Введение
Подъем почвы вверх при замерзании
Морозное пучение (или морозный подъем) – это подъем почвы вверх в условиях замерзания, вызванный увеличением содержания льда по мере его роста к поверхности, снизу от глубины в почве, куда проникли отрицательные температуры (фронт замерзания или граница замерзания). Рост льда требует наличия водоснабжения, которое доставляет воду к фронту замерзания посредством капиллярного действия в определенных типах почв. Вес вышележащей почвы сдерживает вертикальный рост льда и может способствовать образованию линзовидных скоплений льда внутри почвы. Однако силы одной или нескольких растущих ледяных линз достаточны для подъема слоя почвы на 30 см (0,3 м) и более. Почва, через которую вода поступает для питания образования ледяных линз, должна быть достаточно пористой, чтобы обеспечить капиллярное действие, но не настолько пористой, чтобы прервать капиллярную непрерывность. Такая почва называется "пучинистой". Рост ледяных линз непрерывно потребляет поднимающуюся воду на фронте замерзания. Дифференциальное морозное пучение может приводить к трещинам на дорожном покрытии, способствуя образованию весенних ям, а также повреждать фундаменты зданий. Морозные пучения могут возникать в механически охлаждаемых холодильных складах и на ледовых аренах. Игольчатый лед – это, по сути, морозное пучение, которое происходит в начале сезона заморозков, до того как фронт замерзания проник глубоко в почву и отсутствует почвенная нагрузка, которую можно было бы поднять в виде морозного пучения.
Историческое понимание заморозков
Урбан Хьерне описал явления, связанные с промерзанием почвы, в 1694 году. К 1930 году Стивен Тейбер, заведующий кафедрой геологии Университета Южной Каролины, опроверг гипотезу о том, что морозное пучение обусловлено расширением молярного объема при замерзании воды, уже содержащейся в почве до наступления отрицательных температур, то есть с незначительным вкладом миграции воды внутри почвы. Поскольку молярный объем воды увеличивается примерно на 9% при переходе из жидкого состояния в твердое (лед) при температуре замерзания, 9% является максимальным возможным расширением, обусловленным изменением молярного объема, и то лишь в случае жесткого бокового ограничения льда в почве, когда всё увеличение объема происходит вертикально. Лед уникален среди соединений тем, что его молярный объем увеличивается при переходе из жидкого состояния (воды) в твердое. Большинство соединений уменьшаются в объеме при переходе из жидкого состояния в твердое. Тейбер показал, что вертикальное смещение почвы при морозном пучении может значительно превышать то, что обусловлено расширением молярного объема. Это исключает изменения молярного объема как основной механизм вертикального смещения промерзающей почвы. Его эксперименты также продемонстрировали образование линз льда внутри столбов почвы, замороженных путем охлаждения только верхней поверхности, что создавало температурный градиент.
Разработка ледяных линз
Основной причиной смещения почвы при морозном пучении является образование ледяных линз. В процессе морозного пучения формируется одна или несколько линз чистого льда, и их рост вытесняет почву, находящуюся над ними. Эти линзы растут за счет непрерывного поступления воды из источника грунтовых вод, расположенного ниже в почве и ниже линии промерзания. Наличие почвы, чувствительной к промерзанию, с пористой структурой, обеспечивающей капиллярный перенос, необходимо для снабжения водой формирующихся ледяных линз. Благодаря эффекту Гиббса-Томсона, связанному с ограничением жидкости в порах, вода в почве может оставаться в жидком состоянии при температуре ниже температуры замерзания воды. Очень мелкие поры обладают высокой кривизной, что обеспечивает термодинамическую стабильность жидкой фазы в таких средах при температурах, иногда на несколько десятков градусов ниже температуры замерзания жидкости. Этот эффект позволяет воде просачиваться через почву к ледяной линзе, способствуя ее росту. Другим механизмом переноса воды является сохранение нескольких молекулярных слоев жидкой воды на поверхности ледяной линзы, а также между льдом и частицами почвы. Фарадей в 1860 году сообщил о наличии предварительно растопленного слоя воды, не замерзающего при низких температурах. Лёд предварительно тает под действием собственного пара и при контакте с кремнезёмом.
Процессы микромасштаба
Те же межмолекулярные силы, которые вызывают предварительное плавление на поверхностях, способствуют морозному пучению в масштабе частиц на нижней стороне формирующейся ледяной линзы. Когда лед окружает мелкую частицу почвы в процессе предварительного плавления, эта частица смещается вниз в направлении более высокой температуры внутри теплового градиента из-за таяния и повторного замерзания тонкой пленки воды, окружающей частицу. Толщина этой пленки зависит от температуры и меньше на холодной стороне частицы. Вода обладает более низкой термодинамической свободной энергией в объеме льда, чем в переохлажденном жидком состоянии. Поэтому происходит непрерывное поступление воды 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 "термической регеляцией". На основе этих исследований существуют стандартные методы определения относительной восприимчивости почв, используемых в дорожных конструкциях, к воздействию мороза и оттаивания путем сравнения скорости пучения и коэффициента несущей способности после оттаивания со значениями, установленными в общепринятой системе классификации почв при неопределенности их восприимчивости к морозу. Почвы, не подверженные морозному пучению, могут быть либо слишком плотными для обеспечения движения воды (низкая гидравлическая проницаемость), либо слишком пористыми для обеспечения капиллярного потока. Примеры включают плотные глины с малым размером пор и, следовательно, низкой гидравлической проницаемостью, а также чистые пески и гравий, содержащие небольшое количество мелких частиц и имеющие слишком крупные поры для поддержания капиллярного потока.
Рельефные формы, созданные подъемом мороза
Морозное пучение создает возвышенные формы рельефа различной геометрии, включая круги, многоугольники и полосы, которые могут описываться как пальсы в почвах, богатых органическим веществом, таких как торф, или литальсы в почвах, более богатых минералами. Каменистые литальсы (поднятые холмы), обнаруженные на архипелаге Шпицберген, являются примером этого. Морозное пучение происходит в альпийских регионах, даже вблизи экватора, как демонстрируют пальсы на горе Кения. В арктических районах вечной мерзлоты связанный тип поднятия грунта в течение сотен лет может создавать структуры высотой до 60 метров, известные как пинго, которые питаются поднимающимися грунтовыми водами, а не капиллярным действием, обеспечивающим рост морозного пучения. Криогенные земляные бугры – это небольшие образования, возникающие в результате гранулярной конвекции, которые появляются в сезонно замерзшей почве и имеют различные названия: в Северной Америке – земляные бугры, в Гренландии и Исландии – thúfur, а в Фенноскандии – pounus. Многоугольные формы, предположительно вызванные морозным пучением, были обнаружены в околополярных регионах Марса камерой Mars Orbiter Camera (MOC) на борту Mars Global Surveyor и камерой HiRISE на орбитальном аппарате Mars Reconnaissance Orbiter. В мае 2008 года посадочный модуль "Феникс" совершил посадку на такой многоугольный рельеф, сформированный морозным пучением, и вскоре обнаружил лед на несколько сантиметров ниже поверхности.
В зданиях с холодильным оборудованием
Холодильные склады и ледовые арены, поддерживаемые при отрицательных температурах, могут промерзать почву под их основаниями на глубину в десятки метров. Сезонно промерзающие здания, например, некоторые ледовые катки, могут позволять почве оттаивать и восстанавливаться при повышении температуры внутри здания. Если фундамент охлаждаемого здания расположен на пучинистых грунтах с уровнем грунтовых вод в зоне досягаемости фронта промерзания, то полы таких сооружений могут приподниматься по тем же механизмам, что наблюдаются в природе. Для предотвращения этих проблем такие сооружения могут быть спроектированы с использованием различных стратегий по отдельности или в комбинации. Эти стратегии включают в себя замену пучинистого грунта под фундаментом на непучинистый, добавление теплоизоляции для уменьшения глубины проникновения фронта промерзания и обогрев грунта под зданием для предотвращения его промерзания. Сезонные ледовые арены могут замедлить скорость промерзания грунта, повышая температуру льда.