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Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 °C

Abstract:

With the use of creep and constant strain rate (CSR) tests, mathematical formulations were found that describe the thermomechanical behaviour of ice-rich frozen soils. A Glen-type relationship was chosen for the formulation of minimum creep strain rates at temperatures between -4 °C and -1 °C. The shear strength of the material could be described by a Mohr-Coulomb failure criterion. Furthermore, it was possible to compare the creep behaviour with the strength of similar soils under constant strain rates. The minimum creep strain rate increases proportionally as the temperature approaches the melting point of the ice, which can be attributed to the increasing amount of unfrozen water, which strongly influences the mechanical response. Even though only a few tests could be used for the determination of the angle of friction and the apparent cohesion, the trend showed that the volumetric ice content influences both parameters, but only the latter seems to be influenced by the temperature and the applied compression strain rate.

Au moyen d’essais de fluage et à vitesse de déformation constante, on a trouvé des formulations mathématiques qui décrivent le comportement thermomécanique des sol gelés riches en glace. On a choisi une relation de type Glen pour la formulation des vitesses minimales de déformation en fluage à des températures entre -4 °C et -1 °C. La résistance au cisaillement du matériau pouvait être décrite par un critère de rupture de Mohr-Coulomb. De plus, il a été possible de comparer le comportement en fluage avec la résistance de sols similaires à des vitesses de déformation constantes. La vitesse minimale de déformation en fluage augmente proportionnellement à la température lorsque la température s’approche du point de fusion de la glace, ce qui peut être attribué à la quantité croissante d’eau non gelée qui influence fortement la réponse mécanique. Quoique seulement un petit nombre d’essais pouvait être utilisé pour la détermination de l’angle de frottement et de la cohésion apparente, la tendance a montré que la teneur volumétrique en glace influence les deux paramètres, mais seulement le dernier semble être influencé par la température et la vitesse de déformation appliquée en compression.

Authors:

Arenson, Lukas and Springman, Sarah M.

Index Terms:

Soil; Permafrost; frozen soil; creep; SoilGroup; soil behaviour; Arenson, Lukas; Springman, Sarah M.

Remarks:

available online at http://pubs.nrc-cnrc.gc.ca/cgi-bin/rp/rp2_desc_e?cgj

Further Information:

Date published: 2005