“Numerical Modeling in Geotechnical Engineering with Applications in Cold Regions”

Date: Tuesday, July 24, 2018 – 2:00 p.m.

Location: E1-270 EITC

Examining Committee:

Dr. Eric Bibeau, P.Eng, Mechanical Engineering, U of M
Dr. Ahmed Shalaby, P. Eng., Civil Engineering, U of M
Dr. Pooneh Maghoul, P.Eng., Civil Engineering, U of M (Advisor)

Abstract:

The objective of this thesis is to apply thermal analysis, coupled thermo-hydraulic analysis, and fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis developed in this research to different engineering designs in cold regions. The applications addressed in this work vary from \textit{Geothermal Snow-Melting System Design} to \textit{Structural and Thermal Integrity of Buried Infrastructure} in cold regions.

A feasibility study of geothermal energy pile based snow melting system was performed for six major cities in Canada. The coefficient of performance (COP) of heat pump is derived and the number of geothermal piles are determined for each city based on its specific local geological condition and heating demand. Also, the economic feasibility study was performed to compare costs between the snow melting system for bridge decks using geothermal energy piles and electricity based heating system.

Also, the structural and thermal integrity of buried infrastructure were studied by performing an optimum design of rigid plastic foam insulations to protect buried utilities against frost damage and reduce the excavation cost. Furthermore, the effect of frost heave on the structural integrity of pavement structure and culverts are assessed.

RESUME:

Cette thèse a pour but d’appliquer les modèles de transfert de chaleur, de transfert couplé de masse et de chaleur, ainsi qu’un modèle thermo-hydro-mécanique complètement couplé, développé dans cette recherche, à différentes conceptions d’ingénierie dans les régions froides. Les applications abordées dans ce travail varient de la \textit {Conception Géothermique du Système de Déneigement} à \textit {L’Intégrité Structurelle et Thermique des Infrastructures Enterrées} dans les régions froides.

Une étude de faisabilité du système de déneigement basé sur des pieux géothermiques a été réalisée pour six grandes villes du Canada. Le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur en est dérivé et le nombre des pieux géothermiques est déterminé pour chaque ville en fonction de ses conditions géologiques locales et de la demande de chauffage. De plus, une étude de faisabilité économique a été réalisée pour comparer les coûts entre le système de déneigement des tabliers de pont utilisant des pieux géothermique et un système de chauffage à base d’électricité.

Ainsi, l’intégrité structurelle et thermique des infrastructures enterrées a été étudiée en réalisant une conception optimale des isolants rigides pour protéger les services publics enterrés contre les dommages causés par le gel et réduire les coûts d’excavation. De plus, l’effet du soulèvement dû au gel sur l’intégrité structurelle de la structure de la chaussée et des ponceaux est évalué.

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