Dissertations / Theses on the topic 'Sols gelés – Propriétés thermiques'

Le réchauffement climatique prédit pour les prochaines décennies, aura des impacts majeurs sur le pergélisol qui sont très peu documentés pour l’instant. La présente étude a pour but d’évaluer ces impacts sur les propriétés mécaniques du pergélisol et sa stabilité à long terme. Une nouvelle technique d’essai de pénétration au cône à taux de déformation contrôlé, a été développée pour caractériser en place le pergélisol. Ces essais géotechniques et la mesure de différentes propriétés physiques ont été effectués sur une butte de pergélisol au cours du printemps 2000. Le développement et l’utilisation d’un modèle géothermique 1D tenant compte de la thermodépendance du comportement mécanique ont permis d’évaluer que les étendues de pergélisol chaud deviendraient instables à la suite d’un réchauffement de l’ordre de 5 °C sur cent ans. En effet, la résistance mécanique du pergélisol diminuera alors rapidement jusqu’à ll, 6MPa, ce qui correspond à une perte relative de 98% de la résistance par rapport à un scénario sans réchauffement.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur.
The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

Cette étude porte sur la participation des processus hydrologiques dans le régime thermique et la dégradation du pergélisol. L'eau emmagasinée dans les lacs de thermokarst est une source importante de chaleur qui accélère la dégradation du pergélisol. Les buttes cryogènes encore présentes dans l'environnement peuvent empêcher le réseau de drainage de se développer normalement. L'élaboration d'un modèle numérique bidimensionnel permet de simuler le développement rapide d'un talik occasionné par une mare de thermokarst adjacente à une butte cryogène. En raison de l'importante modification de la macrostructure d'un sol fin riche en glace au moment de la fusion, l'infiltration d'eau est susceptible de devenir une variable thermiquement importante. L'application d'un terme source qui évalue différentes valeurs de conductivité hydraulique du pergélisol en fusion au contact d'une mare permet d'estimer dans quelle mesure ce processus encore peu observé ou testé en laboratoire pourrait contribuer à la fonte accélérée du pergélisol.

Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige.
In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.

Le travail présenté propose de mesurer la teneur en eau in situ, en particulier dans les couches peu profondes qui sont rapidement évolutives. Cette mesure s'effectue par le biais d'une caractérisation thermique du système. L'étude est divisée en deux parties. La première est la détermination des paramètres thermiques d'un échantillon de sol en laboratoire par des méthodes classiques. Ces essais sont réalisés avec une teneur en eau que l'on fait varier par palier, dans le but d'étudier son influence sur les propriétés thermiques de l'échantillon. On établit alors une corrélation entre l'effusivité b qui caractérise le matériau et son humidité w. La seconde partie traite de la partie in situ des expérimentations. Elle fait appel à des techniques plus complexes. Du fait de l'évolution rapide du système étudié, nous avons eu recours à l'utilisation d'outils adaptés dans la théorie de traitement du signal : les modèles non entiers. Nous avons étudié trois types de sol différents : tout d'abord un sable, qui nous a servi de référence pour nos essais, puis nous avons étendu la méthode sur un sol argileux, et un sol argilo-sableux. Ce travail a débouché sur le suivi de la teneur en eau de ces sols, en fonction du temps et de la profondeur. Les résultats ont été validés par des essais gravimétriques
Work presented proposes to measure the water content of the in situ grounds. This study concerns the thermal characterisation of surface layers of the soil, and these changes rapidly with water content. This is divided into two parts. The first is the determination of the thermal parameters of a sample of ground in laboratory by traditional methods. These tests are carried out with a water content, from 0%, that must then be increased up to saturation with intermediate tests being performed to determine the changes in the thermal properties. A correlation curve is established, between the water content of the material and its thermal characteristics. The second part involves studying the soil in situ conditions. It calls upon more complex techniques. Because of the fast evolution of the studied system, a broad recourse is made to the methods of the signal theory, in particular : the use of noninteger models. We studied three different types of ground : at first, a sand, which was used to us as reference for our tests, then we extended the method on a ground of the argillaceous type, and a ground argilo-sandy. This work led to the monitoring of the evolution of the water content of these grounds, (according to time and depth). The results were validated by gravimetric tests

L'objectif de ce travail est de réaliser une caractérisation thermophysique des matériaux poreux rapidement évolutifs, en particulier le sol dans ses couches superficielles. Au niveau expérimental, l'utilisation de capteurs fluxmétriques, permettant une mesure simultanée de la température et du flux dans le même plan, associés à une méthode de traitement basée sur la notion d'impédance thermique autorise une caractérisation fiable et précise des systèmes en présence. Au niveau théorique, le recours au modèle d'ordres non entiers pour déterminer l'impédance thermique expérimentale dans le domaine fréquentiel a constitué une procédure novatrice permettant l'identification des paramètres thermophysiques du milieu conductif étudié. Le modèle théorique d'impédance défini a été validé par une étude harmonique d'un matériau de référence, un bloc de béton inerte. Une sollicitation aléatoire de nature S. B. P. A permet une caractérisation précise du milieu avec un apport minimal d'énergie, particulièrement bien adaptée à un développement in situ. Chaque essai expérimental a fait l'objet d'une vérification, d'excellents résultats ont été observés. La configuration proposée en laboratoire a permis d'établir une loi de corrélation entre l'humidité et l'effusivité thermique pour différents types de sol. Au final, la démarche développée en théorie est appliquée au suivi de la teneur en eau in situ
The objective of this work is to carry out a thermophysical characterization of porous materials quickly evolutionary, in particular the soil in its surface layers. At the experimental level, the use of fluxmetric sensors allows a simultaneous measurement of the temperature and flow in the same plan. We associated it to a method of treatment based on the concept of thermal impedance which authorizes a reliable and precise characterization of the involved systems. At the theoretical level, we have recourse to the non-integer model to determine the experimental thermal impedance in the frequential field. This constitutes an innovative procedure enabling the identification of the thermophysical parameters of the studied conductive site. The conceptual model of defined impedance was validated by a harmonic study of a reference material, an inert concrete block. A random solicitation of type B. P. R. S allows a precise characterization of the material with a minimal contribution of energy, particularly well adapted to an in situ development. Each experimental test was the aim of checking, excellent results were observed. The configuration suggested in laboratory made it possible to establish a law of correlation between moisture and the thermal effusivity for various types of ground. Finally, the approach developed in theory is applied to the monitoring of the evolution of the water content in situ

Cette thèse se situe dans le cadre de la caractérisation des milieux évolutifs. L'objectif est le suivi de l'évolution des paramètres thermophysiques au cours du temps. Au niveau expérimental, l'application des techniques nouvelles de mesures fluxmétriques permet de définir complètement et simplement l'état thermique dans le plan. Sur le plan théorique, le recours aux méthodes de la théorie du signal permet de développer des techniques d'identification dans le domaine fréquentiel. Deux configurations sont proposées. La première implique un double accès au système dans le cadre d'un schéma entrée/sortie. La méthode permet une caractérisation thermique complète du matériau par un essai, tout en minimisant la perturbation imposée au milieu. Les sollicitations sont des signaux binaires pseudo aléatoires, qui fournissent une faible énergie au système à caractériser. Cela conduit à limiter l'utilisation de la méthode à des matériaux stables ou lentement évolutifs. Pour aborder les milieux rapidement évolutifs, la caractérisation par impédance thermique est proposée. Elle permet d'identifier l'effusivité thermique. Deux méthodes de traitement des données sont comparées : une classique analyse de Fourier réalisée sur la base de calculs FFT et un traitement basé sur une modélisation paramétrique pour réduire la durée des expérimentations. Ainsi, une durée d'observation du système de l'ordre de 5 mn suffit à identifier l'impédance thermique. Les performances de cette approche permettent de caractériser un système en évolution. Elle constitue la base d'une nouvelle méthode de suivi de l'évolution de la teneur en eau locale d'un sol. Les méthodes sont validées sur un matériau inerte de référence. Une loi de corrélation est établie entre la teneur en eau d'un stable et ses caractéristiques thermiques. Elle est appliquée au suivi de l'évolution de la teneur en eau du milieu durant des processus de séchage.

Outils de prevision du comportement des sols non satures, pour applications de stockage et de recuperation de chaleur: methode mixte de modelisation du comportement thermique, hydraulique et mecanique du sol pour stockage de chaleur, par methode mixte (couplage de deux modeles locaux, un mathematique et un physique, appele triaxial thermique); sondre cryogenique permettant de classer les sols quant a leur aptitude a restituer ou a stocker la chaleur lors de cycles gel-degel

Des agrégats à base des boues de phosphate de la zone de Gantour ( Youssoufia,Maroc) sont cuits à des températures comprises entre 900 et 1200°C, et examinés par différentes techniques (DRX, MEB, analyses thermique et dilatométrique, et spectroscopie d’impédance). Les propriétés physiques des agrégats (retrait, absorption d’eau et résistance à la compression) sont mesurées et corrélées, dans certains cas, aux facteurs expérimentaux(température, temps de cuisson, teneur de l’additif), et ce en utilisant la méthodologie de la recherche expérimentale.Les agrégats amendés à l’argile smectitique sont le siège de formation de la gehlénite. Dans ce cas, la fluorapatite a partiellement résisté au traitement thermique, et a été le siège d’une ségrégation localisée. Les mesures d'impédance ont bien mis en évidence l'étape principale du frittage, lequel s’est produit par écoulement de la masse fondue. En se basant sur les valeurs de la densité, les granulats cuits à 900 et à 1100°C pouvaient bien être considérés comme des agrégats légers.Les études menées sur les agrégats des mélanges : argile kaolinitique-boue, cendre boue,et argile kaolinitique-cendre-boue ont montré la présence de la labradorite, et d’une masse fondue, qui semblait se former, entre autres, de la fusion de la fluorapatite. Par ailleurs,l'utilisation de la méthodologie de la recherche expérimentale a permis d'évaluer le poids des effets des facteurs expérimentaux sur les propriétés physiques des agrégats. Des granulats légers (1,02 < densité < 2,1 g/cm3) et résistants sont préparés avec succès dans les conditions expérimentales adoptées. Les granulats ayant le meilleur rapport résistance / densité sont ceux du mélange ternaire.Concernant le volet application, les résultats ont montré que l’utilisation des agrégats en construction est possible et que l’association d’agrégats légers au sol a permis d’activer la croissance des plants de la luzerne. D’un autre côté, l'absorption du phosphore par les racines(1,45 mg/g maximum) des plantes était meilleure dans le cas du mélange contenant de l’argile
Phosphate sludge generated from beneficiation plants of Moroccan phosphate rocks was investigated at the range [900-1200°C] by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, thermal analysis dilatometric analysis and impedance spectroscopy. Mixtures of the phosphates ludge and amendments such as a swelling clay (up to 30 wt.% of the clay), a kaolinitic clay (up to 40 wt.% of the sludge) and a fly ash (65.5 wt.% of the ash) were investigated and their properties (shrinkage, density, water absorption and compressive strength) were measured as a function of temperature and clay addition. The results showed that gehlénite neoformed from lime of decomposed carbonates and breakdown products of clay minerals in the first mixture while labradorite/anorthite was the only neoformed phase in the other blends. Also fluoroapatite (original mineral) resisted heating until fusion in almost samples. A new approach based on the methodology of the experimental design was adopted to assess the effect of the processing factors on the studied properties. The measured properties were mainly controlled by temperature, and the effect of clay addition was less regular. Considering the mixtures densities lightweight agglomerates can be produced at specific conditions. On the other hand, the release ability of phosphorus by LWAs in the presence ofalfalfa plants has been performed. It was found that due to the release of phosphorus by soil embedded pellets the growth of alfalfa plants improved. The sintering process of blends of phosphate sludge and a naturally occurring clay material (0-30 wt.%) was investigated in the range 650-1100°C by using impedance spectroscopy. The results showed that the sintering process was effective between 750 and 1000°C and occurred by melt flow

Il est important de connaître la conductivité thermique du sol ainsi que l’amplitude et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains lors du dimensionnement d’un champ de puits géothermiques. Ce mémoire présente la méthodologie et les conclusions d’une analyse numérique d’un nouveau concept de test de réponse thermique (TRT) pour échangeurs de chaleur géothermiques verticaux. Cette configuration de TRT permet de mesurer à la fois les propriétés hydrauliques du sol et ses propriétés thermiques. Le but premier du mémoire est de vérifier la validité du concept pour ensuite développer une méthode de résolution permettant d’estimer, à partir de la réponse thermique lors du TRT, la conductivité thermique du sol ainsi que la norme et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains. Pour ce faire un modèle numérique de puits a été construit avec la méthode des éléments finis afin d’effectuer des simulations numériques de la réponse thermique dans diverses conditions. À partir de ces simulations, il a été possible de démontrer le potentiel du concept de TRT et d’élaborer des méthodologies pour retrouver les propriétés désirées. Une méthode de résolution graphique est d’abord présentée. Dans un second temps, le formalisme des problèmes inverses est appliqué afin d’obtenir une deuxième méthode de mesure des paramètres du sol. Les résultats montrent que le TRT proposé permet de retrouver ces paramètres dans la plupart des scénarios envisagés.
It is important to know the subsurface thermal conductivity and the groundwater flow parameters (i.e. its velocity and orientation) when sizing a geothermal borefield. This master’s thesis presents a methodology and the conclusions of a numerical analysis of a novel thermal response test (TRT) concept for vertical geothermal heat exchangers. This configuration of TRT is able to measure both the hydraulic and the thermal properties of the ground. The main objective behind this work is to validate the concept and then to develop an efficient methodology to obtain from the thermal response of the TRT an estimation of the ground thermal conductivity along with the velocity and the orientation of groundwater flows. To achieve this, a numerical model of borehole was built using the finite element method. This model was then used to simulate the thermal response for various conditions. From these simulations, it has been possible to demonstrate the potential of the concept and to elaborate methodologies to find the desired properties. A graphical method is first presented. Following that, inverse problem techniques were applied to get a second measurement methodology. Results show that the suggested TRT is able to find the parameters in most of the cases.

La construction dans l'Arctique nécessite une connaissance précise des propriétés thermiques et géotechniques du pergélisol. La connaissance de ces propriétés est également nécessaire pour le paramétrage des modèles de transfert de chaleur. Des études antérieures ont démontré le grand potentiel de l'utilisation de la tomodensitométrie pour les mesures du volume des composantes du pergélisol et la visualisation de la cryostructure. Une nouvelle approche est proposée pour mesurer la conductivité thermique du pergélisol. Les objectifs généraux de ce projet sont (1) d’élaborer une nouvelle méthode de caractérisation du pergélisol à l’aide de la tomodensitométrie et de modèle éprouvés et (2) de comparer et mettre au point une méthode novatrice pour mesurer la conductivité thermique et des paramètres géotechniques. Les résultats démontrent que les tests effectués à l’aide de la tomodensitométrie donnent des résultats d’une valeur scientifique comparable aux autres méthodes existantes de mesure de déjà existantes de conductivité thermique du pergélisol.
When building in the Arctic, design considerations require precise knowledge of the thermal and geotechnical properties of the permafrost. Computed tomography provides visualization of the cryostructure of permafrost. Previous studies showed great potential in using this technology for classification and volume measurements of permafrost components, i.e. sediment (solid), ice and gas (void) contents. The aims of this study are (1) to develop an innovative and non-destructive approach using CT scan to compute the thermal conductivity of undisturbed permafrost samples and (2) to validate the results computed from CT scan image analysis with proven experimental thermal conductivity data. The very good results obtained so far show that CT scan thermal conductivity measurements yield results comparable to other existing methods. The new approach could still be significantly improved by the use of a higher resolution CT scanner.

Afin de déterminer l'impact direct des changements climatiques sur la dynamique des coins de glace et le régime thermique du pergélisol, 16 sites d'échantillonnage dans la vallée de la rivière Narsajuaq (Nunavik, Canada) qui ont fait l'objet d'études substantielles sur les coins de glace en 1989 et 1990 ont été revisités entre 2016 et 2018. Les observations et les mesures démontrent qu'au cours des 25 dernières années, les coins de glace de la vallée de la rivière Narsajuaq ont subi une dégradation sans précédent de leurs excroissances, engendrant un approfondissement généralisé des étages principaux en raison de l'approfondissement de la couche active qui a atteint des profondeurs de 1,2 à 3,4 fois supérieures à celles de 1991. Le régime thermique des quatre principaux types de sols identifiés (organique sableux mince, organique sableux épais, organique épais et sables fluviatiles) dans la vallée a fait l'objet de simulations numériques afin de reproduire les changements de température du pergélisol depuis 1990 et de prévoir les variations de l'épaisseur de la couche active jusqu'en 2100. Au cours des dernières décennies, les coins de glace de tous les types de sol ont été actifs, se fissurant presque tous les ans, excepté en 2010, l'année la plus chaude jamais enregistrée. Pour le reste du 21ième siècle, les simulations prédisent l'arrêt complet de la fissuration du sol entre 2020 et 2095 en fonction du type de sol, des seuils de craquement et des scénarios climatiques choisis. Cependant, en prenant en compte la variabilité interannuelle du climat, il est très probable que plusieurs coins de glace cesseront de fissurer au cours des 20-30 prochaines années. La couche active a atteint une profondeur record en 2010, puis s'est amincie avec le refroidissement récent. Il est attendu qu'elle s'approfondisse suffisamment au cours des prochaines décennies pour causer une dégradation généralisée des coins de glace, ne laissant que des coins de glace fossiles en profondeurs dans le pergélisol d'ici la fin du siècle. Cette thèse propose également une nouvelle approche permettant d'améliorer les estimations des réserves de carbone dans le pergélisol arctique en se basant sur la photo-interprétation de la géologie de surface et des formes de relief ainsi que sur la reconstitution de l'histoire géologique du paysage. Une forte correspondance existe en effet, entre les formes du relief et les formations meubles d'une part et les stocks de carbone sous forme de matière organique dans les sols, d'autre part.
To determine the direct impact of climate change on ice-wedge dynamics and the permafrost thermal regime, 16 study sites in the Narsajuaq river valley (Nunavik, Canada) that were extensively studied for ice wedge between 1989 and 1991 were revisited between 2016 and 2018. Observations and measurements show that over the last 25 years, the ice wedges of the Narsajuaq river valley have experienced an unprecedented degradation of their upgrowth forms, resulting in a generalized deepening of their main stages due to the active layer reaching depths 1.2 to 3.4 times greater than in 1991. The thermal regime of the four main soil types identified (thin sandy peat, thick sandy peat, thick peat, fluvial sands) in the valley was modelled to reproduce permafrost temperature changes since 1990 and predict active layer thickness until 2100. In recent decades, ice wedges of all soil types have been active, cracking almost every year except in 2010, the warmest year on record. For the rest of the 21st century, simulations predict a complete cessation of soil cracking between 2020 and 2095 depending on the soil type, soil cracking threshold and the selected climate scenarios. However, based on the interannual variability of the climate in the region, it is very likely that ice wedges will stop cracking over the next 20-30 years. The active layer reached a record depth in 2010, then moved up with recent cooling. It is expected that the active layer will deepen sufficiently in the next few decades to cause widespread ice-wedge degradation, leaving only fossil ice-wedge roots deep in permafrost by the end of the century. This thesis also suggests a new approach to improve estimates of carbon stocks in Arctic permafrost based on image analysis of surface geology and landforms, as well as on the reconstitution of the geological history of Arctic permafrost landscapes. There is a strong connection between landscape features and surficial geology on the one hand, and carbon stocks as organic matter in soils on the other.

Les systèmes géothermiques de surface extraient l’énergie du sol via un fluide caloporteur circulant dans un échangeur pour une profondeur ne dépassant pas 200 m. Deux typologies d’échangeurs sont généralement utilisées : les systèmes avec échangeurs verticaux, principalement affectés par les conditions géologiques ; et les échangeurs horizontaux, plus proches de la surface du sol, impactés essentiellement par les conditions climatiques. Dans le sol, les échanges thermiques sont majoritairement des transferts de chaleur par conduction. Ainsi, les propriétés thermo-physiques du sol influencent la quantité d’énergie extraite par les échangeurs. Afin de quantifier les propriétés thermo-physiques d’un sol sous l’influence des conditions géologiques et climatiques, deux dispositifs expérimentaux sont élaborés, conçus, instrumentés et validés au sein de notre laboratoire. Les résultats expérimentaux enrichissent les connaissances scientifiques sur le comportement hydrique d’un sol soumis à des événements pluvieux et l’impact de la contrainte verticale sur les propriétés thermo-physiques d’un sol. De plus, une étude numérique, à partir d’une modélisation 2D par éléments finis d’un échangeur airsol, évalue les performances énergétiques de ce dernier en fonction de différentes humidifications du sol et différents scénarios de pluie. Les résultats numériques révèlent ainsi l’intérêt d’utiliser un sol d’enrobage très humide pour accroître significativement les performances énergétiques d’un échangeur air-sol
Surface geothermal systems extract energy from the ground via a fluid circulating in an exchanger at a depth not exceeding 200 m. Two typologies of exchangers are generally used: systems with vertical exchangers, mainly affected by geological conditions; and horizontal exchangers, closer to the surface of ground, impacted mainly by weather conditions. Thermal exchanges in the soil are mainly conduction heat transfers. Thus, thermo-physical properties of soil influence, mostly, energy extracted by exchangers. In order to quantify influence of geological and meteorological conditions on thermo-physical properties of soil, two experimental devices are developed, designed, instrumented and validated. The experimental results provide more appropriate scientific knowledge on hydric behavior of a soil subjected to rain events and influence of compactness on thermal properties of soil. In addition, one numerical study, based on a finite element 2D modeling of an earth-air heat exchanger, evaluates their energy performance under different soil moisture conditions and rain scenarios thus revealing the utility of water to significantly improve its performance

Le stockage de chaleur dans des géostructures énergétiques telles que des remblais est réalisable en installant des échangeurs horizontaux au sein des différentes couches de sol compacté. Dans ce système, l'énergie thermique qui est injectée en été via un fluide caloporteur circulant dans les échangeurs de chaleur, peut être extraite en période hivernale. Dans ces conditions, lors de la mise en service, le sol compacté est soumis à des variations de température quotidiennes et saisonnières. Ces variations pourraient modifier les performances thermo-hydro-mécaniques du sol compacté. Ainsi, le but de cette étude est d'étudier les performances thermiques et mécaniques d'un sol compacté lorsqu'il est soumis à des variations de température monotones et cycliques. Le sol étudié est un limon fréquemment utilisé dans les constructions de remblais en France. Le comportement thermique et mécanique du sol est étudié à un état de compactage correspondant aux propriétés thermiques optimales. Dans cet état, le sol compacté est non saturé ce qui complexifie l'estimation de ses propriétés thermiques. Pour pallier à ces difficultés, dans cette étude, un modèle inverse est proposé pour estimer les propriétés thermiques du sol compacté. L’efficacité du modèle est testée sur un jeu de données acquises dans la gamme de 20 à 50 °C dans un modèle réduit en laboratoire. Les valeurs obtenues sont ensuite comparées à des mesures classiques en laboratoire (méthodes en régime transitoire et en régime permanent). Cette méthode pourrait permettre de suivre l’évolution des propriétés thermiques du stockage et ainsi assurer son efficacité tout au long de sa durée de vie. La question de la stabilité à long terme de ces structures soumises à des variations thermiques monotones (5, 20 et 50 °C) et cycliques (5 à 50 °C) est ensuite abordée à l'aide d'essais oedomètriques et d’essais de cisaillement direct à température contrôlée. Les résultats des essais de compressibilité ont montré que l'effet de la variation de température est plus prononcé sous une contrainte verticale supérieure à la pression de préconsolidation. Les indices de compression et de gonflement peuvent être considérés comme indépendants des variations de température. Donc le tassement global du remblai dû aux variations thermiques pourrait être considéré comme négligeable. Les résultats des essais de cisaillement direct ont montré que les variations de température (monotones ou cycliques) augmentent la cohésion ce qui est avantageux pour la capacité portante et la stabilité des pentes des remblais. Dans la phase de conception d'un remblai de stockage, ces résultats seraient utiles au dimensionnement du système si des trajectoires thermomécaniques similaires à celles de cette étude sont respectées. Dans une dernière partie, une simulation numérique prenant en compte l'interaction sol-atmosphère est réalisée afin d’évaluer la performance thermique de ce sol compacté en conditions naturelles. Différentes profondeurs d'installation de boucles d'échangeurs de chaleur sont testéss ainsi que différents scénarios de stockage. Les résultats ont montré que le sol compacté augmente de 8.5% les performances du système par rapport à l'installation d'une boucle horizontale dans le sol naturel (non compacté). Les résultats de deux scénarios différents ont montré qu’en été avec un fluide ayant une température d'entrée de 50 °C augmente significativement la performance du système. De plus, une installation plus profonde des boucles horizontales améliore également la performance du système. Il convient de noter que le remblai est en interaction avec l'atmosphère depuis ses surfaces supérieure et latérale, l'efficacité thermique de la structure pourrait être affectée en raison des pertes de chaleur. Par conséquent, il est préférable de placer les échangeurs de chaleur loin des surfaces supérieures et latérales
Nowadays, thermal energy storage in geostructures like embankments can be possible by installing the horizontal heat exchangers in different layers of compacted soil. In this system, the thermal energy is stored in summer via a fluid, circulating in the heat exchangers, to be extracted in the demand period. When the serviceability of embankment as a medium to store the thermal energy starts, the compacted soil will be subjected to the daily and seasonally temperature variations. These seasonal temperature variations could modify the thermo-hydro-mechanical performance of the compacted soil. Thus, the aim of this study is to investigate the thermal and mechanical performances of a compacted soil when it is subjected to monotonic and cyclic temperature variations. The studied soil is a sandy lean clay that is frequently used in embankment constructions in France. The thermal and mechanical behavior of the soil are investigated at a compaction state corresponding to the optimal thermal properties. However, this compacted soil is unsaturated and the estimation of its thermal properties is complex. In this study, an inverse analytical model is proposed to estimate the thermal properties of the soil using temperature monitoring in the range of 20 to 50 °C in a soil compacted in a large container. The estimated thermal parameters were compared to classical laboratory measurements (transient and steady-state methods). The comparison showed that the estimated values were close to the results obtained in transient laboratory method. Using this method, the thermal efficiency of the compacted soil can be verified in the lifetime of the storage system. To ensure the structure stability, long-term mechanical response of these systems subjected to monotonic and cyclic temperature variations should be investigated. To achieve this aim, using temperature-controlled oedometric and direct shear devices, consolidation and shear parameters of the studied soil at different monotonic (5, 20, and 50 °C) and cyclic (5 to 50 °C) temperatures were investigated. The results of temperature-controlled oedometric tests showed that the effect of the temperature variation is more pronounced under vertical pressures higher than the preconsolidation pressure. The compression and swelling indexes could be considered independent of temperature variations. Therefore, the overall settlement of the embankment due to thermal variation near the heat exchangers could be considered negligible. The results of temperature-controlled direct shear tests showed that the temperature variations (monotonic heating or cooling, or temperature cycles) increased the cohesion which is beneficial for the bearing capacity and slope stability of embankments. These results can be directly used in the design of embankments to store thermal energy exposed to similar thermo-mechanical paths. Finally, the thermal performance of the compacted soil is verified using a numerical simulation considering the soil atmosphere interaction. Different depths installation of heat exchanger loops and different heat storage scenarios were simulated. The results showed that the compacted soil increases 8.5% the systems performance compared to the horizontal loop installation in the local soil. The results of two different scenarios show that an inlet fluid temperature of 50 °C in summer increases highly the system performance (13.7% to 41.4%) while the improvement is less significant (0% to 4.8%) for the ambient inlet temperature. Moreover, a deeper installation of horizontal loops increases the system performance. From the numerical simulation results can be concealed that the embankment is in interaction with the atmosphere from its upper and lateral surfaces, the thermal efficiency of the structure could be affected due to heat losses. Therefore, it is preferable to place the heat exchangers away from the top and side surfaces

Ce travail de recherche se situe dans le cadre du développement de la méthode des éléments de frontière (BEM) pour les milieux poreux multiphasiques. À l'heure actuelle, l'application de la BEM aux pr oblèmes des milieux poreux non-saturés est encore limitée, car l'expression analytique exacte de la solution fondamentale n'a pas été obtenue, ni dans le domaine transformé ni dans le domaine réel. Ceci provient de la complexité du système d'équations régissant le comportement des milieux poreux non-saturés. Les développements de la BEM pour les sols non-saturés effectués au cours de cette thèse sont basés sur les modèles thermo-hydro-mécanique (THHM) et hydro-mécanique (HHM) présentés dans la première partie de ce mémoire. Ces modèles phénoménologiques basés sur la théorie de la poromécanique et les acquis expérimentaux sont obtenus dans le cadre du modèle mathématique présenté par Gatmiri (1997) et Gatmiri et al. (1998). Après avoir présenté les modèles THHM et HHM, on établit pour la première fois les équations intégrales de frontière et les solutions fondamentales associées pour un milieu poreux non-saturé sous chargement quasi-statique pour les deux cas isotherme (2D dans le domaine de Laplace) et non-isotherme (2D et 3D dans les domaines de Laplace et temporel). Aussi, les équations intégrales de frontière ainsi que les solutions fondamentales 2D et 3D (dans le domaine de Laplace) pour le modèle dynamique couplé des sols non-saturés sont obtenues. Ensuite, les formulations d'éléments de frontière (BEM) basées sur la méthode quadrature de convolution (MQC) concernant les milieux poreux saturé et non-saturé sous chargement quasi-statique isotherme et dynamique sont implémentées dans le code de calcul " HYBRID ". Ayant intégrées les formulations de BEM pour les problèmes de propagation d'ondes ainsi que pour les problèmes de consolidation dans les milieux poreux saturés et non-saturés, il semble que nous ayons fourni à l'heure actuelle le premier code de calcul aux éléments de frontière (BEM) qui modélise les différents problèmes dans les sols secs, saturés et non-saturés. Une fois le code vérifié et validé, des études paramétriques portant sur des effets de site sismiques sont effectuées. Le but recherché est d'aboutir à un critère simple, directement exploitable par les ingénieurs, combinant les caractéristiques géométriques et les caractéristiques du sol, permettant de prédire l'amplification du spectre de réponse en accélération dans des vallées sédimentaires aussi bien que vides