Frost action may cause extensive damage to building, structures, roads, railways and utility lines in seasonal frost. The research about frost heave of natural ground has been considerably performed. In late years various structures have become complicated with the development of social infrastructure maintenance. Therefore countermeasure to frost heave becomes a matter of great importance from a new viewpoint. This study was aimed at catching natural ground frost heaving force quantitatively. Frost heaving forces on circular steel plates which were set on ground surface were measured in field test. The frost heaving forces arise at freezing front propagates to the structures through frozen soil layer. Besides, a full scale model of multi-anchored retaining wall was installed in field, and the freezing lines, frost heave pressure to act on a wall block, and so on were measured. Finally, the position and shape of frost line were estimated by using numerical simulation and a method to determine replacement range was suggested with soil properties and weather data.
Ji, Subin;Jang, Sung Min;Hwang, Soon Gap;Lee, Kicheol;Kim, Dongwook
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.19
no.3
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pp.43-47
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2016
Pile foundations constructed on extremely cold regions cause serviceability problems of superstructures from repeated actions of ground freezing and thawing. Oil sand module plants are mainly constructed on seasonal frozen ground. Due to the freezing and thawing actions of grounds, vertical movements of piles have been observed. To solve these erratic pile movement problems, thin vertical layer of PET aggregates is installed around the pile shaft to prevent potential unfavorable pile movements. There is no known method to calculate "thin PET aggregate layer" -surrounded pile shaft resistance (capacity) against vertical loads; therefore, this experimental research is conducted. Specifically, in this study, horizontal (normal) pressures on pile shaft were assessed varying PET aggregate layer thickness based on the experiment.
Accurately estimation of the geo-mechanical parameters in Artificial Ground Freezing (AGF) is a most important scientific topic in soil improvement and geotechnical engineering. In order for this, one way is using classical and conventional constitutive models based on different theories like critical state theory, Hooke's law, and so on, which are time-consuming, costly, and troublous. The others are the application of artificial intelligence (AI) techniques to predict considered parameters and behaviors accurately. This study presents a comprehensive data-mining-based model for predicting the Young's Modulus of frozen sand under the triaxial test. For this aim, several single and hybrid models were considered including additive regression, bagging, M5-Rules, M5P, random forests (RF), support vector regression (SVR), locally weighted linear (LWL), gaussian process regression (GPR), and multi-layered perceptron neural network (MLP). In the present study, cell pressure, strain rate, temperature, time, and strain were considered as the input variables, where the Young's Modulus was recognized as target. The results showed that all selected single and hybrid predicting models have acceptable agreement with measured experimental results. Especially, hybrid Additive Regression-Gaussian Process Regression and Bagging-Gaussian Process Regression have the best accuracy based on Model performance assessment criteria.
The characteristics of unfrozen water content in frozen soils significantly impact the thermal, hydraulic, and mechanical behavior of the ground. A thorough analysis of the unfrozen water content characteristics of the target subsoil material is crucial for evaluating the stability of frozen ground. This study conducted indoor experiments to measure the freezing point and unfrozen water content of sandy soil while considering pore water salinity. Utilizing the experimental data, we introduced a novel empirical model to conveniently estimate the unfrozen water retention curve. Furthermore, the validity of the unfrozen water retention curve was assessed by comparing the experimental data with the results of a simulation model that utilized the proposed empirical model as input data.
Recently, growing interests in frozen ground have stimulated us to advance fundamental theories and systematic researches on soil behavior under freezing conditions. Unlike the well-established soil mechanics theory, temperature variation and phase change of pore-water cause water migration to cold side, ground heaving, sharp increase in earth pressure, etc., which bring about serious problems in frozen geotechnical structures. Elasto-plastic mechanical constitutive model for frozen/unfrozen soil subjected to fully coupled THM phenomena is formulated based on a new stress variable that is continuous in frozen-unfrozen transitional regions. Numerical simulations are conducted to discuss numerical reliability and applicability of the developed constitutive model: one-dimensional heaving pressure, tri-axial compression test, and one-side freezing tests. The numerical results show that developed model can efficiently describe complex THM phenomena of frozen soil, and they can be utilized to analyze and design the geotechnical structures under freezing conditions, and predict their long-term behavior.
The purpose of this study was to evaluate the effects of ground granulated blast-furnace slag on strength development and durability of ordinary portland cement concrete (OPC) with steam curing types. Main experimental variables were slag contents(0%, 10%, 30%, 50%, 70%) and curing types (standard, accelerated curing). It were performed to check the basic properties of concretes that compressive strength, rapid chloride ion permeability and chemical resistance. From the result, we have found that increasing the amount of blast-furnace slag produced concrete with increased compressive strength and permeability resistance. Rapid freezing-thawing test showed that they were good enough to protect the concrete structures and to carry out cyclic freezing and thawing. The freeze-thaw resistance of blast-furnace slag produced concretes maintained above 90% of relative dynamic modulus after 300 freezing-thawing cycles. Increasing the amount of blast-furnace slag produced concretes with increased chemical resistance.
In analyzing geotechnical structures, the analysis fields are becoming increasingly diversified. In particular, the need for predicting the thermal behavior of ground materials has become important in fields related to soil freezing. To ensure a reliable assessment of the freezing behavior of the ground, considering the variation in the effective thermal conductivity of soil specimens under various conditions is crucial. In this study, probe experiments were conducted by varying the porosity, initial degree of saturation, and read time settings of the meter. Next, the factors influencing the effective thermal conductivity of the frozen sandy soil were evaluated. The experimental results conducted under different porosity conditions showed a tendency for the effective thermal conductivity of frozen soil to increase as the specimen's porosity decreased. However, as the degree of saturation of the specimen increased, the effective thermal conductivity also increased. The sensitivity of the meter's read time setting to the measurement of effective thermal conductivity was observed. When the read time was set to 1 min, the measured values were in a range similar to that obtained in previous studies conducted in Korea with the same soil specimen.
The Korean Peninsula is considered as a seasonal frozen area that is thawed in the spring and frozen in the winter. The influence of fines of the frost susceptibility of subgrade soils were established by laboratory freezing tests simulating closely the thermal conditions in the field. During the winter season, the climate is heavily influenced by the cold and dry continental high pressure. Because of siberian air mass, the temperature of January is $-6{\sim}-7^{\circ}C$ on average. This chilly weather generate the frost heaving by freezing the moisture of soil and damage potential of the geotechnical structure. In the freezing soil, the ice lenses increase the freeze portion of soil by absorbing the ground water with capillary action. However, the capillary characteristics differ from the sort of soil on the state of freezing condition. In this study, ten soil samples are prepared. The basic physical property tests were performed by following the Korean Industrial Standard and the soil specimens were classified by the Unified Soil Classification System (USCS). These classified soils are used to perform the laboratory opened systems freezing test in order to determine the frost heaving characteristics of soils such as unfrozen water content, heaving amount, and freezing depth.
Today the application of antiwashout underwater concrete to the construction sites is increasing steadily, while its reliability is in issue. Particularly, antiwashout underwater concrete is known to have very weak durability on frost attack, and hence Japan society of civil engineers(JSCE) regulated that not to use of antiwashout underwater concrete where the freezing and thawing is suspected. This study aims the improvement of the freezing and thawing resistance for antiwashout underwater concrete. From the results of fundamental test, FA20 and SG50 showed good performance in fluidity and long term compressive strength than control concrete. Meanwhile, MK10 marked the highest compressive strength through the whole curing age but a defect on fluidity was discovered. The results from the repeated freezing and thawing test show that the large volumes of air entrapped by cellulose based antiwashout underwater admixture gave bad effects to frost durability and hence not much benefits were confirmed from the use of mineral admixtures. However there were some increasing effects on frost durability of MK10 and SG50 by securing $6{\pm}0.5\%$ of entraining air. In the meantime, there was a increasing tendency of frost durability by increasing blame's fineness of ground granulated blast furnace slag.
In order to determine the variability of environmental characteristics of lightweight air-foamed soil using marine clay according to freezing-thawing and soaking conditions, unconfined compressive strength of the lightweight air-foamed soil samples made by changing the amount of cement under curing conditions of outdoor low temperature, underground or indoor wetting were observed. Compressive strength was not increased under freezing-thawing (temperature range of $-9.1^{\circ}C{\sim}17.2^{\circ}C$) regardless of the amount of cement but the more cement using, it was increased rapidly by underground curing conditions within 30 cm beneath ground level. Therefore, it is necessary to install insulation layer cutting off exterior cold air after construction of lightweight air-foamed soil in condition of freezing-thawing. Bulk density was increased too small under the long-time soaking condition, it tended to decrease rapidly when samples were dried up and had below 6% of water contents. But variability of compressive strength and bulk density was very small for preventing drying and keeping its wet state. The lightweight air-foamed soil that installed beneath ground water level or covered by soil can be evaluated as a long-term reliable construction material.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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