Parameter Variation Analyses of Thermal Properties Used in Ground Temperature Simulations

J. McCaw, G. Siemens

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

Session: Cold Regions Geotechnology

ABSTRACT: Currently, 50% of the Canadian landmass is overlying either continuous or discontinuous permafrost. Many structures in these areas rely on the permafrost to provide stability to their foundations, including buildings, roads, railways, and soil embankments. If large swaths of permafrost begin to thaw, then roads and railways may become unusable, thereby isolating communities, increasing resource extraction costs, and hindering military operations. A previously calibrated thermal numerical model allows researchers to accurately model a permafrost profile over an extended period. However, numerical models are dependent upon, and thereby limited by, the reliability of their inputs. In the previously created model, a one-dimensional finite element model was developed and calibrated using a large dataset of in-situ temperature recordings; however, the soil properties, including thermal conductivity, thermal heat capacity, water content, and the unfrozen water content curves, were almost entirely unmeasured and were assumed. In this paper, the calibrated model inputs are varied over a wide range to assess the impact of the soil property inputs and determine the magnitude of change on the s outputs. The results show that, except for widely varied properties, the simulated trumpet curves and active layer depths were minimally impacted to both modifications in the thermal properties as well as the depth in the soil column at which the change was made.

RÉSUMÉ: À l'heure actuelle, 50% de la masse continentale canadienne recouvre un pergélisol continu ou discontinu. De nombreuses structures dans ces zones dépendent du pergélisol pour assurer la stabilité de leurs fondations, notamment des bâtiments, des routes, des voies ferrées et des remblais en terre. Si de larges bandes de pergélisol commencent à dégeler, les routes et les chemins de fer risquent de devenir inutilisables, isolant ainsi les communautés, augmentant les coûts d'extraction des ressources et entravant les opérations militaires. Un modèle numérique créé précédemment permet aux chercheurs de modéliser avec précision le comportement thermique du sol sur un pergélisol sur une longue période; Cependant, les modèles numériques dépendent de la fiabilité de leurs entrées et sont donc limités par celle-ci. Dans le modèle créé précédemment, un modèle unidimensionnel à éléments finis a été développé et calibré à l'aide d'un vaste ensemble de données d'enregistrements de température in simesurées. Les recherches effectuées dans le présent document ont été utilisées pour vérifier la sensibilité des entrées de propriétés du sol, afin de déterminer quelles propriétés ont un impacts. Les résultats indiquent que les résultats du modèle sont sensibles aux modifications de la propriété du sol, à l'ampleur de la modification de la propriété et à la profondeur de la colonne de sol à laquelle la modification a été apportée.

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Cite this article:
J. McCaw; G. Siemens (2019) Parameter Variation Analyses of Thermal Properties Used in Ground Temperature Simulations in GEO2019. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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