Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Топырақтың қату кезінде жоғары көтерілуі
Upwards swelling of soil during freezing
Қату кезінде топырақтың жоғары көтерілуі – топыраққа енген қату температурасының шегінен (қату фронты немесе қату шекарасы) бастап, топырақ бетіне қарай мұздың өсуімен байланысты топырақтың жоғары қарай ісінуі. Мұздың өсуіне капиллярлық әрекет арқылы қату фронтына су жеткізетін су көзі қажет. Жоғары жатқан топырақтың салмағы мұздың тік өсуін шектейді және топырақта линза тәрізді мұздың пайда болуына көмектеседі. Дегенмен, бір немесе бірнеше өсіп келе жатқан мұз линзаларының күші топырақ қабатын 1 футқа (0,3 метр) дейін немесе одан да көп көтеруге жеткілікті. Мұз линзаларының қалыптасуына қажетті су өткізетін топырақ капиллярлық әрекетке мүмкіндік беретіндей кеуекті болуы керек, бірақ капиллярлық үзділікті бұзбайтындай тым кеуекті болмауы керек. Мұндай топырақ "мұзға сезімтал" деп аталады. Мұз линзаларының өсуі қату фронтындағы суды үнемі жұтып алады. Айырмашылыққа байланысты мұздың көтерілуі жол бетін жарып, көктемде шұңқырлардың пайда болуына және ғимараттардың негізіне зақым келтіруі мүмкін. Мұз көтерілуі механикалық салқындату жүйесі бар суық қоймаларда және мұз ареналарында да кездеседі. Инелік мұз – қату маусымының басында, қату фронты топыраққа терең енбеген және топырақ қабатын көтеруге мүмкіндік болмаған кезде пайда болатын мұз көтерілуінің бір түрі.
Frost heaving (or a frost heave) is an upwards swelling of soil during freezing conditions caused by an increasing presence of ice as it grows towards the surface, upwards from the depth in the soil where freezing temperatures have penetrated into the soil (the freezing front or freezing boundary). Ice growth requires a water supply that delivers water to the freezing front via capillary action in certain soils. The weight of overlying soil restrains vertical growth of the ice and can promote the formation of lens shaped areas of ice within the soil. Yet the force of one or more growing ice lenses is sufficient to lift a layer of soil, as much as 1 feet (0 m) or more. The soil through which water passes to feed the formation of ice lenses must be sufficiently porous to allow capillary action, yet not so porous as to break capillary continuity. Such soil is referred to as "frost susceptible". The growth of ice lenses continually consumes the rising water at the freezing front. Differential frost heaving can crack road surfaces—contributing to springtime pothole formation—and damage building foundations. Frost heaves may occur in mechanically refrigerated cold storage buildings and ice rinks. Needle ice is essentially frost heaving that occurs at the beginning of the freezing season, before the freezing front has penetrated very far into the soil and there is no soil overburden to lift as a frost heave.
Мұздың көтерілуінің тарихи түсінігі
Урбан Хьерне 1694 жылы топырақтағы қыраудың әсерін сипаттады. 1930 жылы Оңтүстік Каролина университетінің геология кафедрасының меңгерушісі Стивен Тейбер тоңның көтерілуі топырақта бұрыннан бар судың қатуынан, яғни судың молярлық көлемінің кеңеюінен туындайды деген гипотезді жоққа шығарды, бұл топырақтағы судың қозғалысының аз үлес қосатынын білдіреді. Судың молярлық көлемі судан мұзға ауысқанда шамамен 9%-ға кеңейеді, сондықтан 9% – молярлық көлемнің кеңеюіне байланысты мүмкін болатын ең жоғары кеңею көрсеткіші, тіпті мұз топырақта қатаң түрде шектелген жағдайда ғана көлемнің барлық кеңеюі тік бағытта жүреді. Мұз – сұйық күйден, яғни судан молярлық көлемі артатын сирек кездесетін қосылыстардың бірі. Көптеген қосылыстар сұйық фазадан қатты фазаға ауысқанда көлемін азайтады. Тейбер топырақтың қырауда тік орын ауыстыруы молярлық көлемнің кеңеюінен әлдеқайда көп болуы мүмкін екенін көрсетті. Бұл топырақтың тік орын ауыстыруының басты себебі ретінде молярлық көлемнің өзгеруін жоққа шығарды. Оның тәжірибелері тек жоғарғы бетін салқындату арқылы қатырылған топырақ бағаналарының ішінде мұз линзаларының қалыптасуын көрсетті, осылайша температура градиентін құрды.
Urban Hjärne described frost effects in soil in 1694. By 1930, Stephen Taber, head of the Department of Geology at the University of South Carolina, had disproved the hypothesis that frost heaving results from molar volume expansion with freezing of water already present in the soil prior to the onset of subzero temperatures, i. e. with little contribution from the migration of water within the soil. Since the molar volume of water expands by about 9% as it changes phase from water to ice at its bulk freezing point, 9% would be the maximum expansion possible owing to molar volume expansion, and even then only if the ice were rigidly constrained laterally in the soil so that the entire volume expansion had to occur vertically. Ice is unusual among compounds because it increases in molar volume from its liquid state, water. Most compounds decrease in volume when changing phase from liquid to solid. Taber showed that the vertical displacement of soil in frost heaving could be significantly greater than that due to molar volume expansion. This excluded molar volume changes as the dominant mechanism for vertical displacement of freezing soil. His experiments further demonstrated the development of ice lenses inside columns of soil that were frozen by cooling the upper surface only, thereby establishing a temperature gradient.
Мұз линзаларын әзірлеу
Топырақтың ығысуының басты себебі – мұз линзаларының қалыптасуы. Мұз көтерілу кезінде топырақтан бос бір немесе бірнеше мұз линзалары өседі, олардың өсуі олардың үстіндегі топырақты ығыстырып жібереді. Бұл линзалар топырақтың төменгі қабатындағы жер асты суының көзінен судың үнемі қосылуы арқылы өседі, ал бұл көз топырақтағы қату шегінен төмен орналасқан. Мұз линзаларын сумен қамтамасыз ету үшін капиллярлық ағымға мүмкіндік беретін кеуекті құрылымы бар, мұзға сезімтал топырақтың болуы маңызды. Сұйықтың кеуектердегі шектелуінің Гиббс-Томсон әсеріне байланысты, топырақтағы су судың көлемдік қату температурасынан төмен температурада сұйық күйде қалуы мүмкін. Өте ұсақ кеуектердің қисықтығы жоғары, бұл мұндай ортада сұйық фазаның термодинамикалық тұрақтылығына әкеледі, кейде температурасы сұйықтың қату нүктесінен бірнеше ондаған градусқа дейін төмендейді. Бұл әсер судың топырақ арқылы мұз линзасына қарай сіңуіне мүмкіндік береді, осылайша линзаның өсуіне жағдай жасайды. Су тасымалының тағы бір әсері – мұз линзасының бетінде және мұз бен топырақ бөлшектері арасында сұйық судың бірнеше молекулалық қабаттарының сақталуы. Фарадей 1860 жылы еріген судың тоңбаған қабаты туралы хабарлаған. Мұз өз буымен және кремниймен жанасқанда еріп жатады.
The dominant cause of soil displacement in frost heaving is the development of ice lenses. During frost heave, one or more soil free ice lenses grow, and their growth displaces the soil above them. These lenses grow by the continual addition of water from a groundwater source that is lower in the soil and below the freezing line in the soil. The presence of frost susceptible soil with a pore structure that allows capillary flow is essential to supplying water to the ice lenses as they form. Owing to the Gibbs–Thomson effect of the confinement of liquids in pores, water in soil can remain liquid at a temperature that is below the bulk freezing point of water. Very fine pores have a very high curvature, and this results in the liquid phase being thermodynamically stable in such media at temperatures sometimes several tens of degrees below the bulk freezing point of the liquid. This effect allows water to percolate through the soil towards the ice lens, allowing the lens to grow. Another water transport effect is the preservation of a few molecular layers of liquid water on the surface of the ice lens, and between ice and soil particles. Faraday reported in 1860 on the unfrozen layer of premelted water. Ice premelts against its own vapor, and in contact with silica.
Микромасштабты процестер
Жер бетіндегі ерітудің алдын ала басталуына себеп болатын молекуларалық күштер, мұз линзасының төменгі жағындағы бөлшектер деңгейінде мұздың көтерілуіне де әсер етеді. Мұз ұсақ топырақ бөлшегін қоршалап, еріген кезде, бөлшек, оны қоршаған судың жұқа қабатының еруі мен қайта қатуынан, жылу градиенті ішінде жылы бағытқа қарай төмен жылжиды. Мұндай қабаттың қалыңдығы температураға байланысты және бөлшектің суық жағында жұқарақ болады. Судың термодинамикалық бос энергиясы, қатты мұзданған күйде, суытылған сұйық күйіндегіден төмен болады. Сондықтан, бөлшектің жылы жағынан суық жағына судың үнемі толықтырылуы және жылы жағында қалың қабатты қайта құру үшін үнемі еру процесі жүреді. Бұл бөлшектер жылы топыраққа қарай төмен жылжиды, бұл процесті Фарадей «термиялық регенерация» деп атаған. Осындай зерттеулерге негізделген стандартты сынақтар бар, олар жол төсемелерінде қолданылатын топырақтардың мұзға және еріген кездегі әлсіреуге бейімділігін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл, мұзға бейімділігі белгісіз топырақтар үшін, көтерілу жылдамдығы мен еріген негіздің қатынасын, мұзға бейімділігі анықталған топырақтардың белгіленген классификациялық жүйесіндегі мәндермен салыстыру арқылы жүзеге асырылады. Мұзға бейімделмейтін топырақтар су ағынын қамтамасыз ету үшін тым тығыз (гидравликалық өткізгіштігі төмен) немесе капиллярлық ағынды қамтамасыз ету үшін тым кеуекті болуы мүмкін. Мысалға, кішкентай тесік өлшемдері бар тығыз саздар, сондықтан гидравликалық өткізгіштігі төмен, және аз мөлшерде ұсақ бөлшектері бар таза құм мен қиыршық тас, олардың тесік өлшемдері капиллярлық ағынды қамтамасыз ету үшін тым үлкен.
The same intermolecular forces that cause premelting at surfaces contribute to frost heaving at the particle scale on the bottom side of the forming ice lens. When ice surrounds a fine soil particle as it premelts, the soil particle will be displaced downward towards the warm direction within the thermal gradient due to melting and refreezing of the thin film of water that surrounds the particle. The thickness of such a film is temperature dependent and is thinner on the colder side of the particle. Water has a lower thermodynamic free energy when in bulk ice than when in the supercooled liquid state. Therefore, there is a continuous replenishment of water flowing from the warm side to the cold side of the particle, and continuous melting to re establish the thicker film on the warm side. The particle migrates downwards toward the warmer soil in a process that Faraday called "thermal regelation." Based on such research, standard tests exist to determine the relative frost and thaw weakening susceptibility of soils used in pavement systems by comparing the heave rate and thawed bearing ratio with values in an established classification system for soils where frost susceptibility is uncertain. Non frost susceptible soils may be too dense to promote water flow (low hydraulic conductivity) or too open in porosity to promote capillary flow. Examples include dense clays with a small pore size and therefore a low hydraulic conductivity and clean sands and gravels, which contain small amounts of fine particles and whose pore sizes are too open to promote capillary flow.
Мұздың көтерілуінен пайда болған жер бедері
Мұз көтерілуі әртүрлі геометриядағы көтерілген топырақ формаларын жасайды, оның ішінде шеңберлер, көпбұрыштар және жолақтар бар. Органикалық заттарға бай топырақта, мысалы, торфта кездесетін мұндай формалар пальсалар деп аталады, ал минералдық заттарға бай топырақта – литальсалар. Свалбард аралдарында кездесетін тасты литальсалар (көтерілген үйінділер) соның мысалы. Кения тауындағы пальсалар көрсеткендей, мұз көтерілуі альпілік аймақтарда, тіпті экваторға жақын жерлерде де болады. Арктикалық мәңгі тоң аймақтарында жүздеген жылдар бойы жердің көтерілуі 60 метрге дейін жететін құрылымдарды қалыптастыруы мүмкін. Бұл құрылымдар қатып қалған судың капиллярлық әрекетімен емес, жер асты суларының көтерілуімен қоректенеді. Криогендік жер дөңгелектері – маусымдық тоңған жерде пайда болатын және әртүрлі атаулары бар ұсақ формациялар. Солтүстік Америкада оларды жер дөңгелектері дейді, Гренландия мен Исландияда – thúfur, ал Фенносканияда – pounus. Марстың полярлық аймақтарында Марс Глобус зерттеушісіндегі (MOC) Марс орбиталық камерасы және Марс тану орбиталық аппаратындағы HiRISE камерасы мұз көтерілуінен пайда болған көпбұрышты формаларды байқады. 2008 жылдың мамыр айында Марсқа Phoenix қондырғышы осындай көпбұрышты мұздық жерге қонды және бетінен бірнеше сантиметр тереңдікте мұз тапты.
Frost heaving creates raised soil landforms in various geometries, including circles, polygons and stripes, which may be described as palsas in soils that are rich in organic matter, such as peat, or lithalsa in more mineral rich soils. The stony lithalsa (heaved mounds) found on the archipelago of Svalbard are an example. Frost heaves occur in alpine regions, even near the equator, as illustrated by palsas on Mount Kenya. In Arctic permafrost regions, a related type of ground heaving over hundreds of years can create structures, as high as 60 metres, known as pingos, which are fed by an upwelling of ground water, instead of the capillary action that feeds the growth of frost heaves. Cryogenic earth hummocks are a small formation resulting from granular convection that appear in seasonally frozen ground and have many different names; in North America they are earth hummocks; thúfur in Greenland and Iceland; and pounus in Fennoscandia. Polygonal forms apparently caused by frost heave have been observed in near polar regions of Mars by the Mars Orbiter Camera (MOC) aboard the Mars Global Surveyor and the HiRISE camera on the Mars Reconnaissance Orbiter. In May 2008 the Mars Phoenix lander touched down on such a polygonal frost heave landscape and quickly discovered ice a few centimetres below the surface.
Тоңазытқыш ғимараттарда
Суық қоймалар мен мұз айдындарында температураның нөлден төмен болуы топырақты олардың негізінен ондаған метр тереңдікке дейін қатыруы мүмкін. Маусымдық қатуға ұшырайтын ғимараттар, мысалы, кейбір мұз айдындары, ғимараттың ішкі температурасы жоғарылаған кезде топырақтың еруіне және қалпына келуіне мүмкіндік береді. Егер суытылған ғимараттың негізі қатуға бейім топыраққа орналастырылса, ал қату фронтының жете алатын жер асты суы болса, онда мұндай құрылыстардың едендері табиғатта кездесетін механизмдерге байланысты көтерілуі мүмкін. Мұндай құрылыстар бірнеше стратегияны жеке немесе бірге қолдану арқылы мұндай проблемаларды болдырмау үшін жобалануы мүмкін. Стратегияларға негіздің астына қатуға бейім емес топырақты орналастыру, қату фронтының енуін азайту үшін жылу оқшаулау және ғимараттың астындағы топырақты қатудан қорғау үшін жеткілікті түрде жылыту кіреді. Маусымдық мұз айдындарында мұздың температурасын көтеру арқылы жер астының қату қарқынын азайтуға болады.
Cold storage buildings and ice rinks that are maintained at sub freezing temperatures may freeze the soil below their foundations to a depth of tens of meters. Seasonally frozen buildings, e. g. some ice rinks, may allow the soil to thaw and recover when the building interior is warmed. If a refrigerated building's foundation is placed on frost susceptible soils with a water table within reach of the freezing front, then the floors of such structures may heave, due to the same mechanisms found in nature. Such structures may be designed to avoid such problems by employing several strategies, separately or in tandem. The strategies include placement of non frost susceptible soil beneath the foundation, adding insulation to diminish the penetration of the freezing front, and heating the soil beneath the building sufficiently to keep it from freezing. Seasonally operated ice rinks can mitigate the rate of subsurface freezing by raising the temperature of the ice.