Controlled preconstruction thawing of ice-rich permafrost using a closed-loop steam-driven probe

Le réchauffement climatique accélère la dégradation des pergélisols riches en glace, augmentant les risques de tassement dû au dégel et d’instabilité des infrastructures dans les régions nordiques. Le dégel contrôlé avant la construction constitue une stratégie d’adaptation prometteuse. Cependant, les techniques existantes sont souvent limitées par une faible pénétration thermique, des performances dépendantes du type de sol, des contraintes saisonnières et l’accumulation excessive d’eau. Cette étude a examiné une nouvelle technique de dégel par vapeur en circuit fermé au moyen de modélisations physiques à petite échelle réalisées sous accélération gravitationnelle normale (1-g). L’influence de la teneur en glace excédentaire sur le comportement du dégel et la demande énergétique en vapeur a été évaluée. Les résultats montrent qu’une augmentation de la teneur en glace excédentaire accroît significativement l’énergie de vapeur requise. À mesure que le dégel progressait, l’accumulation d’eau de fonte dans des dépressions proches de la surface consommait une fraction croissante de l’énergie fournie sous forme de chaleur sensible, réduisant ainsi l’énergie disponible pour la propagation continue du dégel vers les couches gelées plus profondes, tout en augmentant le dégel radial près de la surface.

Abstract

Climate warming is accelerating the degradation of ice-rich permafrost, increasing risks due to thaw settlement and infrastructure instability in northern regions. Controlled thawing prior to construction presents a promising adaptation strategy. However, existing techniques are often limited by shallow heat penetration, soil-dependent performance, seasonal constraints, and excess water accumulation. This study investigated a novel closed-loop steam-driven thawing technique through small-scale physical modeling under normal gravitational acceleration (1-g). The influence of excess ice content on the thawing behavior and steam energy demand was evaluated. Results show that increasing excess ice content significantly increased the required steam energy. As thaw progressed, meltwater accumulation within near surface depressions consumed an increasing fraction of the supplied energy through sensible heating, reducing the energy available for continued thaw propagation into deeper frozen ground while increasing radial near-surface thaw.