Thermo-hydro-mechanical coupled modelling of frost actions in unsaturated soils

ABSTRACT: An accurate prediction of frost actions in unsaturated frozen soil is crucial for engineering projects in cold regions. Compared with frost actions in saturated soil, more physical variables, such as the air flux, vapor-water phase change should be incorporated to predict the frost heave in unsaturated soil. The effects of vapor, dry air on frost actions in unsaturated frozen soils have not been systematically analyzed in the literature due to the complexity of multi-physics processes. This paper presents a novel finite element model for simulating fully coupled thermo-hydro-mechanical processes in partially saturated soils exposed to freeze-thaw cycles. Physical processes include linear momentum conservation, heat conduction and convection, water-ice phase change, water (moisture) movement through cryo-suction, airflow, and the development of independent ice lenses. The water-ice phase change is modelled by means of a non-equilibrium approach considering both water supercooling and a hysteresis of ice content. The coupled nonlinear partial differential equations are solved numerically by means of the finite element method (FEM) using our in-house developed numerical code. The numerical results on frost actions of a seasonal frozen soil are demonstrated using our numerical code.

RÉSUMÉ: Une prédiction précise des actions du gel dans un sol gelé non saturé est cruciale pour les projets d'ingénierie dans les régions froides. Par rapport aux actions du gel dans un sol saturé, des variables plus physiques, telles que le flux d'air, le changement de phase vapeur-eau doivent être incorporées pour prédire le soulèvement par le gel dans un sol non saturé. Les effets de la vapeur et de l'air sec sur les actions du gel dans les sols gelés non saturés n'ont pas été systématiquement analysés dans la littérature en raison de la complexité des processus multi-physiques. Cet article présente un nouveau modèle d'éléments finis pour simuler des processus thermo-hydro-mécaniques entièrement couplés dans des sols partiellement saturés exposés à des cycles de gel-dégel. Les processus physiques comprennent la conservation de l'impulsion linéaire, la conduction et la convection de la chaleur, le changement de phase eau-glace, le mouvement de l'eau (humidité) par cryo-aspiration, le flux d'air et le développement de lentilles de glace indépendantes. Le changement de phase eau-glace est modélisé au moyen d'une approche de non-équilibre considérant à la fois la surfusion de l'eau et une hystérésis de la teneur en glace. Les équations aux dérivées partielles non linéaires couplées sont résolues numériquement au moyen de la méthode des éléments finis (FEM) en utilisant notre code numérique développé en interne. Les résultats numériques sur les actions du gel d'un sol gelé de façon saisonnière sont démontrés à l'aide de notre code numérique.