Numerical and centrifuge modelling of coupled heat flow and consolidation around hot cylinders buried in clay

Abstract

Britto (1984) presented a finite element formulation to analyse the coupled heat transfer–consolidation problem for a saturated fine-grained elastic soil. The formulation was validated by comparing it with analytical solutions for a soil layer heated on one side and a cylindrical heat source in an infinite medium. This Paper presents the results of the comparison of centrifuge test data and finite element analyses where the soil is treated as either purely elastic or elasto-plastic. In the centrifuge test, model heaters were pulled into clay layers and then heated. The induced temperature and pore pressure were measured until steady state conditions were reached. In the finite element analysis the model heaters were assumed to be in place at the beginning of the analysis. No account was taken of the disturbances caused by the heater being pulled into the soil. The temperatures and pore pressures generated due to the heating in normally consolidated clay were fairly well predicted using the modified Cam clay model of soil behaviour. Agreement was not as good when a Gibson type of elastic model was used. For an over-consolidated sample the pore pressures were under-predicted. Une formulation à éléments finis pour l'analyse du problème posé par la combinaison du transfert de chaleur avec la consolidation dans un sol élastique saturé de granulation fine fut déjá publiée (Britto, 1984). La formulation fut validée en la comparant avec des solutions analytiques pour une couche de sol réchauffée d'un côté et une source de chaleur cylindrique dans un milieu infini. Cet article présente les résultats d'une comparaison de données d'essais à centrifuge et d'analyses à éléments finis dans des cas où le sol est traité comme étant purement élastique ou élasto-plastique. Dans l'essai a centrifuge des réchauffeurs modèles furent introduits dans des couches d'argile et puis allumés. La température induite et la pression interstitielle étaient mesurées jusqu'à ce que des conditions stationnaires furent atteintes. Dans l'analyse à éléments finis on admettait que les réchauffeurs modèles se trouvaient en place au commencement de l'analyse, sans tenir compte de dérangements éventuels causés par l'introduction des réchauffeurs dans le sol. Le modèle modifié du comportement du sol basé sur l'argile de Cam prédirent assez bien les températures et les pressions interstitielles causées par le réchauffage dans une argile normalement consolidée. La concordance était inférieure lorsqu'un modèle élastique type Gibson fut employé. Dans le cas d'un échantillon sur-consolidé les pressions interstitielles furent sous-prédites.

Transparent Soil to Model Thermal Processes: An Energy Pile Example

“…This is possible owing to scaling laws derived by Savvidou (1988), who determined the time scaling factor of N 2 (N being the applied enhanced gravity in the centrifuge) for heat flow in accelerated gravity experiments, which enables multi thermal cycles to be simulated in a shorter duration (hours) that would normally take years at full field scale. Notable centrifuge investigations benefiting from this scaling relationship include Stewart and McCartney (2014), Ng et al (2014), Britto et al (1989), Goode et al (2014), and Stewart and McCartney (2012). These studies considered a range of various soil types with reported observations of increased pile settlements and ratcheting over several thermal cycles.…”

Analysis of fully coupled thermomechanical behaviour around a rigid cylindrical heat source buried in clay

“…(MODIFIED CAM CLAY : k = 2.5E-lOm/s) 8 times, at the end of heating and consolidation. This is to be expected for a linear elastic soil.…”

Thermo-mechanical constitutive modeling of unsaturated clays based on the critical state concepts

“…Smith and Booker, 1989;Britto et al, 1989). However, only the reversible volume change of the soil due to a change in temperature was considered in their models.…”