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  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    NATURAL PORE PRESSURE FLUCTUATIONS IN A CHAMPLAIN CLAY DEPOSIT

    VAHID MAREFAT

    DPARTEMENT DES GNIES CIVIL, GOLOGIQUE ET DES MINES

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    THSE PRSENTE EN VUE DE LOBTENTION

    DU DIPLME DE PHILOSOPHIAE DOCTOR

    (GNIE CIVIL)

    AVRIL 2016

    Vahid Marefat, 2016.

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    Cette thse intitule :

    NATURAL PORE PRESSURE FLUCTUATIONS IN A CHAMPLAIN CLAY DEPOSIT

    prsente par : MAREFAT Vahid

    en vue de lobtention du diplme de : Philosophiae Doctor

    a t dment accepte par le jury dexamen constitu de :

    M. SILVESTRI Vincenzo, Ph. D., prsident

    M. CHAPUIS Robert P., D. Sc. A., membre et directeur de recherche

    M. DUHAIME Franois, Ph. D., membre et codirecteur de recherche

    M. COURCELLES Benot, Doctorat, membre

    M. CUISINIER Olivier, Ph. D., membre

  • iii

    DEDICATION

    To my beloved parents, my family, and Samira

  • iv

    ACKNOWLEDGEMENTS

    First of all, I would like to express my deepest appreciation to my advisor monsieur Dr. Robert P.

    Chapuis for his excellent supervision and insight, both of which made this dissertation possible. I

    am also deeply thankful to my co-advisor Dr. Francois Duhaime for his outstanding guidance and

    support during my research and field work. I am indebted to you for your significant role in my

    doctoral work.

    My thanks to the members of committee, Dr. Vincenzo Silvestri, Dr. Benoit Courcelles, and Dr.

    Olivier Cuisinier for reading of this dissertation and providing valuable comments that improved

    the contents of this dissertation. I am very thankful to Dr. Frank A. Spane for his contribution as a

    co-author in the third paper. My gratitude also goes out to my colleagues in the Laboratoire

    d'hydrogologie et environnement minier, specially Noura, Lu, Simon, Karim, Richard, Ando,

    Saeid, milie, Marie-lin, Pierre-Luc and several summer students for their help in field installation,

    laboratory tests and data collection. I would also like to acknowledge all of my friends who

    supported me during my studies, especially Dr. Behnam Ferdosi, Dr. Siavash Isazadeh, and Dr.

    Tohid Alizadeh. Many thanks to all the students of professors Robert P. Chapuis, Michel

    Aubertin, and Li Li. Thanks for my friends in A351.4 for all the great times that we have shared.

    I also express my sincerest recognition to BFI Canada and Natural Sciences and Engineering

    Research Council of Canada. This thesis would not be completed without the financial support

    provided by them.

    Most importantly, I am deeply thankful to my family for their love, support, and dedication. None

    of this would have been possible without your love and patience. My beloved parents, my

    devoted brothers, and my lovely sisters receive my deepest gratitude and love for their continuous

    love, support, sacrifices, and encouragement from the early phases of my education which that

    provided the foundation for my PhD. I am indebted to you all for your unconditional love,

    support, and your significant role in my life. I am also very thankful to my beloved parents-in-law

    for their support and encouragement. This last word of acknowledgement I have saved for my

    dear wife Samira for her understanding and love during my doctoral work. I am deeply thankful

    to you Samira.

    http://www.polymtl.ca/recherche/rc/unites/details.php?NoUnite=63http://www.polymtl.ca/recherche/rc/unites/details.php?NoUnite=63http://www.nserc-crsng.gc.ca/index_eng.asphttp://www.nserc-crsng.gc.ca/index_eng.asp

  • v

    RSUM

    Les argiles Champlain recouvrent les basses terres de la valle du Saint-Laurent au Qubec, dans

    lest du Canada. Ces argiles ont t dposes il y a approximativement 12000 8500 ans dans la

    mer Champlain, tard dans la priode du Quaternaire. Les argiles Champlain jouent un rle crucial

    dans le contrle des coulements souterrains. Ces argiles contrlent et protgent les aquifres

    sous-jacents des contaminants en provenance de la surface ou des couches plus permables prs

    de la surface. La conductivit hydraulique (K) est un paramtre fondamental pour estimer la

    vitesse dcoulement, la vitesse de migration des contaminants et la consolidation des argiles. Du

    point de vue de la gotechnique, des valeurs reprsentatives des paramtres lastiques de largile

    applicables de trs faibles dformations sont ncessaires pour comprendre le comportement de

    largile sous des sollicitations dynamiques.

    Les essais standards de laboratoire fournissent des valeurs pour les proprits lastiques de

    largile qui dpendent du remaniement et des changements dtat de contrainte. Ces essais

    surestiment la compressibilit et sous-estiment le module lastique des argiles pour de trs faibles

    dformations. Les essais conventionnels raliss sur le terrain (p.ex. pressiomtre) sous-estiment

    aussi le module lastique pour les dpts dargile. Cette sous-estimation peut tre cause par une

    augmentation des dformations due linstallation de lquipement pour la ralisation de lessai.

    Des essais dynamiques spcifiques (p.ex. analyse multimodale des ondes de surface) sont utiliss

    pour mesurer les modules lastiques applicables de trs faibles dformations. La variation de la

    pression interstitielle cause par les changements de pression atmosphrique est une avenue

    prometteuse pour la mesure des proprits lastiques des argiles pour de trs faibles

    dformations.

    Les essais de permabilit in situ sont privilgier pour la mesure de K dans les argiles.

    Lobtention de valeurs in situ de K par la ralisation dessais niveau variable dans des puits

    dobservation est une procdure commune. Toutefois, ce type dessai produit des valeurs de K qui

    sont des estimations de la permabilit horizontale autour du massif filtrant, pas de la

    permabilit verticale grande chelle. Cette dernire est plus importante pour ltude de la

    protection des aquifres. Quand la permabilit est anisotrope, les deux composantes, verticale et

    horizontale (Kh et Kv), doivent tre dtermines. Linterprtation dun essai de pompage ralis

    dans un aquifre en tenant compte du dbit de fuite en provenance de laquitard permet en thorie

  • vi

    de dterminer Kv. Toutefois, ce type dessai ne sapplique pas toujours aux conditions relles sur

    le terrain et il ne peut pas toujours tre utilis sur les sites contamins. Une analyse combine,

    basse et haute frquences, des variations naturelles des pressions interstitielles dans largile, par

    exemple en raison des cycles annuels dinfiltration et des variations de la pression atmosphrique,

    peut tre utilise pour mesurer la valeur in situ de K et son anisotropie.

    Les variations long terme de la charge hydraulique dans la couche dargile sont aussi

    importantes pour lestimation de la vitesse de leau souterraine dans la couche dargile. Le suivi

    long terme de la pression interstitielle permet dtudier les variations de la charge hydraulique.

    Dans un systme hydrogologique o les gradients hydrauliques sont faibles, les variations de la

    pression interstitielle causes par les changements de pression atmosphrique peuvent mener

    des valeurs errones du gradient. De plus, les changements de pression atmosphrique influencent

    la charge de pression pour les essais de permabilit in situ. Par consquent, les fluctuations de la

    pression interstitielle causes par les changements de pression atmosphrique devraient tre

    corriges avant linterprtation de ces essais.

    Les fluctuations naturelles de la pression interstitielle dans les dpts dargile peuvent tre

    mesures avec des pizomtres corde vibrante (VWP), un type de capteur qui rpond

    rapidement aux changements de pression. Les VWP peuvent tre installs dans largile selon la

    mthode conventionnelle avec un massif filtrant, ou selon la mthode avec scellement complet du

    forage (fully grouted). La mthode de scellement complet reoit depuis quelques temps plus

    dattention. Selon certains, cette mthode a les avantages suivants : cots plus faibles, pas de

    risque de rupture du massif filtrant et facilit dinstallation. Toutefois, la performance des

    pizomtres installs selon cette mthode (temps de rponse et prcision) na pas encore t

    valide.

    Dans cette thse, une solution analytique a t combine avec la mthode des lments finis pour

    dterminer lerreur pizomtrique en rgime permanent pour des pizomtres installs dans

    largile avec la mthode du scellement complet. Les performances des pizomtres installs avec

    cette mthode dpendent de trois paramtres : le rapport entre la permabilit du coulis et la

    permabilit de largile (Kg/Kc), la composante verticale du gradient hydraulique naturel dans

    laquitard, et la profondeur du capteur dans laquitard. Pour un gradient hydraulique vertical

    infrieur 1, lerreur pizomtrique est ngligeable lorsque la permabilit du coulis est jusqu

  • vii

    un ordre de grandeur plus grande que celle de largile. Pour un rapport Kg/Kc infrieur 10, la

    position du capteur a une influence ngligeable sur lerreur pizomtrique. Toutefois, lorsque le

    rapport Kg/Kc est suprieur 100, lerreur augmente avec la profondeur du forage et du capteur.

    Les paramtres lastiques applicables pour de trs faibles dformations ont t calculs partir de

    la mesure in situ de lefficacit de chargement (LE). Le paramtre LE reprsente la portion de la

    pression atm