Evaluation and application of a constitutive model frozen and unfrozen soil

Ronald Brinkgreve

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: COLD REGIONS ENGINEERING

ABSTRACT: Recently, a constitutive model has been developed describing the mechanical behaviour of frozen soil as a function of temperature, all the way to the unfrozen state, and vice versa (Ghoreishian et al., 2016). The model has been implemented as a user-defined soil model in the geotechnical finite element code PLAXIS 2D and applied in practical thermo-hydro-mechanical boundary value problems. One of the problems with the use of a model for frozen / unfrozen soil is that it involves several parameters of which quite a few are not very common to geotechnical engineers. Hence, one of the goals of our study is to provide more information on the meaning and the determination of the model parameters. As an example of the use of the constitutive model, two hypothetical cases are presented. The first one is a chilled pipeline causing a drop in the ground temperature leading to frost heave. The second one is a raft foundation on frozen ground subjected to a thawing period.

RÉSUMÉ: Récemment, une loi de comportement a été développée pour décrire le comportement mécanique des sols gelés en tant que fonction de la température, d'un état complètement gelé à dégelé, et inversement (Ghoreishian et al., 2016). Ce modèle a été implémenté comme un modèle utilisateur dans le code aux éléments finis PLAXIS 2D, et appliqué à des problèmes aux limites concrets de nature thermo-hydro-mécanique. Un des problèmes lié à l'utilisation de modèles pour les sols gelés et dégelés est que de nombreux paramètres sont nécessaires, dont plusieurs peu communs aux ingénieurs géotechniciens. Ainsi, l'un des objectifs de cette étude est de fournir davantage d'information quant à la signification physique et à la détermination des paramètres du modèle. Comme exemple d'application du modèle, deux cas hypothétiques sont présentés. Le premier est une canalisation refroidie, provoquant une chute de la température dans le sol entraînant un soulèvement par le gel. Le second est un radier soumis à une période de dégel.

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