Hostname: page-component-7b7567c8c-2n9c9 Total loading time: 0 Render date: 2026-11-15T16:07:45.494Z Has data issue: false hasContentIssue false

Ice Lensing, Thermal Diffusion and Water Migration in Freezing Soil

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Andrew C. Palmer*
Affiliation:
Department of Mechanical Engineering, University of Liverpool, Liverpool, England
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Abstract

When a surface layer of the soil freezes, both heat and water diffuse from the unfrozen soil beneath to the frozen region. Often the soil does not freeze homogeneously but distinct ice lenses form. An analysis of the diffusion and ice nucleation processes suggests conditions under which ice lensing can be expected; in particular, it is shown that multiple ice lenses cannot form unless the soil thermal diffusivity is greater than the water diffusion coefficient. Analysis of a simple one-dimensional case (a semi-infinite mass of homogeneous soil whose surface temperature is suddenly lowered) gives the temperature and water-content fields as functions of time; these agree with those observed in an experimental study of freezing clay.

Résumé

Résumé

Lorsque une couche superficielle du sol gèle, à la fois la chaleur et l’eau diffusent du sol non gelé inférieur vers la couche gelée. Souvent, le sol ne gèle pas d’une manière homogène, mais des lentilles de glace distinctes se forment. Une analyse des processus de diffusion et de nucleation de la glace suggère les conditions dans lesquelles la formation de lentilles de glace peut être attendue; en particulier, il est montré que de multiples lentilles de glace ne peuvent se former à moins que la valeur de la diffusion thermique ne soit plus grande que le coefficient de diffusion hydrique. L’analyse d’un cas simple à une dimension (une masse semi-infinie d’un sol homogène dont la température de surface est brutalement abaissée) donne les champs de température et de teneur en eau en fonction du temps; cela est en accord avec les valeurs observées pendant l’étude expérimentale du gel de l’argile.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Wenn eine Oberflächenschicht des Bodens gefriert, diffundieren vom ungefrorenen Boden darunter sowohl Wärme als auch Wasser in die gefrorene Zone. Häufig gefriert der Boden nicht homogen, es bilden sich vielmehr begrenzte Eislinsen. Eine Analyse der Diffusions- und Kristallisationsprozesse lässt auf die Bedingungen schliessen, unter denen die Eislinsenbildung erwartet werden kann. Besonders zeigt sich, dass mehrfache Eislinsen sich nur dann bilden können, wenn die Wärmedurchlässigkeit des Bodens grösser ist ah der Wasserdiffusionkoeffizient. Die Analyse eines einfachen eindimensionalen Falles (semi-indefinite Masse homogenen Bodens, dessen Oberflächentemperatur plötzlich gesenkt wird) ergibt das Temperatur- und Wassergehaltsfeld als Funktion der Zeit. Dieses stimmt mit jenem überein, das bei einer experimentellen Untersuchung an gefrierendem Ton beobachtet wurde.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1967
Figure 0

Fig. 1.Ice lensing in frozen clay

Figure 1

Fig. 2.Temperature and θF distributions in simple models of a soil freezing system

Figure 2

Fig. 3.Schematic diagram of experimental apparatus

Figure 3

Table IClay Particle-Size Distribution (By Sedimentation)

Figure 4

Fig. 4.Diffusion coefficient μ2 and equilibrium freezing temperature θF as functions of water content (Boston blue clay)

Figure 5

Fig. 5.Experimental temperature/time relationships at different distances from the end of the cylinder

Figure 6

Fig. 6.Water-content and temperature distributions

Figure 7

Fig. 7.Water-content and lemperalure distributions