An approach for finite element modeling of one-dimensional thaw consolidation

R.S. Dayarathne, B.C. Hawlader, D.J. Robert

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

Session: Cold Regions Geotechnology

ABSTRACT: Thawing of permafrost in the North could cause many issues such as the settlement in roads, foundations, pipelines, and slope instability. For a given above-zero temperature at the boundary (e.g., at the ground surface), the excess pore water pressure generates at the thaw front that moves with time depending upon the thermal properties of the soil. The excess pore water pressure generated in the thawed soil dissipates with time, and thaw consolidation occurs. This study presents a finite element (FE) modeling technique that can simulate heat transfer, including the thawing of ice-rich frozen soil, and generation of excess pore water pressure at the thaw front and its dissipation. The FE analyses are performed for a one-dimensional condition, and the results are compared with a simplified analytical technique. The developed FE method could be used for complex boundary value problems such as thawing of frozen soil around a warm buried pipeline.

RÉSUMÉ: La décongélation du pergélisol dans le Nord pourrait poser de nombreux problèmes, tels que le règlement des routes, des fondations, des pipelines et l'instabilité des pentes. Pour une température donnée au-dessus de zéro à la limite (par exemple à la surface du sol), la pression interstitielle en excès génère au front de dégel qui se déplace avec le temps en fonction des propriétés thermiques du sol. L'excès de pression interstitielle généré dans le sol décongelé se dissipe avec le temps et il se produit une consolidation par le dégel. Cette étude présente une technique de modélisation par éléments finis (FE) permettant de simuler le transfert de chaleur, notamment la décongélation d'un sol gelé riche en glace, la génération d'une pression interstitielle excessive dans le front de dégel et sa dissipation. Les analyses FE sont effectuées pour une condition unidimensionnelle et les résultats sont comparés à une technique analytique simplifiée. La méthode FE développée pourrait être utilisée pour résoudre des problèmes complexes liés aux valeurs limites, tels que la décongélation de sol gelé autour d'un pipeline enterré à chaud.

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R.S. Dayarathne; B.C. Hawlader; D.J. Robert (2019) An approach for finite element modeling of one-dimensional thaw consolidation in GEO2019. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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