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). Для роста льда требуется водоснабжение, 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 может способствовать 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]
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]
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]
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 в процессе ее предварительного плавления, частица почвы будет смещена вниз в сторону теплого направления 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.
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 ослаблению при замораживании и оттаивании 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 замораживанию 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]
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 более богатых минералами почвах. [20] Каменистые литальсы (вздутые насыпи), 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.
Холодильные склады и ледовые катки, которые поддерживаются при отрицательных температурах, могут заморозить почву под фундаментом на глубину десятков метров. Сезонно замороженные 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]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )