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Theoretical Studies of Ice Segregation in Soil

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Kiyoshi Arakawa*
Affiliation:
Department of Physics, Hokkaido University, Sapporo, Japan
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Abstract

The mathematical theory of heat conduction is applied to the analysis of ice segregation processes in soil. A diffusion equation is first employed for the flow of soil moisture. Two new quantities, the rate of ice segregation,σ and the segregation efficiency, E, are introduced. The first is the rate of ice growth measured as mass per area per time. The latter is defined as E = σL/(K 1 ∂T 1/∂x−K 2 ∂T 2/∂x), where L is the latent heat of fusion of ice, T 1and K 1are the temperature and thermal conductivity of frozen soil, and T 2 and K 2 are the temperature and thermal conductivity of unfrozen soil. Three types of soil freezing can be classified in terms of E: freezing of non-frost-susceptible soil (E = 0), perfect segregation (E = 1) and imperfect segregation (0 < E < 1). Finally, the mathematical boundary conditions at an advancing frost line are obtained in freezing, frost-susceptible soil (E ≠ 0). Two parameters related to the structure of soil are pointed out, which seem to be valid criteria of frost susceptibility. The amount of frost-heaving is derived under special conditions.

Résumé

Résumé

La théorie mathématique de conduction calorifique est appliquée à l’analyse de processus de ségrégation de glace dans les sols. Une équation de diffusion est d’abord employée pour l’écoulement de l’humidité des sols. Les nouvelles quantités, la vitesse de ségrégation de la glace σ, et l’efficience de ségrégation E, sont introduites. La première est la vitesse de croissance de la glace mesurée en masse par surface par temps. La dernière est définie par E = σL/(K 1 ∂T 1/∂x−K 2 ∂T 2/∂x), où Lest la chaleur latente de fusion de la glace, T 1 et K 1 sont la tempéra-tore et la conductivité thermique du sol gelé, T 2 et K 2 la température et la conductivité thermique du sol non gelé. En utilisant E, trois types de gel du sol peuvent se distinguer: gel de sol non susceptible au gel (E = 0), ségrégation parfaite (E = 1) et ségrégation imparfaite (0 < E < 1) Finalement les conditions mathématiques aux limites et la ligne de gel en progression sont obtenues pour un sol susceptible au gel en train de geler (E ≠ 0). Deux paramètres en relation avec la structure du sol sont mis en valeur; ils semblent constituer des critères valides pour la susceptibilité au gel. La valeur du soulèvement da au gel en est dérivée dans des conditions spéciales.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die mathematische Theorie der Wärmeleitung wird auf die Analyse von Eisabsonderungeprozessen im Boden angewandt. Zuerst wird eine Diffusionsgleichung für den Fluss der Budenfeuch[igkeit angesetzt. Zwei neue Grössen, nämlich die Geschwindigkeit der Eisabsondcrung σ und derAbsonderungsgrad E, werden eingeführt. Die erste ist die Geschwindigkeit des Eiswachstums, gemessen in Masse pro Fläche und Zeit. Die zweite ist definiert durch E = σL/(K 1T 1/x−K 2 T 2/x), wobei L die latente Wärme des Schmelzens von Eis, T 1und K 1 die Temperatur und die Wärmeleitzahl von gefrorenem Boden, T 2 und K 2 die entsprechenden Werte für ungclrorenen Boden bedeuten. Mil Hilfe von E können drei Typen von Bodenfrost unterschieden werden: Gefrieren von nicht-frostempfanglicleni Boden (E = 0), vollkommene Absonderung (E = 1) und unvollkommene Absonderung (0 < E < 1) Schliesslich werden die mathematischen Grenzbedingungen für eine vorrückende Frostlinie in gefrierendem, frostempfänglichem Boden (E ≠ 0) hergeleitet. Zwei Parameter für die Bodenstruktur, die wirksame Kriterien für die Frostempfänglichkeit zu sein scheinen, werden herausgestellt. Das Ausmass der Frosthebung wird unter bestimmten Bedingungen ermittelt.

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Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1966