1 : enregistrement trop court •  Série 2 : drainage trop rapide Indice de compression modifié Ccε (série 2) •  Semble sures5mé : valida5on des résultats par essais œdométrique

standard •  Influence des frohements : limite la plage de chargement obtenue

30

7. Evolution du carottier

31

Frohements •  Travailler à la réduc5on des frohements : nouveau filtre •  Capteur de pression sur le sol (composante frohement indépendante)

Déplacement du vérin •  Système d’acquisi5on con5nue plus pra5que qu’une lecture directe

Encrassement du filtre •  Nehoyage régulier du filtre ou système de circula5on d’eau inverse


32

8. Conclusion

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Travail réalisé •  Fabrica5on d’un prototype u5lisable en laboratoire •  Tests de ce prototype sur deux types de sols Performances du caro2er : essais de consolida5on •  Evalua5on du tassement de fonte pour un chargement donné •  Es5ma5on du Ccε •  Vitesse de consolida5on : envisageable Améliora5ons •  Ges5on du frohement •  Lecture du déplacement •  Rou5ne de nehoyage


Développer un caro2er capable de réaliser les essais de laboratoire de consolida5on de fonte, in situ

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Merci à nos partenaires et collaborateurs

www.arquluk.gci.ulaval.ca

Documents

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