Finite element modeling of thermo-hydro-mechanical coupled processes in saturated and unsaturated frozen soils
Notice bibliographique
Résumé
In line with the sustainable development of northern Canada, extensive construction activities are taking place in local communities where the ground is composed of clay deposits. With a changing climate, the clay soil is expected to undergo more freeze-thaw cycles. This degradation poses a major threat to newly constructed infrastructure. Since soil is an essential part of the built environment, it is crucial to understand its behavior under freezing and thawing conditions. This thesis presents a comprehensive study on the mechanical and thermal-hydro-mechanical (THM) behaviors of frozen soils, focusing on both theoretical developments and practical applications. To achieve this, the research pays close attention to the interface between the compounds. It introduces a stiffness interface parameter to define complex interactions between clay-water composites and non-clay minerals at different temperatures. The key contribution of using this parameter includes developing a numerical homogenization model with the eXtended Finite Element Method (XFEM) to estimate the elastic properties of frozen clay soils. Subsequently, considering the interface between air-water capillary pressure and cryosuction, a two-dimensional THM finite element model was developed using the Finite Element Method (FEM) to analyze the coupled processes in unsaturated freezing soils by incorporating temperature-dependent properties and phase changes. Finally, the behavior of permafrost under the operation of Ground Source Heat Pump (GSHP) systems in thawing permafrost regions has been analyzed as part of a geo-energy and geological engineering project in the subarctic region of Umiujaq in northern Quebec. The study begins with an extensive literature review to establish the current state of knowledge and identify gaps in existing research. It then details the development and validation of numerical models, including their application to real-world scenarios. The findings highlight the importance of considering imperfect bonds between soil components, the complex interaction between air-water capillary pressure and cryosuction, the influence of phase change-induced strain, and the benefits and challenges of using GSHP systems in cold climates. Despite the significant advancements made, the research acknowledges several limitations, such as the need for more complex soil structure representations and broader validation efforts. Recommendations for future work emphasize enhancing model complexity, conducting long-term studies, and integrating field data to improve the accuracy and applicability of the models. Overall, this thesis advances the understanding of frozen soil mechanics and provides valuable tools for engineering applications in Arctic and subarctic regions. It contributes to the development of sustainable and resilient solutions for climate adaptation.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 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 source (Gemma direct ou Codex distillé), 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 ».