Soil-freezing characteristic curve of Toronto Silty Clay

Junping Ren, Sai K. Vanapalli

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoOttawa 2017: 70th Canadian Geotechnical Conference; 12th joint with IAH-CNC

Session: Cold Regions II

ABSTRACT: In frozen soils, unfrozen water and ice coexist. The change in the amounts of unfrozen water and ice contribute to the variation in the physical and mechanical properties of the frozen soils. The unfrozen water content is a function of subzero temperature or cryogenic suction. The relationship between the unfrozen water content and subzero temperature (or cryogenic suction) is commonly referred to as soil-freezing characteristic curve (SFCC) in the literature. Since the constitutive relationships for hydraulic, thermal, and mechanical properties of frozen soils are functions of the quantity of unfrozen water, the SFCC is essential for modeling the transport of water, heat, and solutes in frozen soils. In this paper, investigations related to the SFCC of Toronto silty clay (TSC), which is widely used as subgrade material in the Toronto region of Ontario province, are summarized. The unfrozen volumetric water content was measured by the EC-5 moisture sensor, and the subzero temperature was measured by the RT-1 rugged temperature sensor. The SFCC and its hysteretic characteristic are presented and discussed. The results show that variations in temperature versus elapsed time are different under step freezing and direct freezing conditions. The SFCC exhibits hysteretic behavior similar to soil-water characteristic curve (SWCC). The supercooling of water is considered as the main reason for the hysteresis of the SFCC. The inconsistencies in the measured SFCC in part may be due to specimen expansion when the specimen was saturated by submerging it in water. The results summarized in this paper provide valuable information related to the physical and mechanical characteristics of frozen subgrade soils for use in the pavement engineering practice of Toronto region in Ontario.

RÉSUMÉ: Dans les sols congelés, l'eau non glacée et la glace coexistent. La modification des quantités d'eau et de glace non glacées contribue à la variation des propriétés physiques et mécaniques des sols congelés. La teneur en eau non gelée est fonction de la température sous-zéro ou de l'aspiration cryogénique. La relation entre le contenu en eau non gelé et la température sous-zéro (ou l'aspiration cryogénique) est communément appelée courbe caractéristique de congélation (SFCC) dans la littérature. Étant donné que les relations constitutives pour les propriétés hydrauliques, thermiques et mécaniques des sols congelés sont fonction de la quantité d'eau non gelée, le SFCC est essentiel pour modéliser le transport de l'eau, de la chaleur et des solutés dans les sols congelés. Dans cet article, les enquêtes relatives à la SFCC de l'argile silencieuse de Toronto (TSC), qui est largement utilisée comme matériau de dégradation dans la région de Toronto, dans la province de l'Ontario, sont résumées. La teneur en eau volumétrique non congelée a été mesurée par le capteur d'humidité EC-5, et la température sous-zéro a été mesurée par le capteur de température RT-1 robuste. Le comportement de SFCC et la caractéristique hystéreuse de TSC sont présentés et discutés. Les résultats montrent que les variations de température par rapport au temps écoulé sont différentes dans des conditions de congélation progressive et de congélation directe. Le SFCC présente un comportement hystéretique similaire à la courbe caractéristique sol-eau (SWCC). Le super-refroidissement de l'eau est considéré comme la raison principale de l'hystérésis du TSC. Les incohérences dans le SFCC mesuré sont en partie attribuables à l'expansion de l'échantillon lorsque l'échantillon a été immergé dans l'eau et saturé. Les résultats résumés dans cet article fournissent des informations précieuses liées aux caractéristiques physiques et mécaniques des sols de sous-sol congelés à utiliser dans la pratique de l'ingénierie des chaussées de la région de Toronto en Ontario.

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