Numerical Modeling, Design, Construction and Monitoring of a Buried Soil-Metal Arch Bridge in Discontinuous Permafrost – Tulita, Northwest Territories – A Case History

Calvin Van Buskirk

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: CASE HISTORIES - III Miscellaneous

ABSTRACT: This paper presents a case history of design, construction and monitoring of a geotextile reinforced soil-metal arch bridge in challenging foundation and construction conditions on the Mackenzie Valley Winter Road in Northern Canada. This road, and associated stream crossings, is an important winter resupply road which provides access to isolated, remote communities north of Wrigley, NT. Historically ice bridges were used and in some cases are still used to cross streams, however in past decades, the NT Government has constructed numerous conventional, single-lane bridge stream crossings. Some of these structures do have significant alignment and maintenance issues. The bridge at Four-Mile Creek, located near Tulita, NT was recently replaced with a buried steel arch to improve the road safety and decrease maintenance. Limited geotechnical data indicated that the foundation included discontinuous permafrost and compressible soils resulting in concerns regarding differential settlement. This was exasperated by the requirement to install the structure and compact the backfill in cold weather. It was estimated that the soil-metal arch system needed to accommodate potential deferential settlements of up to 0.5 m. Due to complexity of the problem, two-dimensional numerical analysis (using the program FLAC) was employed to model the soil-structure interaction. It was determined that a single, 8 mm thick, deeper corrugated metal arch (500 mm pitch by 237 mm deep Ultra-Cor) would satisfy the performance criteria and provide an adequate safety margin. The metal arch was fitted with a series of strain gauges and the backfill and foundations were instrumented with thermistors and piezometers. The measured internal forces in the metal arch were in the range predicted by the numerical model. Ongoing post construction monitoring of the structure over the last two years has revealed a number of interesting and relevant conditions regarding the impact of this permafrost terrain on this structure and the impact of this structure on the permafrost - the details of the latter are significant but not included within this paper.

RÉSUMÉ: Cet article présente une histoire de cas sur la conception, la construction et le suivi d'un sol armé de géotextile-pont à arches métalliques en contestant fondation et les conditions de construction sur la Route Mackenzie Valley Winter au nord du Canada. Cette route, et associés aux passages de cours d'eau, est une importante route de ravitaillement d'hiver qui donne accès à des collectivités isolées et éloignées au nord de Wrigley, NT-O. Historiquement les ponts de glace sont utilisés et dans certains cas sont encore utilisés pour traverser les cours d'eau, cependant au cours des dernières décennies, le gouvernement NT-O a construit de nombreux classiques, pont à voie unique passages de cours d'eau. Certaines de ces structures ne disposent d'importantes questions de l'alignement et l'entretien. Le pont à Four-Mile Creek, situé près de Tulita, NT-O a été récemment remplacé par une arche d'acier enfouie pour améliorer la sécurité routière et pour réduire le maintien. Les données limitées géotechniques ont indiqué que la fondation inclut le pergélisol discontinu et de sols compressibles entraînant des préoccupations concernant le tassement différentiel. C'était exaspéré par l'exigence d'installer la structure et le matériau de remblayage compact par temps froid. Il a été estimé que le système métal-sol nécessaire pour résister à d'éventuelles tassements de plus de 0,5 m. En raison de la complexité du problème, l'analyse numérique à deux dimensions (à l'aide du programme FLAC) a été employée pour modéliser l'interaction sol-structure. Il a été déterminé qu'une seule, 8 mm d'épaisseur, plus profond en métal ondulé arche (500 mm par 237 mm profondeur pitch Ultra-Cor) permettrait de satisfaire les critères de performance et de fournir une marge de sécurité adéquate. L'arche métallique a été équipée d'une série de jauges de contrainte et le remblai et les fondations ont été instrumentés à l'aide de thermistances et des piézomètres. Les forces internes mesuréarche métallique étaient dans étendue prévue par le modèle numérique. En cours de suivi après construction de la structure au cours des deux dernières années a révélé un certain nombre de conditions intéressantes et pertinentes concernant l'impact de ce pergélisol sur cette structure et l'impact de cette structure sur le pergélisol donc les détails de cette dernière sont importants mais ne sont pas inclus dans ce document.

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Cite this article:
Calvin Van Buskirk (2016) Numerical Modeling, Design, Construction and Monitoring of a Buried Soil-Metal Arch Bridge in Discontinuous Permafrost – Tulita, Northwest Territories – A Case History in GEO2016. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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