New Model Predicts How Temperature Shifts Destabilize Foundation Soils
Researchers have developed a computational model that predicts how sensitive clays behave when exposed to temperature changes—a critical gap for projects involving geothermal systems and renewable energy foundations. The advance could prevent costly failures in infrastructure built on unstable soils while enabling safer design of ground-based heat exchange systems.
Originaltitel: Constitutive Model for Sensitive Clays under Nonisothermal Conditions
Känsliga leror förändrar bärförmåga vid temperaturväxlingar — en egenskap som konstruktörer hittills inte kunnat modellera tillräckligt väl. Forskare vid Chalmers University of Technology har utvecklat en termisk version av Creep-SClay1S-modellen som förutser hur temperaturförändringar påverkar lermas skenbara förkonsolideringstryck. Modellen bygger på omfattande laboratorieprov med endimensionell kompression på både omörkad och intakt naturlig lera. Jämfört med den isotermiska varianten ger den termiska modellen mest förbättrad noggrannhet för naturlig lera under effektivspänningar nära förkonsolideringstrycket — exakt det intervall som är operativt i geoteknisk konstruktion. Det effektivspänningsbaserade tillvägagångssättet möjliggör integration i befintliga multifysik-ramverk och öppnar vägen för termisk konsolidering. För energifundament och temperaturberoende grundläggningsproblem blir detta kritiskt för dimensioneringsäkerhet och prediktiv modellering.
Abstract The response of natural sensitive clays is affected by moderate temperature changes. This has consequences for the testing of natural samples in the laboratory and energy foundations in the field, as well as construction problems that involve temperature variations. A temperature-sensitive version of the isothermal Creep-SClay1S model is proposed in this paper. The new constitutive model incorporates the thermal effect on the apparent preconsolidation pressure based on an extensive experimental data set comprising incremental loading one-dimensional (1D) compression tests on remolded and intact samples of a natural sensitive clay. Compared with the isothermal version of the model, the improvements of the new model are most pronounced for sensitive clays in their natural undisturbed state at an effective stress level close to the apparent preconsolidation pressure. This often coincides with the range of the operational effective stresses in geotechnical engineering. The effective stress–based formulation of the model enables its implementation into any multiphysics framework, hence facilitating other important thermal mechanisms, such as, e.g., thermal consolidation.