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Développement d’un carottier pour la caractérisation in situ du pergélisol

Consolidation de fonte

Cédric Flécheux – Guy Doré – Louis GosselinSéminaire de Maitrise – 20 mars 2014

2

Sommaire

1. Introduction

2. L’existant

3. Problématique

4. Objectifs du projet

5. Prototype

6. Tests en laboratoires

7. Améliorations

8. Conclusion

3

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

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

90‐100%50‐90%10‐50%0‐10%

Photo Simon Dumais, 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

Entretien

Sécurité

Et/ou

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Les enjeux

Photo Loriane Perier, 2013

Photo Chantal Lemieux, 2013

4

2. L’existant

5

Battage Enfoncement d’un tube dans le sol par percussion

RotationAvancement par 

découpe/fracturation/abrasion du sol

Roto‐percussion Combinaison du battage et de la rotation

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Méthodes de carottage

6

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Carottage par rotationRo

tatio

n

Tarière Forage à sec

Diamant Fluide de forage réfrigéré

Parois fines (type carottier béton) Forage à sec

Lames

Tarière double

7

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Carottage par rotationRo

tatio

n

Tarière Forage à sec

Diamant Fluide de forage réfrigéré

Parois fines (type carottier béton) Forage à sec Pivôt

Tube intérieur

Tube extérieur

8

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Carottage par rotationRo

tatio

n

Tarière Forage à sec

Diamant Fluide de forage réfrigéré

Parois fines (type carottier béton) Forage à sec

Direct industry

9

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Mécanisme de la consolidation

Sol + eau dans les pores du sol

Eau

Sol

Eau en excès

1 2

1. Drainage de l’eau en excès

Pierres poreusesBague fixe

Echantillon

Chargement

10

2. Diminution du volume d’eau contenu dans les pores du sol

0%

20%

40%

60%

80%0 20 40 60 80 100 120

Déformation ΔH

/H

σ (kPa)

• Vitesse de consolidation

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

9

9,5

10

10,5

11

11,5

0 500 1000 1500

Dép

lacemen

t (mm)

t (minutes)

Entre deux chargement

• Comportement sous charge1. Drainage de l’eau en excès2. Diminution du volume d’eau 

contenu dans les pores du sol

La consolidation par paliers de chargement

1

2

11

Adapté de Nixon (1973)

2. Problématique

12

Transport des échantillons gelés du site au laboratoire

Couteux

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

1) Echantillonnage de sol gelé+

2) Maintien des échantillons gelés pendant le transport

Complexe

Chronophage

13

4. Objectif du projet

14

Développer un carottier capable de réaliser les essais de laboratoire de consolidation de fonte, in situ

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

15

Equipement de forage

• Foreuse légère de type Minuteman• Forage à sec

Essai de consolidation

• Tassement de fonte sous une charge donnée• Rapide

Carottage• Sols riches en glace• Profondeur de travail atteinte par tubage 

(max 2m)

Aspect pratique • Facilité d’entretien 

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

16

Contraintes

5. Prototype

17

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Principe d’utilisation

CarottageEssai

Tubage

18

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Présentation carottier

Lecture déplacementTête Partie consolidation Logement vérin

Sciage et découpe par copeaux

Vernier

Tige du vérin

Connexions électriques, pneumatique et évacuation eau drainée

19

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Filtre en inox poreux

Tube d’étanchéité

Elément chauffant électrique

Présentation carottier

Dint = 30 mm

Dext = 76 mm

1,3 m

20

Chargement

6. Tests en laboratoire

21

Foreuse Minuteman

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Montage expérimental

Silt SableEpaisseur moyenne 

lentilles glace 4,6 cm 2,2 cm

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

% glace en excès 40% 33 %

Constitution des barilsPlateforme

Baril de sol

22

63 forages

35 forages glace

6 essaisConsolidation de glace

1 test de fuite

5 essais avec suivi f(t) du tassement

17 forages Silt (Si)

6 essais Fonte avant chargementChargement de 168 kPa

2 essais rejetés

4 essais retenus

11 foragesSable (Sa)

11 essais Fonte sous contraintePaliers de chargement

Tous les essais sont retenus

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Ensemble des forages réalisés

Série 2

Série 1

23

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Protocole série 1

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

Carottage

Fonte de l’échantillon (20‐40 min)

Chargement de 168 kPa

24

Protocole 1 : 

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25 30 35

Dép

lacemen

t (mm)

t (min)

Palier de consolidation unique – fonte avant application de la contrainte 

(Si‐2) 102

(Si‐3) 156

(Si‐4) 183

(Si‐5) 185

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Résultats de la série 1

25

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5

Dép

lacemen

t (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 : consolidation• Phase 3 : durée trop faible

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

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Analyse série 1

26

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6

Dép

lacemen

t (mm)

t0,465 (min)0,465

Intersection des tangentes : exemple sur Si‐4

0,98

Tassement dû au drainage de l’eau en excès

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Analyse série 1

27

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

‐20%

‐10%

0%

10%

20%

(Si‐2) 102 (Si‐3) 156 (Si‐4) 183 (Si‐5) 185

Erreur re

lativ

e et in

certitu

deEvaluation du tassement initial vs théorie

Analyse série 1

28

é é

é

0%

20%

40%

60%

80%1 10 100 1000

Déformation ΔH

/H

σ (kPa)

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Série 2

Compression : pente = Ccε

29

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

Adapté de Nixon (1973)

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Protocole série 2

Evaluation frottements Piston/filtre à vide

Carottage

Fonte de l’échantillon sous charge

Paliers de chargements

30

(Connaitre la contrainte appliquée à l’échantillon)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%10 100 1000

Déformation 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

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Résultats série 2

37%

31

Tassement eau en excèsattendu

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%10 100 1000

Déformation ΔH

/H

σ (kPa)

Chargements par paliers

(Sa‐9) 189

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Résultats série 2

32

37%

0%20%40%60%80%

1 10 100 1000

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80

Dép

lacemen

t (mm)

t (min)

(Sa‐7) 187

p1 : 56kPap2 : 93kPap3 : 130kPap4 : 186kPa

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Analyse série 2

• Grande influence du frottement sur le premier palier• Hypothèse : plus le chargement est faible, plus les frottements ont une 

influence sur la contrainte appliquée au sol

Critère d’élimination des points : 1x valeur des frottements à vide

70mm (37%)

33

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15

Dép

lacemen

t (mm)

t (min)

(Sa‐11) 189 ‐ Palier 0‐22kPa

70mm (37%)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%10 100 1000

Déformation ΔH

/H

σ (kPa)

Chargements par paliers ‐ Seuil à σfrottements

(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

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Analyse série 2

Δ 15%

70 ‐ 170 kPa

34

37%

0,190,10

~0,640,31

0,150,04

~0,640,25

Aller plus loin : sans S‐6 et S‐8

Généralement pour les sables  0,1

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Analyse série 2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Ccε

Indice de compression modifié

35

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Synthèse

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

Vitesse de consolidation• Série 1 : enregistrement trop court• Série 2 : drainage trop rapide

Indice de compression modifié Ccε (série 2)• Semble surestimé : validation des résultats par essais œdométrique 

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

36

7. Evolution du carottier

37

Frottements• Travailler à la réduction des frottements : nouveau filtre• Capteur de pression sur le sol (composante frottement indépendante)

Déplacement du vérin• Système d’acquisition continue plus pratique qu’une lecture directe

Encrassement du filtre• Nettoyage régulier du filtre ou système de circulation d’eau inverse

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

38

8. Conclusion

39

Travail réalisé• Fabrication d’un prototype utilisable en laboratoire• Tests de ce prototype sur deux types de sols

Performances du carottier : essais de consolidation• Evaluation du tassement de fonte pour un chargement donné• Estimation du Ccε• Vitesse de consolidation : envisageable

Améliorations• Gestion du frottement• Lecture du déplacement• Routine de nettoyage

Introduction ProblématiqueExistant Prototype Tests Améliorations ConclusionObjectifs

Développer un carottier capable de réaliser les essais de laboratoire de consolidation de fonte, in situ

40

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www.arquluk.gci.ulaval.ca

Guy DoréLouis Gosselin

Chantal LemieuxJean-Pascal Bilodeau

Sylvain AugerDenis Jobin

Christian JuneauMartin Lapointe

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Département Génie MécaniqueJean RuelYves Jean

Pierre CarrierAndré Chamberlan

Sylvain MénardFrédéric Morin