CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Tjälproblem i lerterrass
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Mining and Geotechnical Engineering.ORCID iD: 0000-0002-1365-8552
2018 (Swedish)Report (Other academic)
Abstract [sv]

I klimat med vintertemperaturer under noll grader fryser jorden och vatten övergår till is. För finkorniga och tjällyftningsbenägna jordar sugs vatten från lägre liggande ofrusna delar av jorden in i de delar som är frusna och isskikt bildas. Detta ger upphov till tjällyftning. För att undvika tjällyftningar designas konstruktioner så att tjälgränsen inte ska tränga ner i terrassen, där finkornig jord kan finnas. Trots detta är det inte ovanligt att tjälgränsen i delar av konstruktionen går djupare och tränger ner under terrassnivån. Det kan t ex bero på ett tvådimensionellt värmeflöde under slänter i väg- och järnvägsbankar, vid anslutningar till broar och vid genomföringar av typen kulvertar. När höga bankar av sprängsten används kan inre konvektion uppkomma och ge upphov till större tjäldjup än beräknat.

När en finkornig jord fryser kan tjällyftning ske och samtidigt sker en konsolideringsprocess med en omfördelning av vattnet i den frysande jorden. Vatten dras ut ur lerstrukturerna till stora porer där iskristaller växer. Vid tjällossningen bildas vatten av isen. Vattnet återgår inte in i strukturen utan dräneras succesivt bort och effekten blir en konsolideringsprocess. Fryskonsolideringen är beroende av det frysande materialets deformationsegenskaper, antalet fryscykler, frystemperatur mm. I rapporten beskrivs processen för fryskonsolideringen. Laboratorieförsök på totalt 45 prov av olika jordmaterial har utförts för att bestämma fryskonsolideringens storlek.

Vattenkvoten för proverna varierade mellan 25 % och 600%.  Uppmätt fryskonsolidering varierade mellan 0% och 85%. De höga värdena uppmättes för proverna med hög vattenkvot och de låga för prover med låg vattenkvot. Fryskonsolideringen har även relaterats till provens skrymdensitet innan frysning. Empiriska samband har etablerats mellan fryskonsolideringen och vattenkvoten, respektive med skrymdensiteten. Beräkningsexempel presenteras.

När prover fryser flera cykler uppmättes ca 85% av hela fryskonsolideringen ske vid första fryscykeln. Resterande delar sker vid efterföljande fryscykler. Processen fortgår upp mot ca 20 cykler. Vattenkvoten  minskar successivt vid frysning och tining. Fryskonsolideringen upphör när vattenkvoten uppnått jordens plasticitetsgräns och detta värde kan betraktas som ett slutläge för fryskonsolideringen.

 

Tjällyftningsbenägenheten har bestämts baserat på ”Segregation Potential Theory” och materialparametern ”SP”. Är SP högt blir tjällyftningen högre än om värdet på SP är lågt under för övrigt samma förhållanden. Leror har som regel måttligt höga SP värde och klassas som måttligt tjälfarliga i det svenska klassificeringssystemet (klass 3). När sådana leror genomgår frysning och tining sker en aggregering till följd av fryskonsolideringen. Materialet får en mera grovkornig struktur och tjällyftningsbenägenheten ökar. I rapporten redovisas hur SP-värdet för prov av 10 olika leror ökar efter frysning och tining med 1,6 till 3,4 gånger (160-340 %) det ursprungliga värdet. Detta medför att materialet istället klassificeras som mycket tjälfarligt (klass 4) i det svenska systemet.

Silt och siltiga jordar genomgår en liknande process under frysning och tining. Här finns dock inte initialt samma lösa struktur med partikelaggregat etc. som i fallet rena leror. Här packas istället materialet, vilket ger upphov till minskad hydraulisk konduktivitet med åtföljande minskad möjlighet för vattentransport. I dessa jordar minskar därför SP-värdet, eller förblir oförändrat, efter frysning och tining. Värdet på SP efter en fryscykel är ca 80-100% av värdet innan fryscykeln.

Abstract [en]

In a climate with winter temperatures below 0 °C, soil freezes and the pore water turns into ice. For fine-grained and frost susceptible soils water from unfrozen lower parts of the structure is sucked into the frozen parts and ice layers or ice lenes are formed, known as frost heave. In order to avoid frost heaving, structures are designed not to have the frost line penetrating into the sub soil, where fine-grained, frost susceptible soil may be present. Despite this, it is not unusual that this happens in parts of the construction. For example, this might be due to a two-dimensional heat flow below the slopes of road and/or railway embankments, at connections to bridges and around pipes and tubes of culvert type. When high embankments of coarse rock fill with open structure is used, internal convection might be initiated thus increasing the heat flow with a corresponding greater frost depth.

When a fine-grained soil freezes, frost heave might occur and at the same time a consolidation process takes place within the freezing soil, with redistribution of water. Water is sucked out of the soft clay structures with its weak aggregates to the big pores where ice crystals grow. At thaw, water is formed from ice, but the water will not go back into the clay structure again. Instead, it is gradually drained away and the effect will be a consolidation process of the soil.

The magnitude of freeze/thaw consolidation is dependent of the deformation properties of the freezing soil, number of freezing cycles, freezing temperatures, etc. In this report the theoretical background to freeze/thaw consolidation process is described. Laboratory tests on 45 samples of different soil materials have been carried out, in order to determine the magnitude of freeze/thaw consolidation. The tests are described in the report.

The water content of the samples varied between 25% and 600%. The determined freeze/thaw consolidation varied between 0% and 85%. The high values were obtained for samples with high water content and low for samples with low water content. The freeze/thaw consolidation has also been related to bulk density of the samples before freezing. Empirical relationships have been established between the freeze/thaw consolidation and water content and the bulk density respectively. Calculation examples are presented.

When samples are subjected to a number of freeze/thaw cycles, approximately 85% of the entire freeze/thaw consolidation takes place at the first freezing cycle. The remaining consolidation takes place at subsequent freezing cycles and continues up to approx. 20 cycles. Water content decreases gradually by freeze/thaw. Freeze/thaw consolidation ends when the water content reaches the plastic limit and this value can be considered as the final state.

 

The frost susceptibility has been determined based on the "Segregation Potential Theory" and material parameter "SP". If SP is high, then frost heave will be higher than if SP has a lower value under the same conditions. Clays usually have moderately high SP-values and are correspondingly classed as moderately frost susceptible in the Swedish classification system (class 3). When such clays are subjected to freeze/thaw an aggregation takes place due to freeze/thaw consolidation. The material gets a more coarse-grained structure facilitating water transport and frost susceptibility increases accordingly. In the report it is demonstrated how the SP value of samples of 10 different clays increases after freeze/thaw with 1.6 to 3.4 times (160-340%) the original value. This means that the classification changes from class 3 to class 4 i.e. highly frost susceptible. 

Silt and silty soils undergo a similar process during freeze/thaw. In these soil types, there are no initial weak structure with aggregates as in clays. Instead the material is compacted with correspondingly lower hydraulic gradient. In these soils the SP value is therefore reduced, or remains unchanged, after freezing and thawing. SP after a freezing cycle is approximately 80-100% of its value before the freezing cycle.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 29
Series
BIG – Branschsamverkan i grunden
Keywords [en]
Freeze/thaw, consolidation, volume change, fine-grained soils, frost susceptibility
Keywords [sv]
Frysning, tining, konsolidering, volymförändring, finkornig jord, tjällyftningsegenskaper
National Category
Geotechnical Engineering
Research subject
Soil Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-73742OAI: oai:DiVA.org:ltu-73742DiVA, id: diva2:1306707
Note

Rapporten är framtagen inom ramen för BIG av Sven Knutsson. BIG är ett branschprogram för forskning inom geoteknik och grundläggning för Trafikverkets syfte och behov. BIG är finansierat av Trafikverket som även finansierat den aktuella studien.

Available from: 2019-04-24 Created: 2019-04-24 Last updated: 2019-04-29

Open Access in DiVA

fulltext(1258 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1258 kBChecksum SHA-512
42e0461305f987f138904345de0b85ba51fd66dab720533fe010649422af530a2120173b99fdf6365291111abe8f8509d15710e492b6434b986da04ad5f66e44
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Knutsson, Sven
By organisation
Mining and Geotechnical Engineering
Geotechnical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 19 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf