Claystone degradation due to to freezing and thawing cycles

Abstract

La degradación de arcillita bajo el efecto de ciclos de congelamiento y deshielo representa un aspecto clave en la producción de material erosionable en zonas de alta montaña. Los procesos de erosión presentan numerosas consecuencias potenciales como lo son la afectación de áreas de cultivos, llenado de presas, aumento de inestabilidad de laderas, entre otros. El presente documento se enfoca en la implementación de modelos numéricos cuyo objetivo se encuentra en representar los procesos involucrados en los fenómenos de congelamiento y deshielo sobre medios porosos y su efecto en posibles cambios sobre la micro fabrica del suelo. A partir de mediciones experimentales del comportamiento termodinámico de muestras de suelo sometidas a ciclos de congelamiento y deshielo se llevo a cabo un proceso de calibración y validación de los modelos numéricos propuestos estableciendo (como una primera aproximación) una metodología para la determinación de la curva de retención del suelo (SWRC) a partir de un rápido y relativamente sencillo ensayo de congelamiento y deshielo en condiciones no drenadas. De manera simultánea se logró establecer el estado de la micro fábrica de la muestra de suelo durante los procesos cíclicos de congelamiento y deshielo. Se identifico el significativo efecto que tienen estos procesos termodinámicos sobre el estado del terreno, en particular en lo referente al aumento en erosionabilidad. Finalmente se establecieron las trayectorias de succión criogénica asociadas con los procesos de congelamiento y deshielo bajo la modificación de la micro fabrica del terreno. Se observa una reducción en el cambio progresivo de la micro fabrica con el paso de los ciclos.

Claystone degradation under the effect of freezing and thawing cycles represents a key aspect in the production of erodible material in high mountain ranges. Erosion processes present numerous potential consequences, such as dam filling, reduction of slope stability and increase of badlands, among others. This document focuses on the implementation of numerical models whose objective is to represent the processes involved in the freezing and thawing phenomena on porous media and their effect on possible changes on soil’s microfabric. Based on experimental measurements of the thermodynamic behavior of soil samples subjected to freezing and thawing cycles, a process of calibration and validation of the proposed numerical models was carried out, establishing (as a first approach) a method for determining the soil water retention curve (SWRC) from a rapid and relatively simple freeze-thaw test in undrained conditions. Simultaneously it was possible to establish the microfabric state of the soil sample during the cyclical processes of freezing and thawing. The significant effect that these thermodynamic processes have on ground state was identified, particularly with regard to the increase in erodibility. Finally, the cryogenic suction trajectories associated with the freezing and thawing processes were established under the modification of ground microfabric. A reduction in the progressive change of the microfabric is observed with the passing of the cycles.