Development of design tools for convection mitigation techniques to preserve permafrost under northern transportation infrastructure

• Main Author: Kong, Xiangbing
• Other Authors: Calmels, Fabrice
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Université Laval 2019
• Subjects: TA 7.5 UL 2019; Pergélisols; Remblais; Puits filtrants; Sols > Température; Infrastructures de transport; Chaleur > Convection naturelle; Bilan calorifique (Géophysique)
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/37716

Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. === Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.