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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


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


Méthodes de carottage

6


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



tatio

n



Parois fines (type carottier béton) Forage à sec Pivôt

Tube intérieur

Tube extérieur

8



tatio

n



Parois fines (type carottier béton) Forage à sec

Direct industry

9


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


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


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


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


16

Contraintes

5. Prototype

17


Principe d’utilisation

CarottageEssai

Tubage

18


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


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


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


Ensemble des forages réalisés

Série 2

Série 1

23


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


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)


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


Analyse série 1

27


‐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)


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)


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


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


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


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


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


Analyse série 2

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

Ccε

Indice de compression modifié

35


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


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


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

40

Merci à nos partenaires et collaborateurs

www.arquluk.gci.ulaval.ca

Guy DoréLouis Gosselin

Chantal LemieuxJean-Pascal Bilodeau

Sylvain AugerDenis Jobin

Christian JuneauMartin Lapointe

www.arquluk.gci.ulaval.ca

Département Génie MécaniqueJean RuelYves Jean

Pierre CarrierAndré Chamberlan

Sylvain MénardFrédéric Morin

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