Qu’est-ce que le soulèvement dû au gel dans les chaussées ?

Le soulèvement dû au gel est le mouvement vers le haut d’une chaussée lorsque des lentilles de glace se forment dans le sol gelé situé dessous.

Ne le confondez pas avec le givre en surface. L’EASA définit le givre comme des cristaux de glace qui se forment à partir de l’humidité de l’air sur une surface à la température de congélation ou en dessous. Le soulèvement dû au gel se produit dans le sol sous la chaussée. Les ingénieurs appellent l’ensemble du sujet l’action du gel. Elle comporte deux volets : le soulèvement dû au gel en hiver et l’affaiblissement au dégel au printemps.

Fonctionnement

Une lentille de glace est une couche de glace qui se forme à l’intérieur du sol. L’eau migre vers le front de gel, souvent par capillarité, et alimente la lentille. La lentille grossit parallèlement au flux de chaleur et pousse vers le haut le sol et la chaussée qui le surmonte. La dilatation de volume de l’eau qui gèle ne suffit pas à expliquer le soulèvement à elle seule. Des lentilles se forment aussi dans un sol qui contient du benzène, un liquide qui se contracte en gelant (Kaplar, HRR 304).

La FAA désigne trois conditions pour une action néfaste du gel. Les trois doivent être réunies :

1. Le sol est sensible au gel.
2. Des températures de gel pénètrent dans ce sol.
3. De l’humidité libre est présente en quantité suffisante pour former des lentilles de glace.

Si le sol est saturé à 70 % ou plus, la FAA indique que le soulèvement dû au gel est probable. L’eau peut venir de la surface ou des bords de la chaussée, de la condensation, ou d’une grande profondeur par capillarité. La FAA demande aux concepteurs de supposer qu’il y a assez d’eau dans tout sol susceptible de geler. Les drains de bord peuvent réduire l’eau disponible. Ils fonctionnent au mieux avec une couche de drainage.

Sol sensible au gel

La FAA classe les sols en quatre groupes de gel, FG-1 à FG-4. Elle utilise la classe du sol et la part de matériau plus fin que 0,02 mm, en masse. Plus le numéro est élevé, plus le sol est sensible. Les sols à limite de liquidité élevée et à forte teneur en limon et en argile sont plus sensibles que les graviers ou les sables. La FAA affirme que le choix du groupe de gel est subjectif.

Un matériau que la FAA qualifie de non sensible au gel a une limite sur les fines. Pour la couche de base (P-209), la limite est de moins de 5 % passant le tamis n° 200. Pour la couche de fondation (P-154), elle est de moins de 10 %. Un essai au tamis est plus rapide que l’essai à l’hydromètre pour la taille de 0,02 mm. Des études du département des transports de l’Alaska ont montré que la part passant le tamis n° 200 vaut environ le double de la part de 0,02 mm.

Profondeur de pénétration du gel

La profondeur de pénétration du gel dépend de quatre facteurs. Ce sont les propriétés thermiques de la chaussée et du sol, la température de surface, l’humidité du sol et la température au début de la période de gel. En général, plus la teneur en eau de la couche de base et de la couche de fondation est basse, plus le gel descend profondément. La FAA demande aux concepteurs de s’appuyer aussi sur l’expérience locale d’ingénierie et de construction. La profondeur pratique maximale de protection contre le gel est normalement de 72 in (180 cm) sous le dessus de la chaussée finie.

Soulèvement et affaiblissement au dégel

Le soulèvement dû au gel et l’affaiblissement au dégel sont deux processus de même cause. En hiver, les lentilles soulèvent la chaussée. Au printemps, le sol gelé fond et retient trop d’humidité. La plateforme support perd alors sa résistance.

Effet sur la chaussée d’aérodrome

Le soulèvement dû au gel est rarement uniforme. La FAA range les effets suivants de l’action du gel :

• soulèvement non uniforme
• perte de résistance du sol pendant les périodes chaudes et le dégel printanier
• perte de compactage, rugosité et restriction du drainage
• fissuration de la surface

L’effet dépend du type de chaussée.

• Chaussée souple. Un bombement est un renflement vers le haut de la surface. Il peut être étroit et court, ou former une longue vague progressive, et des fissures peuvent l’accompagner. Un bombement est en général causé par l’action du gel autour de matériaux de plateforme support différents, ou par un sol gonflant.
• Chaussée rigide. Le soulèvement dû au gel peut soulever un côté d’un joint ou d’une fissure. Cela crée une marche, que la FAA appelle tassement ou défaut de nivellement.
• Dégel. Pendant les premières années qui suivent la mise en service ou la réhabilitation d’une chaussée souple, la profondeur de dégel peut augmenter. La FAA indique que cela peut causer des irrégularités et des tassements.

Le dégel constitue un second risque. La FAA et l’EASA disent toutes deux qu’il faut éviter les exploitations en surcharge pendant cette période. La FAA indique aussi qu’il peut être nécessaire de limiter les charges pendant le dégel.

Conception contre le gel

La FAA admet trois approches dans la section 3.14 de l’AC 150/5320-6G.

• Protection complète contre le gel : la chaussée et le matériau non sensible au gel retiennent ensemble le gel. Elle ne s’applique qu’aux sols des groupes FG-3 et FG-4. La FAA la considère surtout pour les pistes et les voies de circulation des grands aéroports de correspondance, ou lorsque la pénétration du gel est faible.
• Pénétration limitée du gel dans le sol support : un matériau non sensible au gel couvre 65 % de la profondeur de gel. L’objectif est un soulèvement inférieur à 1 pouce (25 mm). La méthode s’applique aux sols de tous les groupes de gel.
• Résistance réduite du sol support : la conception suppose environ 50 % de la résistance normale du sol support pour la période de dégel. La méthode s’applique aux sols des groupes FG-1 à FG-3.

Dans tous les cas, la FAA recommande un sol support uniforme, avec des transitions progressives entre des matériaux différents. Elle recommande aussi une couche géosynthétique de séparation entre le matériau non sensible au gel et le sol support, lorsque l’ingénieur géotechnicien en recommande une. La FAA demande aux exploitants de garder les fissures scellées, pour que l’eau n’atteigne pas la couche de base, la couche de fondation et la plateforme support.