A model of frost heave with sharp interface between the unfrozen and the frozen soils

Abstract

Quando un suolo umido è sottoposto ad un processo di congelamento, si osserva in generale un'espansione di volume. L'aumento di volume è dovuto principalmente ad una migrazione di acqua dalla base del suolo verso il fronte di congelamento, che separa la zona non congelata, in basso, da quella, superiore, completamente congelata. Il processo accoppiato di trasferimento di massa e calore si accompagna, in determinate condizioni, alla formazione di strati segregati di ghiaccio puro ("lenti di ghiaccio"). In tal caso, il fronte di congelamento rimane fermo. Se il processo di congelamento è troppo rapido o il peso sovrastante che agisce sul campione di suolo è rimarchevole, la crescita della lente di ghiaccio non avviene e il fronte di congelamento si sposta in basso verso la base del suolo ("penetrazione del ghiaccio"). In questo lavoro si discute un modello che ammette una netta interfaccia fra le regioni del suolo.

When a moist soil freezes, a volume expansion can be generally observed. The increase of volume is mainly due to a water migration from the base of the soil up to the freezing front, which separates the lower unfrozen part of the soil from the upper frozen one. The coupled heat-mass transfer process is accompanied, under certain conditions, to the formation of pure ice segregated layers (ice lenses). In this, case, the freezing front keeps at rest. If the freezing process is too fast or the overburden pressure acting on the column of soil is relevant, the ice lens growth does not occur and the freezing front moves towards the base of the soil (frost penetration). In this paper a model admitting a sharp interface between the two regions is discussed.