Abstract
When the ground temperature drops below $0^{\circ}C$, wet soils expand due to the ice formation in their porous space. This results in frost heave which causes structural stability problems. Frost heave is attributed by several factors such as physical soil properties and heat transfer including pore water phase change. Due to the complex physical phenomena, reliable and verified multi-dimensional numerical models for frost heave problems are still in a research stage. This study presents an efficient and simple method of overcoming numerical problems associated with sudden jump of heat capacity due to the phase change from water to ice in the pore space. This paper proposes heat transfer equation and finite element method when the saturated soils or porous rocks are subjected to freezing. Numerical analyses using the proposed method agree well with the known closed form solution and the laboratory test results.
동절기 온도가 영하로 떨어짐에 따라서 지표면 부근의 수분을 포함한 흙은 공극속의 수분이 얼음으로 변하면서 부피가 팽창하고, 이렇게 팽창된 지반은 주변 구조물에 영향을 미쳐 지반 구조물의 안전에 위험한 영향을 초래할 수 있다. 동상현상은 토립자, 간극수, 공기로 구성된 다상(multi phase) 구조 속에서 동결이 형성됨에 따른 수분의 이동과 수분이 얼음으로의 상변화(phase change) 등 다변수의 복합적인 물리적 현상을 포함하고 있기 때문에 현재까지 다차원 수치해석에 구성방정식으로 사용할 수 있는 검증되고 신뢰성 있는 모델은 아직도 연구 단계에 있다. 본 논문에서는 간극수의 상변화에 따라 갑작스러운 열용량 증대로 발생하는 수치해석상의 문제를 극복할 수 있는 효율적인 간편식을 유도하고, 포화된 토사나 다공성 암반이 동결할 때의 거동을 재현할 수 있는 열전도 구성방정식과 해석법을 제안하였다. 제안된 식을 사용한 수치해석 결과는 알려진 이론해 및 실내 모형시험 결과와 잘 일치하였다.
