Evaluation of frost heaving in frozen foundation layers due to the transfer of water in a gaseous statе

Abstract

The redistribution of moisture during uniaxial freezing of the soil at the base of roads in winter is of great importance for its bearing capacity during the spring thaw. In winter, an ice lens forms directly under the road due to the higher thermal conductivity of the pavement layers. And during the spring thaw, the base of the road may become oversaturated, leading to volume changes and damage to the road structure. This article presents a theoretical calculation of moisture accumulation in frozen layers due to water migration in a gaseous state based on monitoring data. A section of the highway near Kosshy town 20 km from the capital of Kazakhstan, was monitored in the winter period of 2021-22 and 2022-23. The water mass transfer in a form of vapour 1.41-1.44·10⁻⁴ g/h per 1 dm³ of soil at with temperature fluctuations -5-8 °C based on monitoring data of the highway foundations in winter period. The rate of vapour transfer in the frozen soil was 0.467-0.472 m/h and caused the formation of 430-456 g of ice due to the accumulation of water in a gaseous state in every 1 m³ of soil, which increased the humidity by 40% or more and significantly reduced the bearing road capacity during the spring thaw.

RÉSUMÉ: La redistribution de l'humidité lors du gel uniaxial du sol au pied des routes en hiver est d'une grande importance pour sa capacité portante lors du dégel printanier. En hiver, une lentille de glace se forme directement sous la route en raison de la conductivité thermique plus élevée des couches de chaussée. Et lors du dégel printanier, la base de la route peut devenir sursaturée, entraînant des changements de volume et des dommages à la structure de la route. Cet article présente un calcul théorique de l'accumulation d'humidité dans les couches gelées en raison de la migration de l'eau à l'état gazeux, basé sur des données de surveillance. Un tronçon de l'autoroute près de la ville de Kosshy, à 20 km de la capitale du Kazakhstan, a été surveillé au cours de la période hivernale 2021-22 et 2022-23. Le transfert de masse d'eau sous forme de vapeur est de 1,41-1,44·10⁻⁴ g/h pour 1 dm³ de sol avec des variations de température de -5-8 °C, d'après les données de surveillance des fondations routières en période hivernale. Le taux de transfert de vapeur dans le sol gelé était de 0,467 à 0,472 m/h et a provoqué la formation de 430 à 456 g de glace en raison de l'accumulation d'eau à l'état gazeux dans chaque m³ de sol, ce qui a augmenté l'humidité de 40% ou plus et a considérablement réduit la capacité portante de la route lors du dégel printanier.