Artificial ground freezing (AGF) is a commonly used geotechnical support technique that can be applied in any soil type and has low environmental impact. Experimental and numerical investigations have been conducted to optimize AGF for application in diverse scenarios. Precise simulation of groundwater flow is crucial to improving the reliability these investigations' results. Previous experimental research has mostly considered horizontal seepage flow, which does not allow accurate calculation of the groundwater flow velocity due to spatial variation of the piezometric head. This study adopted vertical seepage flow-which can maintain a constant cross-sectional area-to eliminate the limitations of using horizontal seepage flow. The closure time is a measure of the time taken for an impermeable layer to begin to form, this being the time for a frozen soil-ice wall to start forming adjacent to the freeze pipes; this is of great importance to applied AGF. This study reports verification of the reliability of our experimental apparatus and measurement system using only water, because temperature data could be measured while freezing was observed visually. Subsequent experimental AFG tests with saturated sandy soil were also performed. From the experimental results, a method of estimating closure time is proposed using the inflection point in the thermal conductivity difference between pore water and pore ice. It is expected that this estimation method will be highly applicable in the field. A further parametric study assessed factors influencing the closure time using a two-dimensional coupled thermo-hydraulic numerical analysis model that can simulate the AGF of saturated sandy soil considering groundwater flow. It shows that the closure time is affected by factors such as hydraulic gradient, unfrozen permeability, particle thermal conductivity, and freezing temperature. Among these factors, changes in the unfrozen permeability and particle thermal conductivity have less effect on the formation of frozen soil-ice walls when the freezing temperature is sufficiently low.
In order to understand response of geo-structures to the freezing-thawing process in the ground, it is necessary to consider phase change of the pore water of the ground and also to understand soil interaction with structures. In this study, numerical analysis was carried out for freezing and thawing effect on the modular road system. Neumann's theoretical equation for freezing-thawing processes in porous media can be used to estimate frozen depth and heaving from basic soil properties and ground and surface temperature, but its application is limited to the case for the sediment with fully saturated condition and zero unfrozen water content. Numerical analysis of the modular road system was performed on various soil types and different ground water table as the varying freezing index. The amount of heaving in the silty soil was much larger than those in granite weathered soil or sandy soil, and lowering groundwater level reduced ground heaving induced by freezing. Numerical analysis for temperature history of the ground surface predicted residual heaving near the surface by the freeze-thaw process in silty soil. It ought to reduce stiffness and bearing capacity of the ground so that it will impair stability and serviceability of new road system. However, the amount of residual heaving was insignificant for the road system installed in weathered soil granite and sandy soil. Since modular road system is a pavement structure mounted on the supporting substructure unlike the prevalent road pavement system, strict criteria should be applied for uniform and differential settlement of the pavement system.
In this study, we evaluated the behavior of frozen soil using an electrical resistivity survey method-a nondestructive technique-and examined its characteristics through field experiments. Frozen soil was artificially prepared by injecting fluid to accelerate the freezing process, and naturally frozen soil was selected in a nearby area for comparison. A dynamic cone penetration test (DCPT) was performed to compare the reliability of the electrical resistivity survey, and time-domain reflectometry surveys were performed to assess the moisture content of the ground. Field experiments were conducted in February-when the atmosphere temperature was below freezing-and May-when the temperature was above freezing. This temperature-compensated method was used to determine reliability because the behavior of frozen soil depends on the underlying temperature. In the resistivity survey method, a section of high electrical resistivity was observed under freezing conditions due to the frozen water and converted into porosity. The converted porosity was compared with the porosity inferred from the DCPT, and the results showed that the measured electrical resistivity was valid.
Kim, JongChan;Lee, Jong-Sub;Hong, Seung-Seo;Lee, Changho
The Journal of Engineering Geology
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v.24
no.1
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pp.111-122
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2014
For accurate laboratory evaluations of soil deposits, it is essential that the samples are undisturbed. An artificial ground-freezing system is the one of the most effective methods for obtaining undisturbed samples from sand deposits. The objective of this study is to estimate the shear strengths and the characteristics of elastic waves of frozen-thawed and unfrozen specimens through the undrained triaxial compression test. For the experiments, Jumunjin standard sands are used to prepare frozen and unfrozen specimens with similar relative densities (60% and 80%). The water pluviation method is used to simulate the fully saturated condition under the groundwater table. When thawing the frozen specimens, the temperature is measured every minute. After the specimens are completely thawed, undrained triaxial compression tests are conducted using the same procedures as for the unfrozen specimens. During the triaxial tests (saturation, consolidation, and shear phase), compressional and shear waves are measured. The results show that the freeze-thaw process has minor effects on the peak deviatoric stress and shear strength values, and that the process does not affect the internal friction angle. The compressional wave velocity increases with increasing B-value to 1800 m/s in the saturation phase, but tends to remain constant in the process of consolidation and shearing. The shear wave velocity decreases with increasing B-value in the process of saturation, but changes velocity in accordance with the change in effective stress in the processes of consolidation and shearing. The compressional wave velocity has similar values regardless of the freeze-thaw process, but values of shear wave velocity are slighly lower in frozen-thawed specimens than in unfrozen specimens. This study is a preliminary experiment for estimating the shear strength and characteristics of elastic wave velocity in undisturbed frozen specimens that have been obtained using the artificial ground-freezing method.
Adfreeze bond strength is a primary design parameter, which determines bearing capacity of pile foundation in frozen ground. It is reported that adfreeze bond strength is influenced by various affecting factors like freezing temperature, confining pressure, characteristics of pile surface, soil type, etc. However, several limited researches have been performed to obtain adfreeze bond strength, for past studies considered only few affecting factors such as freezing temperature and type of pile structures. Therefore, there exists a limitation of estimating the design parameter of pile foundation with various factors in frozen ground. In this study, artificial neural network algorithm was involved to predict adfreeze bond strength with various affecting factors. From past five studies, 137 data for various experimental conditions were collected. It was divided by 100 training data and 37 testing data in random manner. Based on the analysis result, it was found that it is necessary to consider various affecting factors for the prediction of adfreeze bond strength and the prediction with artificial neural network algorithm provides enough reliability. In addition, the result of parametric study showed that temperature and pile type are primary affecting factors for adfreeze bond strength. And it was also shown that vertical stress influences only certain temperature zone, and various soil types and loading speeds might cause the change of evolution trend for adfreeze bond strength.
Adfreeze bond strength develops upon freezing of pore water within soil and at foundation surface. It has been reported that various factors like temperature, soil type, and pile surface roughness affect adfreeze bond strength. Especially, pile surface roughness has been considered as a primary factor to design pile foundation in frozen ground. It has usually been estimated with fixed correction factors for pile materials. However, even if the pile foundation material is the same, the surface roughness could vary depending on the production circumstances. In this study, laboratory test was carried out to quantitatively analyze the effects of surface roughness on the adfreeze bond strength, and fractal dimension was used as a measure for surface roughness. Test results showed that adfreeze bond strength increased with decreasing temperature, increasing vertical stress and surface roughness. The adfreeze bond strength varies sensitively with surface roughness in the early freezing section of $-2^{\circ}C$, but its sensitivity decreased in the temperature ranging between $-2^{\circ}C$ to $-5^{\circ}C$. The results conclude that the roughness highly affects the frictional resistance of pile surface in frozen ground; however, the roughness does not affect considerably when the temperature drops below about $-2^{\circ}C$.
Journal of the Korean association of regional geographers
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v.5
no.2
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pp.133-142
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1999
The wetland is very important ecologically as a habitat of diverse organisms. The purpose of this paper is to elucidate the morphogenetic environment of Jilmoe Bog found in the Odae Mountain National Park Jilmoe Bog is located in the high etchplain(1,060m) where Daebo Granite which had intruded in Jura epoch of Mesozoic era has weathered deeply and has uplifted in the Tertiary. The annual mean temperature of study area is $5.3^{\circ}C$, the annual precipitation is 2,888mm. The minimun temperature of the coldest month(january) is below $-30^{\circ}C$ and the depth of frozen soil is over 1.6m. Jilmoe bog consists of a large bog and a small bog. The length of the large bog is 63m and its width is 42m. The basal surface of Jilmoe bog is uneven. Jilmoe bog is a string bog fanned due to frost actions. In String bog, its surface is wavy with stepped dry hills and net-like troughs crossing hill slope. It seems that string bog is related to the permofrost or seasonal permofrost of cold conifer forest(taiga) zone(where the depth of frozen soil is very deep in the least in winters). String bog is a kind of thermokarst that frozen soil thaws differentially locally in declining permofrost and ground surface becomes irregular. There is turf-banked terracette of width $30{\sim}40cm$ in the headwall of small cirque-type nivation hollow formed at footslope of Maebong mountain around Jilmoe bog. This turf-banked terracette is formed by the frost growth of soil water below grass mat in periglacial climate environment. Where water is plentiful such as a nivation follow${\sim}$valley corridor and a headwall of valley, turf patterned grounds of width $30{\sim}50cm$ are found. This turf patterned ground is 'unclassified patterned ground', earth hummock. In conclusion, Jilmoe bog is a string bog of thermokarst that the relief of ground surface is irregular according to locally differentially thawing of permofrost(frozen soil). Jilmoe bog is high moor, its surroundings belongs to periglacial environment that turf-banked terracette and turf patterned ground are fanned actively.
Solution and frozen solution EPR spectra of $\alpha-1,2,3-[HPV(IV)V_2W_9O_{40}]^{6-}$ have been analyzed. The isotropic hyperfine coupling constants remain constant at 350-77 K, indicating that the unpaired electron is delocalized over three vanadium atoms probably even in the ground state.
Kim, Kwansoo;Ju, Hyeontae;Lee, Joohan;Chung, Changhyun;Kim, Hyoungkwon;Lee, Sunjoong;Kim, Jisoo
The Journal of Engineering Geology
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v.31
no.3
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pp.257-267
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2021
Constraints on the structure and composition of the active layer are important for understanding permafrost evolution. Soil convection owing to repeated moisture-induced freeze-thaw cycles within the active layer promotes the formation of self-organized patterned ground. Here we present the results of ground penetrating radar (GPR) surveys across a selected sorted circle near King Sejong Station, Antarctica, to better delineate the active layer and its relation to the observed patterned ground structure. We acquire GPR data in both bistatic mode (common mid-points) for precise velocity constraints and monostatic mode (common-offset) for subsurface imaging. Reflections are derived from the active layer-permafrost boundary, organic layer-weathered soil boundary within the active layer, and frozen rock-fracture-filled ice boundary within the permafrost. The base of the imaged sorted circle possesses a convex-down shape in the central silty zone, which is typical for the pattern associated with convection-like soil motion within the active layer. The boundary between the central fine-silty domain and coarse-grained stone border is effectively identified in a radar amplitude contour at the assumed active layer depth, and is further examined in the frequency spectra of the near- and far-offset traces. The far-offset traces and the traces from the lower frequency components dominant on the far-offset traces would be associated with rapid absorption of higher frequency radiowave due to the voids in gravel-rich zone. The presented correlation strategies for analyzing very shallow, thin-layered GPR reflection data can potentially be applied to the various types of patterned ground, particularly for acquiring time-lapse imaging, when electric resistivity tomography is incorporated into the analysis.
Geometry relaxation effects on the formation of benzene excimer were investigated by means of ab initio calculation at SOS-CIS($D_0$)/aug-cc-pVDZ level. In the case of T-shaped dimer configuration, intermolecular interactions in the excited states are found to be nearly the same as those in the ground state and structural deformations are limited within a single molecule; the geometry relaxation effects are then negligible and singlet-triplet energy gap remains constant. As for face-to-face eclipsed dimer, on the other hand, both molecules undergo structural change. As a result, intermolecular interactions in the excited states are significantly different than those in the ground state. Although the intermolecular distances obtained from potential energy curve calculation with frozen molecular structures are in qualitative agreement, the excited-state binding energies are notably overestimated with respect to those at optimized structures. In particular, the effects are calculated to be larger in $T_1$ state and hence singlet-triplet energy gap, which reduces markedly in this configuration, is underestimated without relaxation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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