A practical approach to obtain the Soil Freezing Characteristic Curve and the freezing/melting point of a soil-water system

Ronald Brinkgreve

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

Session: COLD REGIONS ENGINEERING

ABSTRACT: Knowing that extensive field tests and laboratory tests are time-consuming and expensive, this paper describes a practical approach to obtain crucial properties of frozen soil such as the soil freezing characteristic curve (SFCC), the freezing/melting point of a soil-water system and its hydraulic conductivity by means of limited input data. Different models and empirical equations are combined to provide a closed formulation which can be used in computer simulations to account for moisture migration in partially frozen soils. Input data such as grain size distribution and dry bulk density suffice to obtain the aforementioned properties. Further consideration of the pressure dependence of the freezing/melting temperature of water/ice even allows accounting for the phase change point depression and thus the phenomena of pressure melting. The model is appropriate not just to represent qualitatively the SFCC of different soil types, but also to provide conformity between the model prediction and measured data of many soil types having a log-normal grain size distribution. This user-friendly approach is used as default setting of a newly implemented user-defined soil model for frozen and unfrozen soil in the geotechnical finite element code PLAXIS 2D.

RÉSUMÉ: Conscient que les tests en laboratoire et sur le terrain sont chronophages et chers, cet article décrit une approche pratique pour obtenir des propriétés cruciales du sol, telles que la courbe caractéristique de gélement des sols (CCGS), le point de gel/dégel d'un système eau/sol et sa conductivité hydraulique au moyen de données d'entrée limitées. Différents modèles et équations empiriques sont combinés pour fournir une formulation close qui peut être utilisée dans des simulations numériques pour le transfert hydrique dans des sols partiellement saturés. Les données d'entrée telles que la granulométrie et la masse volumique sèche suffisent pour obtenir les propriétés citées en amont. La considération ultérieure de la dépendance de la pression vis-à-vis de la température de gel/fusion de l'eau/glace permet même de prendre en compte le déplacement du point de changement de phase et donc la pression de fusion. Ce modèle est approprié non seulement pour représenter qualitativement la CCGS de différents types de sols, mais aussi pour fournir de la conformité entre les données mesurées et prédites pour de nombreux sols, tant qu'ils possèdent une granulométrie suivant une distribution log-normale. Cette approche est utilisée par défaut dans le cadre un nouveau modèle d'utilisateur pour le gel et le dégel des sols dans le code aux éléments finis PLAXIS 2D.

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