Study of ice content and hydro-mechanical behaviour of frozen soils
Authors:   , Mao Yanxin 
Published: July 2023

The hydro-mechanical behaviour of soils during freezing and thawing is a coupled multi-physics process that has important practical applications. To cite but a few examples, on artificial ground freezing –to provide structural support and exclude the groundwater from underground constructions–, on seasonal variations of permafrost soils and their consequences on infrastructures, on geocomposite capillary barriers used to reduce frost heave in soils, and on engineered barriers subjected to freezing and thawing processes. Despite this importance, ice content and its migration process, as well as the coupled hydro-mechanical behaviour have not been extensively studied in partially saturated frozen soils. In these soils, ice formation increases the number of phases and the complexity of the experimental studies.
In this thesis, the unfrozen liquid saturation and the hydro-mechanical behaviour of two frozen soils (Barcelona clayey silt and fine sand) have been investigated at different initial degrees of saturation. A series of experimental setups have been designed and built to perform the tests (oedometer cell installed in a freezing/thawing chamber to control the temperature up to -15°C; setup for freezing cylindrical samples in an electrical resistivity tomography ERT cell with 16 lateral electrodes).
Different methods have been considered and several models proposed in the thesis to indirectly determine the unfrozen liquid saturation of compacted soils at different temperatures, porosities and initial degrees of saturation. The methods rely on measurements during transient freezing of the bulk electrical conductivity EC, relative dielectric permittivity, and thermal conductivity. In the case of EC tests, the unfrozen liquid saturation results have been interpreted with a modified Archie’s law and compared to the electrical conductivity of the pore liquid. The soil freezing retention curve (unfrozen liquid saturation vs temperature) has been also estimated by combining the Clausius-Clapeyron equation with water retention data on drying, as well as with a capillary bundle model with mercury intrusion porosimetry MIP results. A very good agreement has been found between the proposed approach using bulk EC measurements and the water retention and porosimetry results, which validated the proposed models.
The EC model has been used to interpret the transient freezing of cylindrical homogeneous samples that have been exposed to very low temperatures at its central axis (-15°C) and with adiabatic conditions imposed at the external boundaries. A 2D ERT setup is used to monitor the phase change and the migration of pore liquid. Reconstructed maps of EC have been translated into images of temperature and unfrozen liquid saturation at different elapsed times. The reconstructed temperature field showed good agreement with direct temperature measurements using inserted thermocouples. The ERT tests have been also performed on homogeneous samples with inclusions (low electrical conductive or high electrical conductive zones), which indicated that the ERT system could perfectly detect the effects of these anomalies on a transient freezing process.
The volume change behaviour on freezing/thawing has been investigated on saturated samples using temperature controlled oedometer cells under different constant vertical stresses. A small irreversible compression has been systematically detected after a freezing/thawing cycle on different soils, which depended on the current stress state. The microstructural changes of the compacted samples after freezing/thawing paths have been also explored using MIP and field emission scanning electron microscopy FESEM observations, which have been analysed using PCAS image processing software. MIP results have indicated that the freezing/thawing process might have decreased the macropore volume (between aggregates) and enlarge some micropore volume.
El comportamiento hidromecánico de los suelos durante la congelación y descongelación es un proceso multifísico acoplado que tiene importantes aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en la congelamiento artificial del terreno -para dar soporte estructural y evitar el agua en construcciones subterráneas-, en las variaciones estacionales de suelos permafrost y sus efectos sobre las infraestructuras, en las barreras capilares utilizadas para reducir los efectos de heladas, y en barreras de ingeniería sometidas a ciclos de congelación/descongelación. A pesar de esta importancia, el contenido de hielo y su proceso de migración, así como el comportamiento hidromecánico acoplado, no se han estudiado en forma extensa en los suelos parcialmente saturados. En estos suelos, la formación de hielo aumenta el número de fases y la complejidad de los estudios experimentales. Se han estudiado el grado de saturación de líquido descongelado y el comportamiento hidromecánico de dos suelos congelados (limo arcilloso de Barcelona y arena fina) a diferentes grados de saturación iniciales. Se han diseñado y construido una serie de equipos experimentales para realizar los ensayos (célula edométrica en una cámara de congelación/descongelación para controlar la temperatura hasta -15 °C; equipo para congelar muestras cilíndricas en una célula de tomografía de resistividad eléctrica ERT con 16 electrodos laterales). Se han utilizado diferentes métodos y se han propuesto modelos para determinar indirectamente la saturación de líquido descongelado en suelos compactados a diferentes temperaturas, porosidades y grados de saturación iniciales. Los métodos se basan en mediciones de la conductividad eléctrica del suelo EC, la permitividad dieléctrica relativa y la conductividad térmica. En el caso de los ensayos de EC, los resultados se han interpretado con una ley de Archie modificada y se han comparado con la conductividad eléctrica del líquido intersticial. La curva de retención de congelación del suelo (grado de saturación de líquido descongelado frente a temperatura) se estimó combinando la ecuación de Clausius-Clapeyron con los datos de retención al agua durante el secado, así como con un modelo capilar utilizando porosimetría de intrusión de mercurio MIP. Los resultados de las mediciones de EC, así como de retención al agua y porosimetría, han sido muy consistentes lo que ha permitido validar al modelo. El modelo EC se ha utilizado para interpretar la etapa transitoria de congelación de muestras cilíndricas, que han estado expuestas a temperaturas muy bajas en su eje central (-15 °C) y con condiciones adiabáticas en los contornos. Se utiliza ERT 2D para controlar el cambio de fase y la migración del líquido de poro. Los mapas reconstruidos de EC se han convertido en mapas de temperatura y de saturación de líquido descongelado a lo largo del tiempo. El dominio reconstruido de temperatura resultó ser consistente con las medidas directas de temperatura con termopares. Los ensayos ERT también se realizaron sobre muestras con inclusiones (zonas de alta o baja conductividad eléctrica), que han evidenciado la utilidad de este método para detectar los efectos de estas anomalías durante una congelación. Los cambios de volumen durante un ciclo de congelación/descongelación se han investigado sobre muestras saturadas a diferentes tensiones verticales constantes utilizando células edométricas de temperatura controlada. Se ha detectado una pequeña compresión irreversible después de la congelación/descongelación, que depende del estado tensional. También se han estudiado los cambios microestructurales generados después de un ciclo de congelación/descongelación utilizando MIP e imágenes de microscopía electrónica FESEM analizadas mediante tratamiento de imágenes PCAS. Los resultados de MIP han indicado que el ciclo de congelación/descongelación podría haber disminuido el volumen de macro