Parametric Study of Mechanical Properties for Saline Frozen Clay
Abstract
Frossen grunn er jord eller stein med temperatur under 0 °C og betegnes som et naturlig kompositt bestående av mineralkorn, is, vann og luft. Når jorden fryser, sementerer isen jordpartiklene sammen, noe som fører til økt styrke og senket permeabilitet. Temperatur, saltinnhold, tøyningshastighet og jordsammensetning kontrollerer den mekaniske oppførselen til frossen jord. Den mekaniske oppførselen er spesielt utsatt for forandring ved temperaturer nær tinepunktet, hvor faseendringer finner sted. Tining av frossen grunn kan føre til skred, telehiv og ytterligere setninger. Det er derfor viktig å forstå påvirkningen til de ulike parametrene på den frosne jordens styrke.
En rekke studier har blitt utført for å undersøke hvilke parametere som påvirker den mekaniske oppførselen til frossen jord. Det er derimot kun utført et begrenset antall studier på saltholdig frossen leire, spesielt ved temperaturer nært tinepunktet. I tillegg er det utført få studier på oppbyggingen av poretrykk i finkornet frossen leire. Denne oppgaven utfører treaksialforsøk på frossen saltholdig leire fra Onsøy for å undersøke hvordan styrke og poretrykk påvirkes av ulike parametere.
Resultatene viser at temperatur er den mest avgjørende faktoren når det kommer til styrke og oppbygging av poretrykk i frossen jord. Styrken i jorda øker lineært med avtagende temperatur i det testede temperaturområdet. Videre er det bevist at saltinnhold, tøyningshastighet og gjennomsnittlig effektivspenning påvirker den mekaniske oppførselen til frossen jord. Porevannsmålinger registrerte sug for flere tester, og det blir diskutert hvorfor dette kan oppstå i frossen jord. Til slutt er det utført en regresjonsanalyse for å oppsummere de parametriske effektene på saltholdig frossen leire. Frozen ground is soil or rock below 0 °C and a natural composite of solid particles, ice, water and air. When the soil freezes, the ice cements the soil particles together, leading to increased strength and lowered permeability. Temperature, salinity, strain rate and soil composition control the mechanical behaviour of frozen soil. The mechanical behaviour is particularly susceptible to alteration at temperatures near the point of thaw, where phase changes occur. Thawing ground may initiate landslide, increased frost heave and additional settlements. Thus, understanding the effect of each parameter on soil strength is important for geotechnical engineering in cold regions.
Numerous studies have been conducted to investigate which parameters impact the behaviour of frozen soil. However, the amount of research on saline frozen clay is limited, especially at subzero temperatures close to 0 °C. Additionally, few studies have been performed on pore water response in frozen fine-grained soils. This thesis conducts triaxial testing on frozen saline Onsøy clay to examine the effects of different parameters on soil strength and pore water response.
The results show that temperature is the most important factor considering both soil strength and pore water response in frozen soil. Strength increases linearly with decreasing temperature in the tested temperature range. Furthermore, salinity, strain rate and mean effective stress was found to influence soil strength. Pore water measurements recorded suction in several tests, reasons for suction in frozen soil is proposed and discussed. Lastly, a regression analysis is constructed to summarize the parametric effects on saline frozen clay.