Study of creep in frozen soils using various deformation models

Abstract

The subject of the study is the long-term creep of frozen clay soils at negative temperatures. Unlike most previous works based on short-term tests, this study implements an approach based on long-term (8–20 days) laboratory study of the samples using the uniaxial compression method. The objects of the research are kaolin clay, alluvial sandy loam, and clay loam collected in the Marre-Sale area and Moscow. The goal is to quantitatively determine the parameters of the deformation behavior of frozen soils and to select the most appropriate model for their description. The stages of creep and the influence of structure on the rate of deformation are considered. The obtained data are compared with the results of approximating four deformation models – strengthening, power, Burgers, and Nishihara – for subsequent application in predicting the stability of engineering structures in permafrost conditions. The methodology includes long-term laboratory tests of frozen clay soils using the uniaxial compression method at a temperature of −5 °C with the use of the "IVK Mechanics-Thermophysics" complex. Six samples of kaolin clay and one sample each of sandy loam and clay loam were used. The results are approximated using four mathematical creep models. The scientific novelty of the work lies in the comprehensive experimental study of the creep of frozen soils of various compositions over an extended period and the quantitative comparison of the effectiveness of mathematical models for describing the rheological behavior of these soils. For the first time, under prolonged tests at a constant load, the experimental data were approximated using four models, which allowed for identifying their advantages and limitations. It was established that the strengthening models and the power model most accurately describe the deformation behavior of all soil types (R² " 0.99). The Burgers model shows satisfactory results but underestimates deformations in the later stages. The Nishihara model requires modification for an adequate description of the accelerated stage. The results obtained have practical implications for assessing the reliability of foundations in the permafrost zone and for improving the rheological models of frozen soils.

References

  1. Брушков А. В., Алексеев А. Г., Бадина С. В. и др. Опыт эксплуатации сооружений и необходимость управления тепловым режимом грунтов в криолитозоне // Записки Горного института. 2023. Т. 263. С. 742-756.
  2. Вялов С. С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 2000. 464 с.
  3. Роман Л. Т. Механика мерзлых грунтов. М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2002. 427 с.
  4. Брушков А. В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. М.: Изд-во МГУ, 1998. 330 с.
  5. Тао Д., Брушков А. В., Алексеев А. Г. Длительная ползучесть мерзлых грунтов в многолетних испытаниях // Арктика и Антарктика. 2025. № 2. С. 1-14.
  6. Роман Л. Т., Брушков А. В., Магомедгаджиева A. M. Оценка достоверности определения длительной деформации мерзлых засоленных грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1996. № 2. С. 20-24.
  7. Брушков А. В., Аксёнов В. И. Определение характеристик ползучести засоленных мерзлых грунтов из опытов на одноосное сжатие // Засоленные мерзлые грунты как основания сооружений: Сб. нач. тр. М.: Наука, 1999. С. 83-90.
  8. Zhang H., Zhang J., Zhang Z., Chen J., You Y. A consolidation model for estimating the settlement of warm permafrost // Computers and Geotechnics. 2016. Vol. 76. Pp. 43-50.
  9. Liu S. W., Zhang J. M., Zhang H., Zheng B. Experimental study on long-term creep deformation of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2012. № 31. Pp. 2781-2786. (In Chinese)
  10. Роман Л. Т., Котов П. И., Царапов М. Н. Модуль деформации мерзлых грунтов при компрессионных испытаниях // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2016. № 6. С. 35-41.
  11. Li K.-Q., Yin Z.-Y., Qi J.-L., Liu Y. State-of-the-art constitutive modelling of frozen soils // Archives of Computational Methods in Engineering. 2024. Vol. 31. Pp. 3801-3842.
  12. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.
  13. Nishihara K., Sasajima S. Constitutive Equation for Creep of Rocks // Proceedings of the 3rd Japan National Symposium on Rock Mechanics. Japanese National Committee for Rock Mechanics, 1961. Pp. 41-47.
  14. He F., Lei W., Mao E., Liu Q., Chen H., Wang X. Creep constitutive modeling of the shear strength of the permafrost-concrete interface considering the stress level at −1°C // PLoS ONE. 2024. 19(4): e0297824.
  15. Shao Y., Suo Y., Xiao J., Bai Y., Yang T. Creep Characteristic Test and Creep Model of Frozen Soil // Sustainability. 2023. 15(5): 3984.
  16. Yao Y., Cheng H., Lin J., Ji J. Optimization of Burgers creep damage model of frozen silty clay based on fuzzy random particle swarm algorithm // Scientific Reports. 2021. 11(1): 18974.
  17. Chen Z., Lin B., Hou H. Creep behavior of frozen soil and creep analytical model of frozen wall // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. 11193.
  18. Царапов М. Н. Методика анализа кривых ползучести мерзлых и оттаивающих грунтов на основе метода кусочно-линейной аппроксимации // Успехи современного естествознания. 2024. Т. 1. № 1. С. 84-92.
  19. Arenson L. U., Springman S. M. Mathematical descriptions for the behavior of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 °C // Canadian Geotechnical Journal. 2005. Vol. 42. № 2. Pp. 431-442.
  20. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ, 2011. 109 с.
  21. Chen Y., Lin B. Study on uniaxial mechanical properties and creep model of frozen clay // Cryogenics. 2021. № 4. Pp. 70-75. (In Chinese)
  22. Волохов С. С. О природе механокалорического эффекта в мерзлых грунтах при одноосном сжатии // Криосфера Земли. 2018. 22(1): 14-19. doi: 10.21782/KZ1560-7496-2018-1(14-19).
  23. Burgers J. M. First Report on Viscosity and Plasticity // Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. Verhandelingen. 1935. Series 1. Vol. 15. No. 3. Pp. 1-53.
  24. Li D., Yang X., Chen J. A study of Triaxial creep test and yield criterion of artificial frozen soil under unloading stress paths // Cold Reg. Sci. Technol. 2017. Vol. 141. Pp. 163-170.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).