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Investigations Into the Mechanical Properties of Alpine Snow-Packs

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

C. M. Keeler
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
W. F. Weeks
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

Data on the physical properties of seasonal alpine snow have been collected from the Beartooth Mountains near Cooke City, Montana (elevation ≈3000 m) and the Bridger Range near Bozeman, Montana (elevation ≈2200 m). Systematic measurements of snow density, temperature, structure, ram and Canadian hardness, centrifugal tensile strength and shear strength measured with a shear box and several types of shear vanes are included. Test results were grouped according to gross snow types (cohesive fine-grained “winter” snow. depth hoar, new snow, etc.) and whether the snow was wet or dry. Then interrelations between the different test parameters were studied. A plot of ram number versus density for winter snow gave a log-linear relation similar to that suggested for polar snows. Both shear-vane and centrifugal-tensile results when plotted as a function of porosity are well described by the negative exponential relation suggested by Ballard and Feldt. Depth hoar and wet snow invariably have lower strength values at any given density. There is an excellent one-to-one agreement between values obtained with the shear vane and the shear box.

Several field experiments were performed to study the sources of error in making in-situ mechanical tests on snow without utilizing a pit wall. Statistical analysis of the results shows that the main factor contributing to the experimental scatter is lateral inhomogeneity in the snow cover. There was no significant difference between the results of different operators. The standard deviation of a group of strength tests is shown to be directly proportional to the mean value of the group. This indicates that a logarithmic transformation should be made in handling snow strength results in order to stabilize the variance. It is emphasized that the systematic relations between snow properties invariably become obscured when different snow “types” are indiscriminately grouped together.

Investigations des propriétés mécaniques de couches de neige alpines. Des données sur les propriétés physiques de la neige saisonnière alpine ont été collectées dans les Beartooth Mountains près de Cooke City, Montana (altitude environ 3000 m) et le Bridger Range près de Bozeman (Montana) (altitude environ 2200 m). Des mesures systématiques de la neige: densité, température, structure, dureté de battage et canadienne, force de tension centrifuge et de cissaillement mesurée avec une boite à cissaillement et plusieurs types de vannes de cissaillement, ont été ajoutées. Les résultats des mesures ont été groupés en types généraux de neige (neige d′hiver à grains fins, givre de profondeur, nouvelle neige, etc.) suivant que la neige était sèche ou humide. Puis les relations entre les différents paramètres ont été étudiés. Le report des nombres de battage en fonction de la densité pour la neige d′hiver donna une relation logarithmique-linéaire similaire à celle suggérée par la neige polaire. A la fois les résultats des mesures de cissaillement et tensions centrifuges, portés en fonction de la porosité, sont bien décrites par une relation exponentielle négative suggérée par Ballard et Feldt. Le givre de profondeur et la neige humide ont invariablement des cohésions plus faibles pour toute densité. Il y a un excellent accord pour chaque cas entre les valeurs obtenues par les vannes à cissaillement et la boite à cissaillement.

Plusieurs expériences sur le terrain ont été réalisées pour étudier les sources d′erreur en effectuant des mesures mécaniques in situ de la neige sans utiliser le mur d′un puits. L′analyse statistique des résultats montre que le facteur principal contribuant à la dispersion expérimentale est l′imogénéité latérale dans la couverture de neige. Il n′y avait pas de différence significative entre les résultats des différents opérateurs. L′écart standard d′un groupe de mesures de cohésion était directement proportionnelle à la valeur moyenne du groupe. Cela indique qu′une transformation logarithmique devrait titre faite dans l′exploitation des résultats des mesures de cohésion de la neige afin de stabiliser la variance. On insiste sur le fait que les relations systématiques entre les propriétés de la neige deviennent invariablement obscures lorsque différents types de neige sont groupés sans discrimination.

Zusammenfassng

Zusammenfassng

Untersuchungen über die mechanischen Eigenschaften von Schneelagen alpinen Typs. Daten über die physikalischen Eigenschaften alpinen Winterschnees wurden in den Beartooth Mountains nahe Cooke City, Montana (Höhe 3000 m), und in der Bridger Range nahe Bozeman, Montana (Höhe 2200 m), gewonnen. Sie schliessen systematische Messungen der Schneedichte, Temperatur, Struktur, des Rammwiderstandes, der zentrifugalen Dehnungsfestigkeit und Scherfestigkeit ein, die mit einer Scherschachtel und einigen Typen von Scherflügeln durchgeführt wurden. Die Testergebnisse wurden in Gruppen entsprechend den Grundschneearten (zusammenhängender feinkörniger Winterschnee, Tiefen-Reif, Neuschnee etc.) und der Durchfeuchtung des Schnees zusammengestellt. Dann wurden die gegenseitigen Beziehungen zwischen den verschiedenen Testparametern untersucht. Eine Aufzeichnung der Rammzahl in Abhängigkeit von der Dichte für Winterschnee ergab eine log-lineare Beziehung ähnlich der für Polarschnee vorgeschlagenen. Die Darstellung sowohl der Scherung als auch der Zentrifugaldehnung in Funktion der Porosität wird gut durch die negative Exponentialbeziehung beschrieben, die Ballard und Feldt vorgeschlagen haben. Tielènreif und feuchter Schnee haben bei jeder gegebenen Dichte niedrigere Festigkeitswerte. Zwischen den Werten, die mit den Scherflügeln und der Scherschachtel gewonnen wurden. besteht eine ausgezeichnete Übereinstimmung.

Einige Feldversuche wurden unternommen, um die Fehlerquellen zu studieren, die bei mechanischen Versuchen in situ ohne Benutzung einer Schachtwand auftreten. Statistische Analysen der Ergebnisse zeigen, dass die seitliche Inhomogenität der Schneedecke die Hauptursache für die Streuung der Ergebnisse ist. Es gab keine bedeutenden Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Beobachter. Der mittlere Fehler einer Gruppe von Festigkeitsprüfungen erweist sich als direkt proportional zum Mittelwert der Gruppe. Dies legt nahe, eine ln-Transformation bei der Bearbeitung von Schneefestigkeitsmessungen zur Stabilisierung der Varianz anzuwenden. Es wird nachdrücklich darauf hingewiesen, dass die systematischen Beziehungen der Schneeigenschaften unvermeidlich verschleiert werden, wenn verschiedene Schneearten unterschiedslos zusammengruppiert werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1968
Figure 0

Fig. 1. Snow-pack water equivalent plotted against elevation. Goose Lake observations made on 30 April 1965, Bridger Bowl observations made on 15 March 1966

Figure 1

Fig. 2. Pit observations

Figure 2

Fig. 3. Ram number plotted against dry-snow density (Goose Lake 1961–65)

Figure 3

Fig. 4a. Ram number plotted against dry-depth-hoar density

Figure 4

Fig. 4b. Ram number plotted against wet-snow density

Figure 5

Fig. 5. Tensile strength plotted against porosity of dry, fine-grained snow (Goose Lake. 1964–65)

Figure 6

Fig. 6. Tensile strength plotted against porosity of depth hoar (Goose Lake. 1965)

Figure 7

Fig. 7. Shear-box shear strength plotted against porosity (Goose Lake, 1965)

Figure 8

Fig. 12. Shear-vane strength plotted against shear-box strength

Figure 9

Fig. 8. Schematic diagram of shear vanes

Figure 10

Fig. 9. Variance and mean of shear strengths plotted against normalized depths

Figure 11

Fig. 10. Mean shear strength plotted against standard deviation of shear strength values

Figure 12

Table 1. Hypotheses Tests and Variance Estimates from the Three-Level Nested E.G.I.G. Shear-Vane Experiment (Variance Estimates are Presented on an Untransformed Scale)

Figure 13

Fig. 11. Large shear-vane strength plotted against porosity

Figure 14

Fig. 12. Shear-vane strength plotted agaillst shear-box strength

Figure 15

Fig. 13. Shear-vane strength plolted against ram hardness

Figure 16

Fig. 14. Centrifugal tensile strength plotted against large shear-vane strength

Figure 17

Fig. 15. Logarithm ofCalladian hardness plotted against porosity of dry snow