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A Theory of the Consolidation of Snow

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

E. D. Feldt
Affiliation:
U. S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, U.S.A.
G. E. H. Ballard
Affiliation:
U. S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, U.S.A.
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Abstract

A consolidation theory is developed for an age-hardened snow under uniaxial stress in the porosity range of 35 to 55 per cent by considering one mechanism, viz. viscous flow of interparticle bonds. For a uniaxial stress σ the differential equation for porosity n in terms of time t is shown to be

where a and ν are structural parameters and η is the coefficient of viscosity of ice. Comparison of this equation and the integrated form with existing data predicts consistent and reasonable values for a. The predicted values of η/ν range from 10−2 to 102 times the published values for, η which may indicate that ν, and hence the consolidation rate, is greatly affected by the diagenetic history of the snow and the conditions of experimentation.

Résumé

Résumé

Une théorie de la consolidation de la neige durcie avec l’âge, soumise à une contrainte non-axiale et dont la porosité s’échelonne de 35 à 55%, a été développée en considérant un mécanisme unique, la fluidité du ciment interparticulaire. Pour une contrainte uniaxiale σ, l’équation différentielle de la porosité n en fonction du temps t sera:

dans laquelle a et ν sont des paramètres relatifs à la structure, et η est le coefficient de viscosité de la glace. Si l’on compare cette équation et la forme intégrée avec les données connues, on peut prévoir des valeurs de logiques et raisonnables de a. Les valeurs établies de η/ν s’échelonnent de 10−2 à 102 fois les valeurs publiées de η, ce qui voudrait dire que ν, et par là le taux de consolidation, est grandement affecté par l’évolution diagénétique de la neige et les conditions de l’expérience.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Entwickelt wird eine Verfestigungstheorie für altersgehärteten Schnee unter einachsigem Druck im Porositätsbercich von 35 bis 55% unter Berücksichtigung nur eines mechanischen Vorganges, nämlich des viskosen Flusses von Bindemitteln der Teilchen. Als Differentialgleichung für die Porosität n als Funktion der Zeit t bei einachsigem Druck σ ergibt sich:

wobei a und ν strukturelle Parameter sind und, η der Koeffizient der Viskosität von Eis ist. Ein Vergleich dieser Gleichung und ihrer integrierten Form mit bekannten Werten ergibt folgerichtige und annehmbare Werte für a. Die berechneten Werte von η/ν weichen vom 10−2 bis 10−2-fachen von den bekannten Werten für η ab, woraus man schliessen kann, dass ν und damit auch das Tempo der Verfestigung weitgehend von der diagenetischen Vorgeschichte des Schnees und von den Versuchsbedingungen abhängt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1966
Figure 0

Fig. 1. Comparison of theoretical compressive viscosity , for a = 1.78, with empirical relationship, for “Byrd” station data (Mellor and Hendrickson, 1965)

Figure 1

Fig. 2. Comparison of theoretical compressive viscosity , for a = 1.82 with empirical relationship, ηc ∝ exp (−4.4 e) of Landauer (1955[a])

Figure 2

Fig. 3. Comparison of the theoretical compressive viscosity for a = 1.8, with the experimentally determined viscosity curve of Ramseier and Pavlak (1964) and the empirical relationship of Kojima (1964)ηc ∝ exp[20(1−n)]

Figure 3

Fig. 4. Theoretical porosity—time curve for a = 1.80 and n0 = 0.555

Figure 4

Fig. 5. Linearized time—porosity equation compared with data from a U.S. Cold Regions Research and Engineering Laboratory Report in preparation by Ballard and Feldt

Figure 5

Table I. Summation of Regression Analysis of Porosity—Time Data According to Equation (15)

Figure 6

Fig. 6. Arrhenius-type relationship, for an activation energy of 16 kcal./mole compared with data of Ballard and Feldt

Figure 7

Fig. 7. Comparison of theoretical unit deformation equation , for a = 1.80 and n0 = 0.542, with power function approximation F(Δz/z0) = 0.179(Δz/z0)1.25

Figure 8

Table II. Values of η/ν Predicted from Landauer’s Creep Curves

Figure 9

Table III. Summation of Regression Analysis on Creep Data of Ramseier and Pavlak According to Equation (18)

Figure 10

Fig. 8. Depth-porosity curve predicted in this paper compared with data and depth–porosity curve of Kojima (1964)

Figure 11

Table IV. Estimated Values of the Parameter ν