Numerical simulation of Frost Heaving Stresses on Piles Constructed in Cold Regions Using a Simplified Approach

RÉSUMÉ: L'interaction entre le sol gelé et les structures enfouies devient de plus en plus significative en raison des effets négatifs anticipés du réchauffement climatique. Ces impacts incluent une dégradation accélérée du pergélisol et un épaississement de la couche active. Les contraintes de soulèvement par le gel, qui se développent au sein de ces couches actives, jouent un rôle critique dans la conception des pieux faiblement chargés dans les régions froides. Cependant, la littérature existante montre plusieurs défis, incluant une compréhension conceptuelle limitée et un manque de justification théorique de ces contraintes, ainsi qu'une variabilité significative dans les valeurs rapportées et les méthodologies d'essai. Une simulation précise des contraintes de soulèvement par le gel dépend du développement de modèles constitutifs hydro-thermo-mécaniques complexes pour les effets du gel sur les structures enfouies, qui font encore défaut. Cet article présente une tentative de simulation numérique des contraintes de soulèvement par le gel utilisant la méthode des différences finies en trois dimensions mise en œuvre sur la plateforme FLAC3D. Cette approche utilise une méthode simplifiée qui intègre uniquement les effets de l'expansion volumique. Les résultats de la simulation numérique et les distributions de contraintes concordent bien avec les quelques données rapportées disponibles dans la littérature ayant suivi le développement et la distribution des contraintes. Cette méthode peut être considérée comme une première estimation conservatrice des contraintes de soulèvement par le gel. Davantage d'efforts sont nécessaires pour obtenir des mesures sur le terrain précises. Un programme d’essais est actuellement en cours à l’Université de Sherbrooke incluant des mesures en laboratoire et à l’échelle du terrain des contraintes de soulèvement.

ABSTRACT: The interaction between frozen ground and embedded structures is becoming increasingly significant due to the anticipated adverse effects of global warming. These impacts include accelerated permafrost degradation and thickening of the active layer. Frost-heaving stresses, which develop within these active layers, play a critical role in the design of lightly loaded piles in cold regions. However, the existing literature shows several challenges, including a limited conceptual understanding and a lack of theoretical justification for these stresses, as well as significant variability in reported values and testing methodologies. Accurate simulation of frost-heaving stresses depends on the development of complex hydro-thermo-mechanical constitutive models for frost-heave effects on embedded structures, which are still lacking. This paper presents an attempt to numerically simulate frost-heaving stresses using the three-dimensional finite difference method implemented in the FLAC3d platform. This approach uses a simplified method that incorporates solely the effects of volumetric expansion. Numerical simulation results and stress distributions agree well with the few available reported data in the literature that tracked stress development and distribution. This method could be considered a conservative first estimate of frost-heaving stresses. More effort is needed to obtain accurate field measurements. A test program is currently underway at the University of Sherbrooke including both laboratory and field-scale measurements of heave stresses.