stringtranslate.com

Морозное пучение

Анатомия морозного пучения во время весенней оттепели. Сторона 6-дюймового (15 см) пучения с удаленной почвой, чтобы показать (снизу вверх):
  • Игольчатый лед , который выдавился из фронта замерзания через пористую почву из грунтовых вод, расположенных ниже.
  • Сплоченная, богатая льдом почва, которая подвергалась замораживанию-оттаиванию
  • Талая почва сверху
Фотография сделана 21 марта 2010 года в Норидже, штат Вермонт.

Морозное пучение (или морозное пучение ) — это набухание почвы вверх во время замерзания, вызванное увеличением количества льда по мере его роста к поверхности, вверх от глубины почвы, где температура замерзания проникла в почву (фронт промерзания или граница промерзания). Рост льда требует водоснабжения, которое доставляет воду к фронту промерзания через капиллярное действие в некоторых почвах. Вес вышележащей почвы сдерживает вертикальный рост льда и может способствовать образованию линзообразных областей льда внутри почвы. Тем не менее, сила одной или нескольких растущих ледяных линз достаточна, чтобы поднять слой почвы, на высоту до 1 фута (0,30 метра) или более. Почва, через которую проходит вода, чтобы питать образование ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы допускать капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы нарушить капиллярную непрерывность. Такая почва называется «подверженной промерзанию». Рост ледяных линз непрерывно потребляет поднимающуюся воду на фронте промерзания. [1] [2] Неравномерное морозное пучение может привести к растрескиванию дорожного покрытия , что способствует образованию выбоин весной , а также повреждению фундаментов зданий . [3] [4] Морозное пучение может возникнуть в холодильных помещениях с механическим охлаждением и на ледовых катках .

Игольчатый лед по сути является морозным пучением, которое происходит в начале сезона замерзания, до того, как фронт промерзания проникнет очень далеко в почву и не будет перекрывающего слоя почвы, который можно было бы поднять в виде морозного пучения. [5]

Механизмы

Историческое понимание морозного пучения

Образование ледяной линзы, приводящее к морозному пучению в холодном климате.

Урбан Хьярне описал воздействие мороза на почву в 1694 году. [a] [5] [6] [7] [8] К 1930 году Стивен Табер, глава кафедры геологии в Университете Южной Каролины , опроверг гипотезу о том, что морозное пучение является результатом расширения молярного объема при замерзании воды, уже присутствовавшей в почве до наступления отрицательных температур, т. е. при незначительном вкладе миграции воды внутри почвы.

Поскольку молярный объем воды расширяется примерно на 9% при изменении фазы с воды на лед в точке замерзания , 9% было бы максимально возможным расширением из-за расширения молярного объема, и даже тогда только если лед был бы жестко ограничен сбоку в почве, так что все расширение объема должно было бы происходить вертикально. Лед необычен среди соединений, потому что он увеличивается в молярном объеме из своего жидкого состояния, воды . Большинство соединений уменьшаются в объеме при изменении фазы из жидкой в ​​твердую. Табер показал, что вертикальное смещение почвы при морозном пучении может быть значительно больше, чем из-за расширения молярного объема. [1]

Табер продемонстрировал, что жидкая вода мигрирует к линии замерзания внутри почвы. 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 замерзающей почвы. Его эксперименты далее продемонстрировали развитие ледяных линз внутри колонн почвы, которые были заморожены только путем охлаждения верхней поверхности, тем самым устанавливая температурный градиент . [10] [11] [12]

Развитие ледяных линз

На сельской дороге в Вермонте во время весенней оттепели образовался наледь

Основной причиной смещения почвы при морозном пучении является образование ледяных линз . Во время морозного пучения одна или несколько свободных от почвы ледяных линз растут, 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 промерзания в почве. Наличие восприимчивой к морозу почвы с пористой структурой, которая допускает капиллярный поток , имеет важное значение для подачи воды в ледяные линзы по мере их формирования.

Благодаря эффекту Гиббса-Томсона , заключающемуся в удержании жидкостей в порах, вода в почве может оставаться жидкой при температуре ниже точки замерзания воды. Очень мелкие поры имеют очень высокую кривизну , и это приводит к тому, что жидкая фаза термодинамически стабильна в таких средах при температурах, иногда на несколько десятков градусов ниже точки замерзания жидкости. [13] Этот эффект позволяет воде просачиваться через почву к ледяной линзе, позволяя линзе расти.

Другим эффектом переноса воды является сохранение нескольких молекулярных слоев жидкой воды на поверхности ледяной линзы и между льдом и частицами почвы. Фарадей сообщил в 1860 году о незамерзшем слое предварительно растаявшей воды. [14] Лед предварительно тает против собственного пара и в контакте с кремнием . [15]

Микромасштабные процессы

Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление на поверхностях, способствуют вспучиванию мороза в масштабе частиц на нижней стороне формирующейся ледяной линзы. Когда лед окружает мелкую частицу почвы во время ее предварительного плавления, частица почвы будет смещена вниз в направлении тепла в пределах температурного градиента из-за таяния и повторного замерзания тонкой пленки воды, которая окружает частицу. Толщина такой пленки зависит от температуры и тоньше на более холодной стороне частицы.

Вода имеет более низкую термодинамическую свободную энергию в объеме льда, чем в состоянии переохлажденной жидкости. Поэтому происходит непрерывное пополнение воды, текущей с теплой стороны частицы на холодную, и непрерывное таяние для восстановления более толстой пленки на теплой стороне. Частица мигрирует вниз к более теплой почве в процессе, который Фарадей назвал «термической регеляцией». [14] Этот эффект очищает ледяные линзы по мере их формирования, отталкивая мелкие частицы почвы. Таким образом, 10- нанометровая пленка незамерзшей воды вокруг каждой частицы почвы размером с микрометр может перемещать ее на 10 микрометров/день при тепловом градиенте всего 1 °C м −1 . [15] По мере роста ледяных линз они поднимают почву выше и разделяют частицы почвы ниже, притягивая воду к замерзающей поверхности ледяной линзы посредством капиллярного действия.

Почвы, восприимчивые к морозу

Частично расплавленные и обрушившиеся литальсы (вздымающиеся холмы, обнаруженные в вечной мерзлоте ) оставили кольцевые структуры на архипелаге Шпицберген .

Для вспучивания грунта требуется подверженная замерзанию почва, постоянный запас воды ниже ( уровень грунтовых вод ) и температура замерзания, проникающая в почву. Почвы, подверженные замерзанию, — это те, у которых размеры пор между частицами и площадь поверхности частиц способствуют капиллярному течению . Илистые и суглинистые типы почв , содержащие мелкие частицы, являются примерами почв, подверженных замерзанию. Многие агентства классифицируют материалы как подверженные замерзанию, если 10 процентов или более 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 замерзанию. [16] На основе таких исследований существуют стандартные испытания для определения относительной восприимчивости к заморозкам и оттаиванию грунтов, используемых в системах дорожного покрытия, путем сравнения скорости пучения и коэффициента несущей способности при оттаивании со значениями в установленной системе классификации для грунтов, восприимчивость к заморозкам которых не определена. [17]

Не подверженные замерзанию почвы могут быть слишком плотными, чтобы способствовать потоку воды (низкая гидравлическая проводимость) или слишком открытыми в пористости, чтобы способствовать капиллярному потоку. Примерами являются плотные глины с небольшим размером пор и, следовательно, низкой гидравлической проводимостью, а также чистые пески и гравий , которые содержат небольшое количество мелких частиц и чьи размеры пор слишком открыты, чтобы способствовать капиллярному потоку. [18]

Формы рельефа, созданные морозным пучением

Пальсы (выпучивания богатых органикой почв в прерывистой вечной мерзлоте) можно обнаружить в альпийских районах ниже холма Муги на горе Кения.

Морозное пучение создает рельефы рельефа приподнятой почвы в различных геометриях, включая круги, многоугольники и полосы, которые можно описать как пальсы в почвах, богатых органическими веществами, такими как торф, или литальса [19] в почвах с большим содержанием минералов. [20] Каменистые литальсы (вздутые холмы), обнаруженные на архипелаге Шпицберген, являются примером. Морозные пучения происходят в альпийских регионах, даже вблизи экватора , как показано на примере пальс на горе Кения . [21]

В арктических регионах вечной мерзлоты родственный тип вспучивания грунта на протяжении сотен лет может создавать структуры высотой до 60 метров, известные как пинго , которые питаются подъемом грунтовых вод, а не капиллярным действием, которое питает рост морозных вспучиваний. Криогенные торосы земли представляют собой небольшие образования, возникающие в результате зернистой конвекции , которые появляются в сезонно мерзлой земле и имеют много разных названий; в Северной Америке это торосы земли; туфур в Гренландии и Исландии ; и поунус в Фенноскандии .

Полигональные формы, по-видимому, вызванные вспучиванием льда, были обнаружены в приполярных регионах Марса камерой Mars Orbiter Camera (MOC) на борту Mars Global Surveyor и камерой HiRISE на Mars Reconnaissance Orbiter . В мае 2008 года посадочный модуль Mars Phoenix приземлился на таком полигональном ландшафте вспучивания льда и быстро обнаружил лед на глубине нескольких сантиметров под поверхностью.

В холодильных помещениях

Холодильные склады и ледовые катки, которые поддерживаются при отрицательных температурах, могут заморозить почву под фундаментом на глубину десятков метров. Сезонно замерзающие здания, например, некоторые ледовые катки, могут позволить почве оттаивать и восстанавливаться при нагревании внутренней части здания. Если фундамент охлаждаемого здания расположен на восприимчивых к морозу почвах с уровнем грунтовых вод в пределах досягаемости фронта промерзания, то полы таких сооружений могут вспучиваться из-за тех же механизмов, которые встречаются в природе. Такие сооружения могут быть спроектированы так, чтобы избежать таких проблем, используя несколько стратегий, по отдельности или в тандеме. Стратегии включают размещение не восприимчивого к морозу грунта под фундаментом, добавление изоляции для уменьшения проникновения фронта промерзания и нагревание почвы под зданием в достаточной степени, чтобы не допустить ее промерзания. Сезонно эксплуатируемые ледовые катки могут смягчить скорость промерзания под поверхностью за счет повышения температуры льда. [22]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ В разделе II. Fl. Om Jord och Landskap i gemeen (II. О почве и ландшафте в целом) своей книги Хиарне упоминает явление «земляного подбрасывания» или «вспучивания земли», при котором после весенней оттепели большие куски дерна, по-видимому, вырывались из земли и бросались: «3. Видите ли вы в других местах в Швеции, Финляндии и Исландии и т. д., как это произошло в Уппланде и в Нэрке в приходе Вибю, королевском Валлбю, что сама земля с дерном и всем [кусками] длиной и шириной до нескольких локтей была выброшена вверх, чего не смогли сделать 20 или более человек, и после этого осталась большая яма». ( 3. Om man seer uti andre Orter i Swerige / Fin-Est och Lif-land / и т. д. så wara stedt / som hår i Upland / och i Nårike i Wijby Sochn / Kongz Wallby / at Jorden sig med Torff и все, пока не нагреются Alnars Långd и bredd har opkastat det 20 или flere Karlar tekehint göra / och en stoor Graff effter sig lemnat ) Urban Hjärne, Een kort Anledning to åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande [A] Краткое руководство по обнаружению и описанию различных типов руд и гор, минералов, растений и почв, а также нескольких необычных вещей] (Стокгольм, Швеция: 1694). Доступно в Интернете по адресу: Национальная библиотека Швеции.

Ссылки

  1. ^ ab Taber, Stephen (1929). "Frost Heaving" (PDF) . Journal of Geology . 37 (5): 428–461. Bibcode :1929JG.....37..428T. doi :10.1086/623637. S2CID  224836578. Архивировано из оригинала 2013-04-08 . Получено 2010-03-24 .
  2. ^ Rempel, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2001). "Interfacial Premelting and the Thermomolecular Force: Thermodynamic Booyancy". Physical Review Letters . 87 (8): 088501. Bibcode : 2001PhRvL..87h8501R. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501. PMID  11497990.
  3. ^ Transports Quebec (2007). "Québec Pavement Story". Архивировано из оригинала 2011-07-16 . Получено 2010-03-21 .
  4. ^ Видианто; Хейленман, Гленн; Оуэн, Джерри; Фенте, Хавьер (2009). «Проект фундамента для морозного пучения». Cold Regions Engineering 2009: Влияние холодных регионов на исследования, проектирование и строительство : 599–608. doi :10.1061/41072(359)58. ISBN 9780784410721.
  5. ^ ab Beskow, Gunnar (1935). "Пучение грунта и морозное пучение со специальным применением к дорогам и железным дорогам" (PDF) . Шведское геологическое общество (30). Перевод Osterberg, JO Архивировано из оригинала 2013-04-08 . Получено 2010-03-24 .
  6. ^ Сьёгрен, Ялмар (1903) "Om ett "jordkast" vid Glumstorp i Värmland och om dylika företeelser beskrivna av Urban Hiärne" (О "земном отливке" в Глумсторпе в Вермланде и о таких явлениях, описанных Урбаном Хьерне), Arkiv for matematik , астрономия и физика , 1  : 75–99.
  7. ^ Хьярне, Урбан (1694). «Een kort Anledningtil åtskillige Malmoch Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings, effterspöriande och angifwande» [Краткое руководство по открытию и определению различных типов руд и гор, минералов, растений и почв вместе с несколько необычных вещей] (на шведском языке). Стокгольм. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ^ Патрик Б. Блэк и Марк Дж. Харденберг, ред., Специальный отчет 91-23: Исторические перспективы исследований вспучивания грунта при замерзании: Ранние работы С. Табера и Г. Бескова (Ганновер, Нью-Гемпшир: Инженерный корпус армии США: Лаборатория исследований и инжиниринга холодных регионов, 1991).
  9. ^ Табер, Стивен (1930). "Механика морозного пучения" (PDF) . Журнал геологии . 38 (4): 303–317. Bibcode :1930JG.....38..303T. doi :10.1086/623720. S2CID  129655820. Архивировано из оригинала 2013-04-08 . Получено 2010-03-24 .
  10. ^ Белл, Робин Э. (27 апреля 2008 г.). «Роль подледниковой воды в балансе массы ледникового покрова». Nature Geoscience . 1 (5802): 297–304. Bibcode : 2008NatGe...1..297B. doi : 10.1038/ngeo186.
  11. ^ Murton, Julian B.; Peterson, Rorik; Ozouf, Jean-Claude (17 ноября 2006 г.). «Разрушение коренной породы в результате сегрегации льда в холодных регионах». Science . 314 (5802): 1127–1129. Bibcode :2006Sci...314.1127M. doi :10.1126/science.1132127. PMID  17110573. S2CID  37639112.
  12. ^ Дэш, Г.; AW Ремпель; JS Веттлауфер (2006). "Физика предварительно расплавленного льда и ее геофизические последствия". Rev. Mod. Phys . 78 (695). Американское физическое общество : 695. Bibcode :2006RvMP...78..695D. CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . doi :10.1103/RevModPhys.78.695. 
  13. ^ Джон Тиндаль (1858) «О некоторых физических свойствах льда», Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 148  : 211–229. Резюмировано в: Tyndall, J. (1858). «О некоторых физических свойствах льда». Труды Лондонского королевского общества . 9 : 76–80. doi :10.1098/rspl.1857.0011. S2CID  186210972.
  14. ^ ab Фарадей, М. (1860). «Заметка о регеляции». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 440–450. doi :10.1098/rspl.1859.0082. S2CID  136019935.
  15. ^ ab Rempel, AW; Wettlaufer, JS; Worster, MG (2004). "Динамика предварительного плавления в континуальной модели вспучивания при замерзании". Journal of Fluid Mechanics . 498 : 227–244. Bibcode : 2004JFM...498..227R. doi : 10.1017/S0022112003006761. S2CID  17061621.
  16. ^ Чемберлен, Эдвин Дж. (декабрь 1981 г.). «Восприимчивость почвы к морозу, обзор индексных тестов». Ганновер, Нью-Гэмпшир: Лаборатория исследований и инжиниринга холодных регионов. ADA111752. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ ASTM, Подкомитет: D18.19 (2013), «Стандартные методы испытаний на восприимчивость грунтов к вспучиванию при замерзании и ослаблению при оттаивании», Книга стандартов ASTM , 04 (9){{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Muench, Steve (6 ноября 2006 г.). "Pavement Interactive—Frost Action" . Получено 24.03.2010 .
  19. ^ Писсарт, А.; Тилман, Сарт (2002). «Пальсы, литалсы и остатки этих перигляциальных курганов. Отчет о ходе работы». Прогресс в физической географии . 26 (4): 605–621. doi : 10.1191/0309133302pp354ra. hdl : 2268/248951 . S2CID  140583281.
  20. ^ De Schutter, Paul (2005-12-03). "Palsas & Lithalsas". Архивировано из оригинала 2011-07-27 . Получено 2010-03-10 .
  21. ^ Бейкер, Б. Х. (1967). Геология района горы Кения; градусный лист 44 северо-западный квартал (с цветной картой) . Найроби: Геологическая служба Кении.
  22. ↑ Браун, WG (январь 1965 г.), Морозное пучение на ледовых катках и в зданиях с холодильным складом, CBD-61, Исследовательский совет Канады , получено 05.01.2018

Дальнейшее чтение