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Motion of Sub-Freezing Ice Past Particles, with Applications to Wire Regelation and Frozen Soils

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Joseph S. Walder*
Affiliation:
Quaternary Research Center, AK-60, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
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Abstract

Existence of a very thin layer of adsorbed water adjacent to particles embedded in ice allows relative motion between ice and particles even at sub-freezing temperatures if there are either applied stresses or macroscopic temperature gradients. Theoretical analysis of such motion involving a single sphere demonstrates that such motion is dominantly due either to “viscous” deformation in the ice or to mass transport in the liquid layer at temperatures below the nominal pressure melting-point, depending on the ratio of the sphere’s radius to a temperature-dependent “transition radius”. This result should also hold for motion of a cylinder (for which the creeping flow problem has no known analytical solution). Reviewing data on wire regelation at sub-freezing temperatures in the context of this analysis suggests that all “anomalous” data correspond to cases in which wire radii were greater than the transition radius, leading to dominance of ice-deformation effects. Ice motion past very small particles, on the other hand, is essentially accommodated entirely by mass transfer through the liquid layer. This result lends support to the “rigid-ice” model of frost heaving as proposed by R.D. Miller and co-workers, and permits approximate analysis of ice movement through a porous soil. In all cases involving relative motion between ice and particles at sub-freezing temperatures, the existence of macroscopic temperature gradients plays an important role.

Résumé

Résumé

L’existence d’une très fine couche d’eau adsorbée sur des particules enchassée dans la glace permet un mouvement relatif entre la glace et les particules même à des températures inférieures au point de regel lorsqu’existe une contrainte ou un gradient macroscopique de température. Une analyse théorique d’un tel mouvement dans le cas d’une seule sphère montre que cela est principalement dû au transport de masse dans la couche liquide à des températures inférieures au point de fusion correspondant à la pression effective, en fonction du rapport du rayon de la sphère et d’une température associée au ”rayon de transition”. Ce résultat peut aussi être établi pour le mouvement d’un cylindre (pour lequel on ne connait pas de solution analytique). Une revue des données de regel sur les fils à des températures inférieures au point de congélation, dans le contexte de cette analyse suggère que tous les résultats ”anormaux” correspondent aux cas où les rayons étaient supérieurs au rayon de transition en privilégiant les effets de la déformation de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Vorhandensein einer sehr dünnen Schicht adsorbierten Wassers an Partikeln, die in Eis eingelagert sind, lässt eine relative Bewegung zwischen dem Eis und den Partikeln auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu, wenn entweder Druckkräfte oder makroskopische Temperaturgradienten vorhanden sind. Die theoretische Analyse solcher Bewegung, beschränkt auf eine einzelne Kugel, zeigt, dass sie in erster Linie entweder auf “viskoser” Deformation im Eis oder auf Massentransport in der flüssigen Schicht bei Temperaturen unter dem nominellen Druckschmelzpunkt beruht, in Abhängigkeit vom Verhältnis des Kugelradius zu einem temperaturabhängigen “Übergangsradius”. Dieses Ergebnis sollte auch für die Bewegung eines Zylinders gelten (für die das Problem des Kriechfliessens keine analytische Lösung besitzt). Die Betrachtung von Daten zum Einfrieren von Drähten bei tiefen Temperaturen im Rahmen dieser Analyse lässt vermuten, dass alle “ungewöhnlichen” Daten solchen Fällen zugehören, bei denen die Drahtradien grösser als der Übergangsradius sind, was zum Überwiegen von Effekten der Eisdeformation führt. Andrerseits wird die Eisbewegung über sehr kleine Partikel im wesentlichen ganz durch Massentransport durch die flüssige Schicht bewirkt. Dieses Ergebnis stützt das Modell des “starren Eises” für Frosthebungen, vorgeschlagen von R.D. Miller und seinen Mitarbeitern, und gestattet eine Näherungsanalyse der Eisbewegung durch porösen Boden. In allen Fällen von relativer Bewegung zwischen Eis und Partikeln bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt spielt das Vorhandensein makroskopischer Temperaturgradienten eine wichtige Rolle.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
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Fig. 1. Thermally induced regelation of ice through the pore space of an idealized soil. Ice moves in the direction of lower temperature (after O’Neill and Miller, 1985).

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Fig. 2. Flow of sub-freezing ice past a sphere. Standard spherical coordinates r (radial distance), θ (polar angle), and ψ (azimuthal angle) are used. The liquid-layer thickness, greatly exaggerated here, would actually be non-uniform.

Figure 2

Fig. 3. Transition radius between regelation-dominated and creep-dominated flow. for various driving stresses Pd’ Effective viscosity of ice is dependent on both temperature and Pd

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Fig. 4. Idealized porous medium, composed of a cubic packing of cylinders

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Fig. 5. Apparent hydraulic conductivity of frozen porous medium, for various particle radii R. Cubic close packing is assumed.