Mechanical interpretation and modelling of soil behaviour under freezing

This thesis investigates the phenomenon of freezing of soils, from both the mechanical and modelling perspective. The aim is to give a mechanical interpretation of experimental datasets coming from the existing literature. The analysis is supported by a mathematical model, an extension of the Barcelona Basic Model, originally introduced to reproduce the behaviour of unsaturated soils. The elasto-plastic model simplifies the complex response of frozen soils by introducing the concept of cryogenic suction to reproduce material response upon freezing, oedometer compression and shearing. The framework analyzed (originally proposed by Nishimura et al (2009) effectively captured the key characteristics of frozen soil behaviour, including increased stiffness, changes in preconsolidation pressure, and enhanced strength at lower temperatures. This approach may be relevant for the implementation of practical engineering solutions for the numerous challenges faced in permafrost regions, as well as for applications involving artificial ground freezing.

Questa tesi indaga il fenomeno del congelamento dei terreni, sia dal punto di vista meccanico che modellistico. L'obiettivo è quello di fornire un'interpretazione meccanica dei dati sperimentali provenienti dalla letteratura esistente. L'analisi è supportata da un modello matematico, un'estensione del Barcelona Basic Model, originariamente introdotto per riprodurre il comportamento dei terreni non saturi. Il modello elasto-plastico considerato si è rivelato utile nel semplificare la complessa risposta dei terreni congelati, introducendo il concetto di suzione criogenica per riprodurre la risposta del materiale rispetto a percorsi congelamento, nonché di compressione edometrica e triassiale in presenza di ghiaccio. Il modello analizzato (originariamente proposto da Nishimura et al (2009)) si è rivelato in grado di simulare le caratteristiche chiave del comportamento dei terreni congelati, tra cui l'aumento di rigidezza, l’incremento della pressione di preconsolidazione e la maggiore resistenza al taglio. Il modello analizzato può essere utile per l'implementazione di soluzioni ingegneristiche riguardanti le regioni artiche ricoperte da permafrost, nonché per le applicazioni che prevedono il congelamento artificiale del terreno.