Войти
Анатомия морозного пучки во время весенней распутицы. Сторона 6-дюймовой (15-сантиметровой) пучины с удаленной почвой, чтобы обнажить (снизу вверх): Игольчатый лед, который выдавился вверх с фронта промерзания через пористую почву из уровня грунтовых вод ниже Сгустившийся ледяной покров почва, подвергшаяся замораживанию-оттаиванию Сверху оттаявшая почва. Фотография сделана 21 марта 2010 года в Норидже, штат Вермонт. Морозное пучение (или морозное пучение) - это вспучивание почвы вверх в условиях замерзания, вызванное увеличивающимся присутствием льда по мере его роста к поверхности вверх от глубины почвы, где отрицательные температуры проникли в почву (фронт промерзания). или граница замерзания). Для роста льда требуется водоснабжение, которое в определенных почвах доставляет воду к фронту замерзания за счет капиллярного действия. 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 до 1 фута (0,30 метра) или более. Почва, через которую проходит вода для формирования ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы нарушить целостность капилляров. Такой грунт называют «морозоустойчивым». Рост ледяных линз непрерывно поглощает поднимающуюся воду на фронте замерзания. Дифференциальное морозное пучение может треснуть дорожные покрытия -contributing в весеннее время выбоины образования, и повреждение строительных фонды. Морозные пучки могут возникать в холодильных камерах с механическим охлаждением и на катках.
Игольчатый лед - это, по сути, морозное пучение, которое происходит в начале сезона промерзания, до того, как фронт промерзания очень глубоко проник в почву и нет покрывающих слоев почвы, которые можно было бы поднять в виде морозного пучения.
Образование ледяной линзы, приводящее к морозному пучке в холодном климате. Согласно Бескову, Урбан Хьярне (1641–1724) описал воздействие мороза на почву в 1694 году. К 1930 году Стивен Табер (1882–1963), глава геологического факультета Университета Южной Каролины (Колумбия, Южная Каролина), имел опровергли гипотезу о том, что морозное пучение является результатом расширения молярного объема с замерзанием воды, уже присутствующей в почве до наступления отрицательных температур, то есть с небольшим вкладом от миграции воды внутри почвы.
Поскольку молярный объем воды увеличивается примерно на 9%, когда она меняет фазу с воды на лед в точке его объемного замерзания, 9% будет максимально возможным расширением из-за расширения молярного объема, и даже тогда, только если лед был жестко ограничен в поперечном направлении. в почве, так что расширение всего объема должно происходить вертикально. Лед необычен среди соединений, потому что его молярный объем увеличивается по сравнению с жидким состоянием, водой. Большинство соединений уменьшаются в объеме при переходе от жидкой фазы к твердой. Табер показал, что вертикальное смещение грунта при морозном пучении может быть значительно больше, чем за счет расширения молярного объема.
Табер продемонстрировал, что жидкая вода движется к линии замерзания в почве. Он показал, что другие жидкости, такие как бензол, который сжимается при замерзании, также вызывают морозное пучение. Это исключило изменения молярного объема как доминирующий механизм вертикального смещения промерзшего грунта. Его эксперименты также продемонстрировали развитие ледяных линз внутри столбов почвы, которые были заморожены путем охлаждения только верхней поверхности, тем самым создавая температурный градиент.
Мороз на дороге в Вермонт во время весенней оттепели Доминирующей причиной смещения грунта при морозном пучении является образование линз льда. Во время морозного пучки одна или несколько свободных от почвы ледяных линз растут, и их рост смещает почву над ними. Эти линзы растут за счет постоянного добавления воды из источника грунтовых вод, который находится ниже в почве и ниже линии замерзания в почве. Наличие чувствительной к морозам почвы с пористой структурой, которая обеспечивает капиллярный поток, имеет важное значение для подачи воды к ледяным линзам по мере их образования.
Благодаря эффекту Гиббса-Томсона удержания жидкости в порах вода в почве может оставаться жидкой при температуре ниже точки замерзания воды в массе. Очень тонкие поры имеют очень высокую кривизну, и это приводит к жидкой фазе является термодинамически стабильным в таких средах при температурах иногда несколько десятков градусов ниже объемной точки замерзания жидкости. Этот эффект позволяет воде просачиваться через почву к ледяной линзе, позволяя линзе расти.
Другой эффект переноса воды - это 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 талой воды. Лед предварительно тает против собственного пара и при контакте с кремнеземом.
Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление на поверхностях, способствуют образованию морозного пучения в виде частиц на нижней стороне формирующейся ледяной линзы. Когда лед окружает мелкую частицу почвы во время 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 тем тоньше на более холодной стороне частицы.
Вода имеет более низкую термодинамическую свободную энергию в объемном льду, чем в переохлажденном жидком состоянии. Следовательно, происходит постоянное пополнение воды, текущей с теплой стороны на холодную сторону частицы, и непрерывное таяние для восстановления более толстой пленки на теплой стороне. Частица перемещается вниз к более теплой почве в процессе, который Фарадей назвал «термической регеляцией». Этот эффект очищает ледяные линзы по мере их образования, отталкивая мелкие частицы почвы. Таким образом, 10 - нанометровый пленка незамерзшей воды вокруг каждого микрометра частицы почвы -sized может переместить его 10 мкм / сут в тепловой градиент цене от 1 ° C м -1. По мере роста ледяных линз они поднимают почву наверху и отделяют частицы почвы внизу, притягивая воду к замерзающей поверхности ледяной линзы за счет капиллярного действия.
Частично растаявшие и обрушившиеся литальсы (вздыбленные курганы, обнаруженные в вечной мерзлоте ) оставили кольцевые структуры на архипелаге Шпицберген. Морозное пучение требует морозоустойчивой почвы, постоянной подачи воды ниже уровня грунтовых вод и отрицательных температур, проникающих в почву. Чувствительные к морозу почвы - это почвы с размером пор между частицами и площадью поверхности частиц, которые способствуют капиллярному потоку. Илистые и суглинистые почвы, содержащие мелкие частицы, являются примерами морозостойких почв. Многие агентства классифицируют материалы как чувствительные к замерзанию, 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 морозостойкости. На основе таких исследований существуют стандартные тесты для определения относительной восприимчивости к морозам и оттаиванию грунтов, используемых в системах дорожного покрытия, путем сравнения скорости пучения и коэффициента выноса при оттаивании со значениями в установленной системе классификации почв, где морозостойкость является неопределенной.
Не чувствительные к морозам почвы могут быть слишком плотными, чтобы способствовать течению воды (низкая гидравлическая проводимость), или слишком открытой пористостью, чтобы способствовать капиллярному потоку. Примеры включают плотные глины с небольшим размером пор и, следовательно, с 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.
Палса (пучина богатой органикой почвы в прерывистой вечной мерзлоте) может быть найдена в альпийских районах ниже холма Муги на горе Кения. Морозное пучение создает приподнятые формы рельефа различной геометрии, включая круги, многоугольники и полосы, которые можно описать как палящие в почвах, богатых органическими веществами, таких как торф, или литальза в более богатых минералами почвах. Примером могут служить каменные литальсы (курганы), обнаруженные на архипелаге Шпицберген. Морозные пучки возникают в альпийских регионах, даже недалеко от экватора, как это видно на примере палс на горе Кения.
В арктических регионах с вечной мерзлотой связанный с этим тип пучения почвы в течение сотен лет может создавать структуры высотой до 60 метров, известные как пинго, которые подпитываются подъемом грунтовых вод, а не капиллярным действием, которое питает рост инея. вздымается. Криогенные земляные торосы - это небольшие образования, возникающие в результате зернистой конвекции, которые появляются в сезонно мерзлых грунтах и имеют много разных названий; в Северной Америке - земляные кочки; thúfur в Гренландии и Исландии ; и pounus в Фенноскандии.
Полигональные формы, по-видимому, вызванные морозным пучением, наблюдались 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 спускаемый аппарат « Марс Феникс » приземлился на таком полигональном ландшафте с морозным пучением и быстро обнаружил лед в нескольких сантиметрах под поверхностью.
Холодильные склады и ледовые катки, в которых поддерживается температура ниже нуля, могут заморозить почву под их фундаментом на глубину до десятков метров. Сезонно замороженные здания, например, некоторые ледовые катки, могут позволить почве оттаять и восстанавливаться, когда внутренняя часть здания нагревается. Если фундамент охлаждаемого здания расположен на морозостойких почвах с уровнем грунтовых вод в пределах досягаемости фронта промерзания, то полы в таких сооружениях могут вздыбиться из-за тех же механизмов, что и в природе. Такие структуры могут быть спроектированы так, чтобы избежать таких проблем, используя несколько стратегий, по отдельности или в тандеме. Стратегии включают размещение нечувствительной к заморозке почвы под фундаментом, добавление изоляции, чтобы уменьшить проникновение фронта промерзания, и нагрев почвы под зданием в достаточной степени, чтобы предотвратить ее промерзание. Сезонные ледовые катки могут снизить скорость подземного промерзания за счет повышения температуры льда.
