Морозное пучение (или морозное пучение ) — это вздутие почвы вверх в условиях замерзания, вызванное увеличением присутствия льда по мере его роста к поверхности, вверх из глубины почвы, где в почву проникли отрицательные температуры (фронт промерзания). или граница замерзания). Для роста льда требуется водоснабжение, которое доставляет воду к фронту замерзания за счет капиллярного действия в определенных почвах. Вес вышележащей почвы сдерживает вертикальный рост льда и может способствовать образованию линзообразных участков льда внутри почвы. Тем не менее, силы одной или нескольких растущих ледяных линз достаточно, чтобы поднять слой почвы на глубину до 1 фута (0,30 метра) или более. Почва, через которую проходит вода, питающая образование ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы нарушить непрерывность капилляров. Такая почва называется «морозоустойчивой». Рост ледяных линз постоянно поглощает поднимающуюся воду на фронте замерзания. [1] [2] Дифференциальное морозное пучение может привести к растрескиванию дорожного покрытия , что способствует образованию выбоин весной , и повреждению фундамента здания . [3] [4] Морозное пучение может возникать в холодильных складах с механическим охлаждением и на катках .
Игольчатый лед — это, по сути, морозное пучение, которое происходит в начале сезона замерзания, до того, как фронт замерзания проник очень глубоко в почву и еще нет вскрышных слоев почвы, которые можно было бы поднять в результате морозного пучения. [5]
Урбан Хьярне описал эффекты заморозков в почве в 1694 году . пучение возникает в результате молярного объемного расширения при замерзании воды , уже имевшейся в почве до наступления отрицательных температур, т. е. при незначительном вкладе миграции воды внутри почвы.
Поскольку молярный объем воды увеличивается примерно на 9% при переходе фазы от воды к льду при температуре замерзания , 9% будет максимальным возможным расширением из-за расширения молярного объема, и даже тогда только в том случае, если лед будет жестко ограничен в поперечном направлении. в почве так, чтобы все расширение объема должно было происходить вертикально. Лед необычен среди соединений, поскольку его молярный объем увеличивается по сравнению с жидким состоянием, то есть водой . Большинство соединений уменьшаются в объеме при переходе из жидкой фазы в твердую. Табер показал, что вертикальное смещение грунта при морозном пучении может быть значительно больше, чем за счет молярного объемного расширения. [1]
Табер продемонстрировал, что жидкая вода мигрирует к линии замерзания в почве. Он показал, что другие жидкости, такие как бензол , который сжимается при замерзании, также вызывают морозное пучение. [9] Это исключило изменения молярного объема как доминирующий механизм вертикального смещения замерзшего грунта. Его эксперименты также продемонстрировали образование ледяных линз внутри столбов почвы, которые были заморожены за счет охлаждения только верхней поверхности, тем самым устанавливая температурный градиент . [10] [11] [12]
Основной причиной смещения грунтов при морозном пучении является образование ледяных линз . Во время морозного пучения вырастают одна или несколько беспочвенных ледяных линз, и их рост вытесняет почву над ними. Эти линзы растут за счет постоянного добавления воды из источника грунтовых вод, который находится ниже в почве и ниже линии замерзания почвы. Наличие морозоустойчивой почвы с пористой структурой, обеспечивающей капиллярное течение , необходимо для снабжения водой ледяных линз по мере их формирования.
Благодаря эффекту Гиббса-Томсона , заключающемуся в удерживании жидкостей в порах, вода в почве может оставаться жидкой при температуре ниже точки замерзания воды. Очень мелкие поры имеют очень большую кривизну , в результате чего жидкая фаза в таких средах термодинамически стабильна при температурах, иногда на несколько десятков градусов ниже температуры замерзания жидкости. [13] Этот эффект позволяет воде просачиваться через почву к ледяной линзе, позволяя линзе расти.
Еще одним эффектом переноса воды является сохранение нескольких молекулярных слоев жидкой воды на поверхности ледяной линзы, а также между частицами льда и почвы. В 1860 году Фарадей сообщил о незамерзшем слое предварительно растаявшей воды. [14] Лед предварительно тает под воздействием собственных паров и при контакте с кремнеземом . [15]
Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление поверхностей, способствуют морозному пучению частиц на нижней стороне образующейся ледяной линзы. Когда лед окружает мелкую частицу почвы во время ее предварительного таяния, частица почвы будет смещаться вниз в теплом направлении в пределах температурного градиента из-за таяния и повторного замерзания тонкой пленки воды, окружающей частицу. Толщина такой пленки зависит от температуры и тоньше на более холодной стороне частицы.
Вода имеет более низкую термодинамическую свободную энергию в объемном льду, чем в переохлажденном жидком состоянии. Таким образом, происходит постоянное пополнение воды, текущей с теплой стороны на холодную сторону частицы, и непрерывное плавление для восстановления более толстой пленки на теплой стороне. Частица мигрирует вниз к более теплой почве в процессе, который Фарадей назвал «тепловой регеляцией». [14] Этот эффект очищает ледяные линзы по мере их образования, отталкивая мелкие частицы почвы. Таким образом, 10- нанометровая пленка незамерзшей воды вокруг каждой частицы почвы размером в микрометр может перемещать ее на 10 микрометров в день при температурном градиенте всего 1 °C м -1 . [15] По мере роста ледяных линз они поднимают почву вверху и отделяют частицы почвы внизу, одновременно притягивая воду к замерзающей поверхности ледяной линзы посредством капиллярного действия.
Морозное пучение требует морозоустойчивой почвы, постоянного поступления воды ниже ( уровень грунтовых вод ) и отрицательных температур, проникающих в почву. Под морозоустойчивыми почвами понимаются почвы, размеры пор между частицами и площадь поверхности которых способствуют капиллярному потоку . Примерами морозоустойчивых почв являются илистые и суглинистые почвы , содержащие мелкие частицы. Многие агентства классифицируют материалы как морозоустойчивые, если 10 или более процентов составляющих частиц проходят через сито 0,075 мм (№ 200) или 3 процента или более проходят через сито 0,02 мм (№ 635). Чемберлен сообщил о других, более прямых методах измерения восприимчивости к морозам. [16] На основе таких исследований существуют стандартные тесты для определения относительной склонности к ослаблению мороза и оттаивания грунтов, используемых в системах дорожных покрытий, путем сравнения скорости пучения и коэффициента несущей способности при таянии со значениями в установленной системе классификации для грунтов, восприимчивость к морозу которых не определена. . [17]
Неподверженные морозу почвы могут быть слишком плотными, чтобы способствовать потоку воды (низкая гидравлическая проводимость), или слишком открытыми по пористости, чтобы способствовать капиллярному движению. Примеры включают плотные глины с небольшим размером пор и, следовательно, низкой гидравлической проводимостью, а также чистые пески и гравий , которые содержат небольшое количество мелких частиц и размеры пор которых слишком открыты, чтобы способствовать капиллярному течению. [18]
Морозное пучение создает приподнятые формы рельефа почвы различной геометрии, включая круги, многоугольники и полосы, которые можно описать как палсы в почвах, богатых органическими веществами, таких как торф, или литальзу [19] в более богатых минералами почвах. [20] Примером могут служить каменные литальсы (поднятые курганы), найденные на архипелаге Шпицберген . Морозные пучения случаются в альпийских регионах, даже вблизи экватора , о чем свидетельствуют палсы на горе Кения . [21]
В арктических регионах вечной мерзлоты родственный тип пучения грунта в течение сотен лет может создавать структуры высотой до 60 метров, известные как пинго , которые питаются за счет подъема грунтовых вод вместо капиллярного действия, которое питает рост мороза. вздымается. Криогенные торосы — небольшие образования, возникающие в результате зернистой конвекции , возникающие в сезонномерзлых грунтах и имеющие множество разных названий; в Северной Америке — земляные кочки; туфур в Гренландии и Исландии ; и пуунус в Фенноскандии .
Многоугольные формы, по-видимому, вызванные морозным пучением, наблюдались в приполярных регионах Марса с помощью камеры Mars Orbiter Camera (MOC) на борту Mars Global Surveyor и камеры HiRISE на Mars Reconnaissance Orbiter . В мае 2008 года спускаемый аппарат «Марс Феникс» приземлился на таком полигональном и морозном ландшафте и быстро обнаружил лед в нескольких сантиметрах ниже поверхности.
Холодильные склады и катки, которые поддерживаются при минусовой температуре, могут промерзать почву под фундаментом на глубину десятков метров. Сезонно замерзшие здания, например некоторые катки, могут позволить почве оттаять и восстановиться при нагревании внутренних помещений здания. Если фундамент охлаждаемого здания расположен на морозоустойчивом грунте с уровнем грунтовых вод в пределах досягаемости фронта замерзания, то полы таких сооружений могут вздыматься из-за тех же механизмов, которые существуют в природе. Такие структуры могут быть спроектированы так, чтобы избежать таких проблем, используя несколько стратегий, отдельно или в тандеме. Стратегии включают укладку не подверженного морозу грунта под фундамент, добавление изоляции для уменьшения проникновения фронта замерзания и нагрев грунта под зданием в достаточной степени, чтобы предотвратить его замерзание. Сезонно действующие катки могут снизить скорость подземного промерзания за счет повышения температуры льда. [22]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )