Analysis of coupled heat, moisture and air transfer in a deformable unsaturated soil

Abstract

A new theoretical formulation for the analysis of coupled heat, moisture and air transfer is presented, which is applicable to a deformable unsaturated soil. The approach proposed extends previous analyses of the coupled transport of heat, pore water and pore air to take account of the deformation behaviour of partially saturated soil. A numerical solution of the governing differential equations is achieved by the use of the finite element method as a spatial discretization technique coupled with a finite difference recurrence relationship to describe transient behaviour. Three isothermal test problems are then considered to model the behaviour of unsaturated soil under varying stress and suction conditions. Both heave and collapse due to wetting are simulated. The model is applied to experimental work performed by others for the case of heating of an unsaturated montmorillonite clay and is shown to be capable of producing quantitatively physically correct results. These indicate that strong interactions occur between temperature, pore liquid content, suction and deformation of the soil. KEYWORDS: numerical modelling and analysis; partial saturation; temperature effects. L'article présente une nouvelle formulation théorique du transfert couplé de chaleur-humidité-air applicable aux cols déformables non-saturés. Notre approche est une extension des analyses antérieures de transport couplé de chaleur, d'eau interstitielle et d'air interstitiel de façon à prendre en compte le comportement en déformation d'un sol partiellement saturé. Les équations différentielles régissant le transport sont résolues numériquement à l'aide d'une méthode par éléments finis. Cette méthode, fondée sur une technique de discrétisation spatiale associée à une relation récurrente par difference finies, permet de décrire le comportement transitoire. Trois exercices isothermes ont été dévelop-pés pour modéliser le comportement d'un sol non-saturé soumis a différentes conditions de contrainte et de succion. Le gonflement et l'effondrement résultant d'une humidification du matériau ont été simulés. Le modéle, testé sur des essais expérimentaux de chauffage d'une montmorillonite non-saturée, réalisés par d'autres chercheurs, donne des résultats physiques corrects du point de vue qualitatif. Ceci montre que la température, la teneur en eau, la succion et la déformation du sol sont fortement corrélées.