Numerical modelling and InSAR monitoring of settlement in Champlain clays

Résumé

La présence de dépôts d'argile de Champlain dans de vastes régions de l'est du Canada entraîne une probabilité plus élevée d'aléas géotechniques dans cette région. Le tassement des sols fait partie des aléas géotechniques fortement corrélés à la présence des argiles de Champlain. Une compressibilité élevée et des changements importants d'humidité du sol sont deux éléments clés impliqués dans le tassement des argiles de Champlain. L'affaissement du sol dans un sol à grain fin est souvent causé par une baisse excessive de la pression interstitielle. La modélisation numérique de la pression interstitielle au sein des aquitards argileux peut ainsi fournir des informations précieuses sur les causes et l'évolution du tassement. Les fluctuations de pression interstitielle mesurées dans les aquitards profonds sont également corrélées à la charge d'humidité au-dessus. L'analyse des séries temporelles de la pression interstitielle corrigée pour les effets barométriques et les marées terrestres permet de quantifier cette corrélation. Cette relation est plus complexe dans les aquitards peu profonds en raison de leurs interactions plus fortes avec le milieu environnant. Les fluctuations saisonnières de la nappe phréatique sont un exemple de ces interactions. Ces fluctuations induisent des changements de pression interstitielle par écoulement transitoire. Dans la première partie de cette thèse, un modèle par éléments finis (MEF) a été développé avec COMSOL Multiphysics. Le modèle simule les changements de pression interstitielle dans un aquitard d'argile de Champlain à l'aide d'un modèle couplé écoulement-déformation. Un script MATLAB a également été préparé pour l'interface MATLAB LiveLink dans COMSOL sur la base d'une série d'équations hydrologiques. Le script MATLAB effectue une itération étape par étape sur des conditions aux limites de contrainte totale pour reproduire les données historiques de pression interstitielle obtenues sur le terrain. Ces données historiques ont été obtenues du site d'essai de Sainte-Marthe près de Montréal, Canada. La deuxième partie de cette thèse est consacrée au suivi par interférométrie radar (InSAR) et à la modélisation numérique du tassement. Les mouvements verticaux du sol pour la période de de mai 2017 à décembre 2019 ont été étudiés pour le site d'essai de Sainte-Marthe à l'aide de la modélisation numérique et de la technique InSAR à diffuseurs permanents (PSI). Un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis (FEM) et la théorie de la poroélasticité de Biot a été développé. Le modèle estime le tassement et l'expansion du sol à l'aide de mesures de la pression interstitielle dans le substratum rocheux et la couche d'argile fracturée, et de la température obtenue à partir d'un site d'étude à Sainte-Marthe, au Québec. Le modèle est capable de traiter la déformation séparément dans une couche superficielle qui est hydrauliquement plus active et une couche d'argile intacte qui est moins perméable et plus molle. Pour suivre le tassement au site d'étude, les déplacements verticaux ont été calculés à plus grande échelle dans la région de Vaudreuil-Soulanges avec la technique PSI en utilisant SARPROZ avec des approches linéaires et non linéaires. La dernière partie de cette thèse porte sur le suivi du tassement sur l'île de Montréal d’avril 2016 à février 2022. La vitesse de déplacement a été suivie à l'aide de la méthode PSI et d'une technique linéaire sur l'ensemble de l'île de Montréal. Le but de ce suivi était de détecter les principales zones de tassement important sur l'île de Montréal. Le résultat de cette thèse peut être classé en trois sections. Les résultats de la première partie de cette thèse ont porté sur la modélisation numérique des changements de pression interstitielle. Ces résultats ont montré que le modèle peut reproduire raisonnablement bien la série temporelle historique de pression interstitielle. La mise en œuvre du script MATLAB pourrait améliorer considérablement les résultats d'optimisation. Concernant la modélisation numérique du tassement dans la deuxième partie de la thèse, les résultats montrent un accord raisonnable entre les simulations MEF et les estimations PSI. Une tendance saisonnière de déplacement avec une portée maximale de 15 mm a été estimée. Un affaissement aussi important que 55 mm a été estimé par le modèle MEF et l'approche PSI non linéaire sur une période de 30 mois. Le PSI non linéaire pourrait détecter plus efficacement le déplacement non linéaire du sol. La vitesse de déplacement était de -9 mm/an pour la méthode non linéaire contre -8 mm/an pour l'estimation MEF. Le suivi à long terme du tassement sur l'île de Montréal a révélé que des tassements importants jusqu'à -10 mm/an sont en cours dans certains secteurs de l'île de Montréal. Cette progression continue du tassement dans cette région pourrait être induite par la diminution de l'humidité de l'eau des sols associée aux effets du changement climatique.

Date	2 oct. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Duhaime (Directeur(-trice))