Comprender Permafrost y su impacto en la infraestructura

El permafrost es cualquier terreno que permanece a 0 °C por al menos dos años consecutivos. Se subyace alrededor del 24 por ciento de la superficie de tierra expuesta del hemisferio norte, predominantemente en las regiones árticas, sub-árticas y altas de montaña. Para ingenieros y planificadores encargados de construir carreteras, aeropuertos, tuberías y edificios en estas zonas, el permafrost es el único geoestico que desaparece.

La naturaleza de la permafrost: Tipos y comportamiento termal

El permafrost no es uniforme en todo el paisaje. Varía en extensión espacial, contenido de hielo y sensibilidad a los cambios de temperatura. Los ingenieros geotécnicos clasifican el permafrost en tres categorías amplias basadas en la cobertura: permafrost continuo (bajo el 90-100% del paisaje), permafrost discontinuo (50-90%), y esporádico permafrost (menoso)

La capa más alta del suelo, conocida como la capa activa], descongela cada verano y relibera cada invierno. Su espesor depende del clima local, la vegetación y el tipo de suelo. El desarrollo de la infraestructura puede interrumpir el equilibrio térmico natural de la capa activa, aumentando su profundidad y exponiendo el hielo permafrost debajo. Una vez que se inicia el descongelamiento, el proceso puede ser auto-eniente

Principales desafíos de ingeniería Posed by Permafrost

Thaw Settlement and Ground Instability

Cuando se reparan los despojos permafrost, el agua resultante es expulsada y el volumen del suelo disminuye, causando asentamiento de los deshielos. Esto puede ser dramático: una caída de varios metros en un asunto de años si el contenido de hielo es alto.

Heave Frost y formación de lentes de hielo

Durante el ciclo de congelación, el movimiento de agua hacia el frente de congelación puede crear lentes de hielo. Estos lentes pueden elevar la superficie terrestre por varios centímetros, un fenómeno conocido como heave de helada. Mientras que el heave de helada es más común en suelos estacionalmente congelados, también ocurre en regiones permafrost cuando la capa activa se relibere.

Dificultades de excavación

El suelo congelado es lento y caro. En invierno, el permafrost se convierte en duro de roca, que requiere un arañazo pesado, pre-blasting o el uso de sierras de roca. En verano, la capa activa descongelada puede llegar a ser ] despisado]—un depósito orgánico saturado de agua que es casi imposible trabajar con el régimen de construcción que prolongar los proyectos.

Cambio Climático y el Loop de Retroalimentación Permafrost

El calentamiento global está aumentando las temperaturas anuales en las regiones polares a más del doble del promedio mundial. A medida que aumentan las temperaturas del Ártico, la capa activa se engrosa y la magnitud de los contracción de permafrost. Esto tiene un impacto directo en la infraestructura: hebilla de carreteras, pistas de aeropuerto desarrollan grietas longitudinales y cimientos de construcción.

Estrategias de ingeniería para la adaptación de Permafrost

En las últimas seis décadas, los ingenieros han desarrollado una serie de técnicas para construir con seguridad sobre el permafrost. El principio fundamental es preservar el estado congelado del suelo bajo la estructura. Esto puede lograrse ya sea evitando que el calor entre en el suelo o eliminando activamente el calor. La elección de la estrategia depende de la temperatura permafrost, el contenido de hielo, el tipo de edificio y el presupuesto.

Estructuras elevadas y fundaciones de pile

Uno de los métodos más exitosos es elevar el edificio en pilas que se extienden a través de la capa activa en el suelo permanentemente congelado. Este diseño crea una brecha del aire entre la planta del edificio y la superficie del suelo, permitiendo que el aire frío del invierno circula y mantenga las temperaturas de permafrost. En verano, el efecto de afeitado del edificio reduce la calefacción solar de la tierra.

Termosofón y tubos de calor

Los termofones son dispositivos pasivos de transferencia de calor que extraen calor del suelo y lo liberan en el frío aire de invierno. Consisten en un tubo sellado que contiene un refrigerante que se evapora cuando se calienta por el suelo y se eleva a una sección de radiador donde se condensa y libera el calor. No se requiere energía externa. Los termofones se utilizan ampliamente para estabilizar fundaciones, terraplías de carreteras y pistas de aeropuerto.

Paletas de grava y capas de aislamiento

Una técnica más simple pero eficaz es colocar una gruesa almohadilla de grava sobre el suelo original antes de la construcción. La almohadilla de grava actúa como un búfer térmico: proporciona drenaje, reduce la penetración de la sierra de verano y permite que el aire frío circula bajo la estructura si el almohadilla es suficientemente grueso. Además, el flujo de poliestireno extruido (XPS) o el método de espuma de poliuretano se puede colocar dentro de la al mínimo de la al límite de calor.

Fundaciones de Adfreeze y Desplazamiento

Para estructuras más pequeñas como postes de utilidad y edificios ligeros, se liberan pilas] se basan en el vínculo entre la superficie de la pila y el suelo congelado para resistir fuerzas de elevación del helado. Este método es económico pero requiere un control de calidad cuidadoso durante la instalación para asegurar un buen vínculo. Otro enfoque es la pila de desplazamiento

Construcción rápida y el tiempo estacional

Debido a que la capa activa es sensible a la perturbación, muchos proyectos programan grandes trabajos de tierra durante el invierno cuando el suelo está congelado y el equipo puede viajar sin causar daño térmico. La construcción de invierno también permite el uso de carreteras de hielo y puentes de hielo para el transporte de materiales pesados. En verano, se hacen esfuerzos para minimizar la eliminación de vegetación, ya que la capa aislante de mosss y materia orgánica ayuda a mantener la superficie acelerada.

Estudios de casos: Lecciones de proyectos principales

El sistema de tuberías Trans-Alaska (TAPS)

Los sistemas de permafrico se han mantenido en el campo de la ingenuaidad, y se han mantenido en el campo de la intemperie, y se han mantenido en el campo de la ingenuidad, y se han mantenido en el campo de la ingenieria, en el que se han mantenido los sistemas de permafrost.

Qinghai-Tibet Railway

El resultado de la construcción de un terreno de gran tamaño es de 1.100 kilómetros a través de la meseta tibetana, gran parte de los cuales está subida por permafrost cálido y rico en hielo, este ferrocarril (completado en 2006) es el ferrocarril más alto y más desafiante jamás construido.

La autopista Alaska y la autopista Dempster

Las carreteras construidas sobre permafrost sufren de un problema específico: el pavimento oscuro absorbe la radiación solar, calentando el suelo abajo. La autopista Dempster en Canadá, que se extiende al Ártico, experimenta la degradación rápida del pavimento debido a la baja permafrost. Los equipos de mantenimiento han experimentado con tratamientos superficiales de color claro, capas de aislamiento y mejoras de drenaje.

Consideraciones ambientales y reglamentarias

La construcción de las zonas de permafrost no puede continuar sin una evaluación ambiental cuidadosa. La perturbación de la tundra puede desencadenar thermokarst—tierra irregular y húmeda formada por el derretamiento de hielo terrestre 2.0, que altera los patrones de drenaje, destruye hábitat de fauna y libera carbono en la atmósfera.

Grupos ambientales y comunidades indígenas han planteado preocupaciones sobre los impactos acumulativos de múltiples proyectos en un Ártico de calentamiento. Por ejemplo, el proyecto Alaska LNG ha pasado años de revisión sobre sus impactos en los medios de subsistencia y la subsistencia. Se espera que los ingenieros se comprometan cada vez más con los interesados en el proceso de planificación e incorporen el conocimiento local de las condiciones de permafrost en los diseños.

Mirando hacia adelante: Innovaciones y futuras direcciones

Como el amortiguador y los descongeladores de los pies, la industria de la construcción está invirtiendo en nuevas tecnologías. Una zona emergente es fundaciones estables mediante bombas de calor que pueden cambiarse a modo de refrigeración durante el verano, manteniendo el terreno bajo edificios congelados incluso en un clima más cálido.

La adaptación al cambio climático está forzando un cambio de diseño estático a la planificación adaptable. En lugar de tratar de preservar el permafrost a todos los costos, algunos ingenieros ahora diseñan para el descongelamiento controlado, permitiendo que la estructura se establezca gradualmente de una manera predecible. Este enfoque, llamado diseño "congelador" , se utiliza en áreas donde el permafrost es demasiado cálido o los límites de hielo aceptables.

Conclusión

Permafrost sigue siendo uno de los obstáculos más formidables para el desarrollo de infraestructura en regiones frías. Su sensibilidad a los cambios de temperatura, alto contenido de hielo y complejas interacciones con el clima exigen un nivel de sofisticación de ingeniería que es único entre los desafíos geotécnicos. Sin embargo, el último medio siglo ha producido una cartera notable de soluciones, desde el simple acolchado de tierra hasta la avanzada matriz termo-acelerada.

Referencias y lecturas posteriores