Морозное пучение
- Игольчатый лед , выдавившийся из фронта замерзания через пористую почву из уровня грунтовых вод ниже.
- Сросшаяся богатая льдом почва, подвергшаяся замерзанию-оттаиванию.
- Сверху оттаявшая почва
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 отрицательные в почву проникли 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 в весеннее время , и повреждению фундаментов зданий . [3] [4] Морозное пучение может возникнуть в с механическим охлаждением холодильных складах 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]
Механизмы
[ редактировать ]Историческое понимание морозного пучения
[ редактировать ]
Урбан Хьярн описал воздействие мороза на почву в 1694 году. [а] [5] [6] [7] [8] К 1930 году Стивен Тейбер, заведующий кафедрой геологии Университета Южной Каролины, опроверг гипотезу о том, что морозное пучение возникает в результате молярного объемного расширения при замерзании воды , уже присутствующей в почве до наступления отрицательных температур, т.е. малый вклад от 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, например бензол , который сжимается при замерзании, также вызывают морозное пучение. [9] Это исключило изменение 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]
Разработка ледяных линз
[ редактировать ]
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 удержании 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 от собственного пара и при контакте с кремнеземом . [15]
Микромасштабные процессы
[ редактировать ]Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление поверхностей, способствуют пучению инея на уровне 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 наверху и отделяют частицы почвы внизу, одновременно притягивая воду к замерзающей поверхности ледяной линзы посредством капиллярного действия.
Морозоустойчивые почвы
[ редактировать ]
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 частиц которых способствуют капиллярному движению . илистые и суглинистые почвы Примерами морозоустойчивых почв являются , содержащие мелкие частицы. Многие агентства классифицируют материалы как морозоустойчивые, 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 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 талой воды со значениями в установленной системе классификации для грунтов, восприимчивость к морозу которых неопределенна. [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]
Формы рельефа, созданные морозным пучением
[ редактировать ]
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 литальза. [19] в более богатых минералами почвах. [20] каменные литальсы (поднятые курганы), найденные на архипелаге Шпицберген Примером могут служить . 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 зернистой — небольшие образования, возникающие в результате 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.
В охлаждаемых зданиях
[ редактировать ]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 таким образом, чтобы избежать таких проблем, используя несколько стратегий, отдельно или в тандеме. Стратегии включают укладку неподверженного 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]
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ В разделе II. Эт. Om Jord och Landskap i gemeen (II. О почве и ландшафте вообще) в своей книге Хиярне упоминает явление «отбрасывания земли» или «пучения земли», при котором после весеннего оттаивания появляются большие куски дерна. быть вырванным из земли и брошенным: «3. Видит ли кто-нибудь в других местах Швеции, Финляндии, Исландии и т. д., как это случилось в Уппланде и в Нярке в приходе Вибю, королевском Вальбю, что сама земля с дерн и все [кусками] до нескольких локтей в длину и ширину были брошены 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 och all Until någre Alnars Långd и bredd har opkastat det 20 или flere Karlar teke höra / och en stor Graff effter sig lemnat ) Urban Hjärne, Een kort Anledning to åtskillige Malm- och Bergarters, Mineraliers, Wäxters, och Jordeslags sampt flere sällsamme Tings. , эффект оч ангифванде [Краткое руководство по открытию и описанию различных типов руд и гор, минералов, растений и почв, а также некоторых необычных вещей] (Стокгольм, Швеция: 1694 г.). Доступно онлайн по адресу: Национальная библиотека Швеции .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Табер, Стивен (1929). «Морозное пучение» (PDF) . Журнал геологии . 37 (5): 428–461. Бибкод : 1929JG.....37..428T . дои : 10.1086/623637 . S2CID 224836578 . Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 г. Проверено 24 марта 2010 г.
- ^ Ремпель, AW; Веттлауфер, Дж. С.; Ворстер, М.Г. (2001). «Межфазное предварительное плавление и термомолекулярная сила: термодинамическая плавучесть». Письма о физических отзывах . 87 (8): 088501. Бибкод : 2001PhRvL..87h8501R . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.088501 . ПМИД 11497990 .
- ^ Транспорт Квебека (2007). «История тротуара Квебека» . Архивировано из оригинала 16 июля 2011 г. Проверено 21 марта 2010 г.
- ^ Видианто; Хайленман, Гленн; Оуэн, Джерри; Фенте, Хавьер (2009). «Проектирование фундамента на случай морозного пучения». Проектирование холодных регионов 2009: Влияние холодных регионов на исследования, проектирование и строительство : 599–608. дои : 10.1061/41072(359)58 . ISBN 9780784410721 .
- ^ Jump up to: а б Бесков, Гуннар (1935). «Пучение и морозное пучение почвы для специального применения на автомобильных и железных дорогах» (PDF) . Шведское геологическое общество (30). Переведено Остербергом, Дж.О. Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 г. Проверено 24 марта 2010 г.
- ^ Сьёгрен, Ялмар (1903) «О «земной отливке» в Глумсторпе в Вермланде и о таких явлениях, описанных Урбаном Хярне» , Архив математики, астрономии и физики , 1 : 75–99.
- ^ Мозг, Урбан (1694). «Краткое руководство по открытию и описанию различных типов руд и гор, минералов, растений и почв, а также некоторых необычных вещей» (на шведском языке). Стокгольм.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Патрик Б. Блэк и Марк Дж. Харденберг, редакторы, Специальный отчет 91-23: Исторические перспективы исследования морозного пучения: ранние работы С. Табера и Г. Бескоу (Ганновер, Нью-Гэмпшир: Инженерный корпус армии США) : Лаборатория исследований и инженерии холодных регионов, 1991).
- ^ Табер, Стивен (1930). «Механика морозного пучения» (PDF) . Журнал геологии . 38 (4): 303–317. Бибкод : 1930JG.....38..303T . дои : 10.1086/623720 . S2CID 129655820 . Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 г. Проверено 24 марта 2010 г.
- ^ Белл, Робин Э. (27 апреля 2008 г.). «Роль подледниковой воды в балансе массы ледникового покрова». Природа Геонауки . 1 (5802): 297–304. Бибкод : 2008NatGe...1..297B . дои : 10.1038/ngeo186 .
- ^ Мертон, Джулиан Б.; Петерсон, Рорик; Озуф, Жан-Клод (17 ноября 2006 г.). «Разлом коренной породы в результате сегрегации льда в холодных регионах». Наука . 314 (5802): 1127–1129. Бибкод : 2006Sci...314.1127M . дои : 10.1126/science.1132127 . ПМИД 17110573 . S2CID 37639112 .
- ^ Даш, Г.; А. В. Ремпель; Дж. С. Веттлауфер (2006). «Физика растаявшего льда и ее геофизические последствия». Преподобный Мод. Физ . 78 (695). Американское физическое общество : 695. Бибкод : 2006RvMP...78..695D . CiteSeerX 10.1.1.462.1061 . дои : 10.1103/RevModPhys.78.695 .
- ^ Джон Тиндалл (1858) «О некоторых физических свойствах льда», Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 148 : 211–229. Краткое изложение: Тиндаль, Дж. (1858). «О некоторых физических свойствах льда» . Труды Лондонского королевского общества . 9 : 76–80. дои : 10.1098/rspl.1857.0011 . S2CID 186210972 .
- ^ Jump up to: а б Фарадей, М. (1860). «Заметка о регеляции». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 440–450. дои : 10.1098/rspl.1859.0082 . S2CID 136019935 .
- ^ Jump up to: а б Ремпель, AW; Веттлауфер, Дж. С.; Ворстер, М.Г. (2004). «Динамика предплавления в континуальной модели морозного пучения». Журнал механики жидкости . 498 : 227–244. Бибкод : 2004JFM...498..227R . дои : 10.1017/S0022112003006761 . S2CID 17061621 .
- ^ Чемберлен, Эдвин Дж. (декабрь 1981 г.). «Морозостойкость почв. Обзор индексных испытаний». Ганновер, Нью-Хэмпшир: Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов. АДА111752.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ ASTM, Подкомитет: D18.19 (2013), «Стандартные методы испытаний на морозное пучение и оттаивание, ослабляющее восприимчивость почв» , Книга стандартов ASTM , 04 (9)
{{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Мюнх, Стив (6 ноября 2006 г.). «Интерактивное покрытие тротуара — Морозное действие» . Проверено 24 марта 2010 г.
- ^ Писсар, А.; Тилман, Сарт (2002). «Палсас, литальзас и остатки этих перигляциальных курганов. Отчет о ходе работы». Успехи физической географии . 26 (4): 605–621. дои : 10.1191/0309133302pp354ra . hdl : 2268/248951 . S2CID 140583281 .
- ^ Де Шуттер, Пол (3 декабря 2005 г.). «Палсас и Литальсас» . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Проверено 10 марта 2010 г.
- ^ Бейкер, Б.Х. (1967). Геология района горы Кения; градусный лист 44 северо-западного квартала (с цветной картой) . Найроби: Геологическая служба Кении.
- ^ Браун, WG (январь 1965 г.), Морозное пучение на катках и холодильных складах , CBD-61, Исследовательский совет Канады , получено 5 января 2018 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Манц, Лотарингия (июль 2011 г.), «Морозное пучение» (PDF) , Geo News , 32 (2): 18–24
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
