Numerical modelling and InSAR monitoring of settlement in Champlain clays

Shafaei Shahboulaghi, Amirhossein (2022). Numerical modelling and InSAR monitoring of settlement in Champlain clays. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The presence of Champlain clay deposits in vast areas of eastern Canada brings a higher probability of geotechnical hazards in this region. Soil settlement is one of the geotechnical hazards that is believed to be strongly correlated to the presence of Champlain clays. High compressibility and significant soil moisture changes are two key elements involved in settlement of Champlain clays. Land subsidence in fine-grained soil is often caused by an excessive pore pressure decline. Numerical modelling of the pore pressure within clay aquitards can thus provide valuable information on the causes and progress of settlement.

The pore pressure fluctuations measured in deep aquitards are also correlated to moisture loading above it. Analyzing the pore pressure record corrected for barometric and Earth tide effects allows this correlation to be quantified. This relationship is more complex in shallow aquitards due to their stronger interactions with the surrounding environment. Seasonal fluctuations of the water table are an example of these interactions. These fluctuations induce pore pressure changes through transient flow. In the first part of this thesis, a finite-element model (FEM) was developed with COMSOL Multiphysics. The model simulates the pore pressure changes within a saturated Champlain clay aquitard using a coupled flow-deformation model. A MATLAB script was also prepared for the MATLAB LiveLink interface in COMSOL based on a series of hydrological equations. The MATLAB script iterates step-bystep on a total stress boundary conditions to replicate the pore pressure time series obtained in the field. These data were obtained from the Sainte-Marthe test site near Montreal, Canada.

The second part of this thesis is dedicated to InSAR monitoring and numerical modelling of settlement. It investigates the vertical ground movements between May 2017 and December 2019 on the test site using numerical modelling and the Persistent Scatterer InSAR (PSI) technique. In this regard, a model based on the finite element method (FEM) and Biot's poroelasticity theory was developed. The model estimates soil settlement and expansion using pore pressure measurements in the bedrock and fractured clay layer, and temperature obtained from a study site in Sainte-Marthe, Quebec. The model is capable of addressing the deformation separately in a hydraulically more active superficial top layer and deeper intact clay layer. To monitor the settlement at the study site, vertical displacements were calculated at a larger scale in the Vaudreuil-Soulanges region with the PSI technique using SARPROZ with linear and non-linear approaches.

The last part of this thesis deals with the monitoring of settlement on Montreal Island between April 2016 and April 2022. The displacement velocity was monitored using the PSI method and a linear technique all over the Montreal Island. The aim of this monitoring was to detect the main areas with large settlements on Montreal Island. The results in this thesis can be grouped in three parts. The results for the first part of this thesis dealt with numerical modelling of the pore pressure changes. These results showed that the model can reproduce the historical pore pressure time series reasonably well. Implementation of the MATLAB script could significantly improve the optimization results. Concerning the numerical modelling of settlement in the second part of the thesis, the results show a reasonable agreement between the FEM simulations and PSI estimates. A seasonal trend of displacement with a maximum range of 15 mm was estimated. Subsidence as large as 55 mm was estimated by the FEM model and non-linear PSI approach over a period of 30 months. Non-linear PSI could detect the non-linear displacement of the soil more effectively. The displacement velocity was -9 mm/year for the non-linear method compared to -8 mm/year for the FEM estimation. The long-term monitoring of the settlement on Montreal Island revealed that serious settlements up to -10 mm/year are in progress in certain areas of the Montreal Island. The continuous progress of settlement in this region might be induced by a decrease in the soil water moisture associated with the effect of climate change.

Titre traduit

Modélisation numérique et suivi insar du tassement dans les argiles champlain

Résumé traduit

La présence de dépôts d'argile de Champlain dans de vastes régions de l'est du Canada entraîne une probabilité plus élevée d'aléas géotechniques dans cette région. Le tassement des sols fait partie des aléas géotechniques fortement corrélés à la présence des argiles de Champlain. Une compressibilité élevée et des changements importants d'humidité du sol sont deux éléments clés impliqués dans le tassement des argiles de Champlain. L'affaissement du sol dans un sol à grain fin est souvent causé par une baisse excessive de la pression interstitielle. La modélisation numérique de la pression interstitielle au sein des aquitards argileux peut ainsi fournir des informations précieuses sur les causes et l'évolution du tassement.

Les fluctuations de pression interstitielle mesurées dans les aquitards profonds sont également corrélées à la charge d'humidité au-dessus. L'analyse des séries temporelles de la pression interstitielle corrigée pour les effets barométriques et les marées terrestres permet de quantifier cette corrélation. Cette relation est plus complexe dans les aquitards peu profonds en raison de leurs interactions plus fortes avec le milieu environnant. Les fluctuations saisonnières de la nappe phréatique sont un exemple de ces interactions. Ces fluctuations induisent des changements de pression interstitielle par écoulement transitoire. Dans la première partie de cette thèse, un modèle par éléments finis (MEF) a été développé avec COMSOL Multiphysics. Le modèle simule les changements de pression interstitielle dans un aquitard d'argile de Champlain à l'aide d'un modèle couplé écoulement-déformation. Un script MATLAB a également été préparé pour l'interface MATLAB LiveLink dans COMSOL sur la base d'une série d'équations hydrologiques. Le script MATLAB effectue une itération étape par étape sur des conditions aux limites de contrainte totale pour reproduire les données historiques de pression interstitielle obtenues sur le terrain. Ces données historiques ont été obtenues du site d'essai de Sainte-Marthe près de Montréal, Canada.

La deuxième partie de cette thèse est consacrée au suivi par interférométrie radar (InSAR) et à la modélisation numérique du tassement. Les mouvements verticaux du sol pour la période de de mai 2017 à décembre 2019 ont été étudiés pour le site d'essai de Sainte-Marthe à l'aide de la modélisation numérique et de la technique InSAR à diffuseurs permanents (PSI). Un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis (FEM) et la théorie de la poroélasticité de Biot a été développé. Le modèle estime le tassement et l'expansion du sol à l'aide de mesures de la pression interstitielle dans le substratum rocheux et la couche d'argile fracturée, et de la température obtenue à partir d'un site d'étude à Sainte-Marthe, au Québec. Le modèle est capable de traiter la déformation séparément dans une couche superficielle qui est hydrauliquement plus active et une couche d'argile intacte qui est moins perméable et plus molle. Pour suivre le tassement au site d'étude, les déplacements verticaux ont été calculés à plus grande échelle dans la région de Vaudreuil-Soulanges avec la technique PSI en utilisant SARPROZ avec des approches linéaires et non linéaires.

La dernière partie de cette thèse porte sur le suivi du tassement sur l'île de Montréal d’avril 2016 à février 2022. La vitesse de déplacement a été suivie à l'aide de la méthode PSI et d'une technique linéaire sur l'ensemble de l'île de Montréal. Le but de ce suivi était de détecter les principales zones de tassement important sur l'île de Montréal.

Le résultat de cette thèse peut être classé en trois sections. Les résultats de la première partie de cette thèse ont porté sur la modélisation numérique des changements de pression interstitielle. Ces résultats ont montré que le modèle peut reproduire raisonnablement bien la série temporelle historique de pression interstitielle. La mise en œuvre du script MATLAB pourrait améliorer considérablement les résultats d'optimisation. Concernant la modélisation numérique du tassement dans la deuxième partie de la thèse, les résultats montrent un accord raisonnable entre les simulations MEF et les estimations PSI. Une tendance saisonnière de déplacement avec une portée maximale de 15 mm a été estimée. Un affaissement aussi important que 55 mm a été estimé par le modèle MEF et l'approche PSI non linéaire sur une période de 30 mois. Le PSI non linéaire pourrait détecter plus efficacement le déplacement non linéaire du sol. La vitesse de déplacement était de -9 mm/an pour la méthode non linéaire contre -8 mm/an pour l'estimation MEF. Le suivi à long terme du tassement sur l'île de Montréal a révélé que des tassements importants jusqu'à -10 mm/an sont en cours dans certains secteurs de l'île de Montréal. Cette progression continue du tassement dans cette région pourrait être induite par la diminution de l'humidité de l'eau des sols associée aux effets du changement climatique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 200-219).
Mots-clés libres:	argile Champlain, pression interstitielle du sol, tassement du sol, InSAR, PSI, méthode des éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duhaime, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	05 déc. 2022 14:53
Dernière modification:	05 déc. 2022 14:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3115

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