Initialization of coupled thermo-hydro-mechanical models of permafrost terrain using the frozen-ground-fem package
Notice bibliographique
Résumé
Permafrost degradation under climate change poses growing risks to infrastructure and environmental stability in cold regions. Processes such as frost heave, thaw settlement, and thermokarst are intensifying due to rising temperatures, changing precipitation, and evolving snow and surface hydrology. While many thermal models capture heat transfer in permafrost, they often overlook the coupled thermal, hydraulic, and mechanical (THM) interactions that are crucial for predicting thaw-induced deformation and consolidation. A critical yet underreported aspect of permafrost modelling is the “spin-up” phase: an initialization procedure that applies cyclic boundary forcing to stabilize subsurface conditions before transient simulations. Prior studies, including Ross et al. (2022) , demonstrated that thermal spin-up alone can require over 10,000 cycles for permafrost ground, but neglected hydromechanical effects such as void ratio evolution and stress redistribution. In this study, we extend Ross et al.'s approach by implementing a coupled THM spin-up strategy using the open-source Python 3 package frozen-ground-fem. This one-dimensional, large-strain finite element framework solves for both temperature and void ratio, incorporating phase change, cryosuction, nonlinear constitutive laws, and residual stress initialization. Examples using Ross et al.'s input data illustrate how coupled initialization improves stability and accuracy of permafrost predictions. Our results demonstrate that joint thermal and hydromechanical spin-up significantly alters equilibrium profiles and enhances simulation reliability. The frozen-ground-fem model is freely available on GitHub, supporting open and reproducible development of climate-resilient permafrost infrastructure models. • Thermo-hydro-mechanical spin-up using the open-source frozen-ground-fem package. • Coupled temperature and void ratio profiles establish initial ground conditions. • Sub-Arctic and Arctic sites show distinct thermal and mechanical ground conditions. • Reproducible initialization method for robust THM modelling of permafrost terrain. • Coupled spin-up enhances model stability for long-term permafrost simulations.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,002 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,002 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».