Analyses of climatic data to determine the frost penetration depth based on statistical analyses and matching to measured ground temperature profiles

Charlie Harrison, Mark Bancroft

In the proceedings of GeoSt. John's 2019: 72nd Canadian Geotechnical Conference

Session: Cold Regions Geotechnology

ABSTRACT: The depth of frost penetration is required for many engineering projects where the ambient air temperature falls below freezing for an extended period of time over which frost susceptible soils could undergo deformation due to the formation of ice lenses. When possible, measured climatic data from a given site should be used to determine the depth of frost penetration, but in many cases, climatic data may only be available nearby a site, which calls into question the validity of the analyses. Furthermore, the calculation of the depth of frost penetration is highly sensitive to the use of empirical design coefficients. The authors propose the use of climatic data that has been assessed statistically allowing for the estimation of return periods for better risk management during design. The authors further propose coupling the calculations for the depth of frost penetration to an actual ground temperature profiles for one or more winter seasons where data is available, which will allow for further refinement of the calculations. The authors provide a worked example based on climatic data for a mine site in Northern Canada, coupled to data from thermistors installed for the proposed project. The authors also provide comments on the assessment of degrees above and below zero degrees Celsius from the available climatic data set for a given site.

RÉSUMÉ: La profondeur de pénétration du gel est requise pour de nombreux projets techniques dans lesquels la température de l'air ambiant est inférieure au gel pendant une période prolongée au cours de laquelle des sols sensibles au gel peuvent se déformer en raison de la formation de lentilles de glace. Lorsque cela est possible, il convient d'utiliser les données climatiques mesurées sur un site donné pour déterminer la profondeur de pénétration du gel, mais dans de nombreux cas, des données climatiques peuvent uniquement être disponibles à proximité d'un site, ce qui remet en question la validité des analyses. De plus, le calcul de la profondeur de pénétration du givre est très sensible à l'utilisation de coefficients de calcul empiriques. Les auteurs proposent d'utiliser des données climatiques évaluées statistiquement permettant d'estimer les périodes de retour pour une meilleure gestion des risques lors de la conception. Les auteurs proposent en outre de coupler les calculs de la profondeur de pénétration du gel aux profils de température réelle du sol pour une ou plusieurs saisons d'hiver où des données sont disponibles, ce qui permettra d'affiner les calculs. Les auteurs fournissent un exemple concret basé sur des données climatiques pour un site minier dans le nord du Canada, couplées à des données provenant tion des degrés au-dessus et au-

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Cite this article:
Charlie Harrison; Mark Bancroft (2019) Analyses of climatic data to determine the frost penetration depth based on statistical analyses and matching to measured ground temperature profiles in GEO2019. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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