THERMAL REGIME OF HIGHWAY SUBGRADES IN SEASONAL FREEZING CONDITIONS OF NORTHERN KAZAKHSTAN

Abstract

This study examines the thermal regime of multilayer highway subgrades under seasonal freezing conditions in Northern Kazakhstan, with particular attention to differences between soil beneath the pavement and adjacent snow-covered ground. Field monitoring was conducted along the Kosshy highway near Astana using a vertical array of temperature and relative humidity sensors installed within pavement layers and the underlying soil profile. Measured temperature gradients were used to estimate the effective thermal conductivity of pavement layers and frozen subgrade soil through inverse calculations based on Fourier’s law. The results show that the multilayer pavement structure significantly modifies the thermal regime of the soil profile, producing steeper temperature gradients and deeper frost penetration compared with nearby snow-insulated ground. Moisture migration in the vapour phase was evaluated using a diffusion-based formulation derived from Fick’s law. In addition, a simplified energy-balance approach was applied to estimate the potential upper limit of vapour-related ice accumulation by relating conductive heat flux to latent heat associated with vapour deposition. The comparison of the pavement and snow-covered profiles demonstrates that differences in thermal conductivity and thermal boundary conditions strongly influence both temperature distribution and potential moisture redistribution in freezing soils.

Аңдатпа.Бұл зерттеу Солтүстік Қазақстандағы маусымдық қату жағдайындағы көп қабатты тас жол төсемдерінің жылу режимін зерттейді, әсіресе төсем астындағы топырақ пен оған жақын орналасқан қар басқан жер арасындағы айырмашылықтарға назар аударылады. Астана маңындағыҚосшы тас жолы бойында төсем қабаттарына және астыңғы топырақ профиліне орнатылған температура мен салыстырмалы ылғалдылық сенсорларының тік массивін пайдаланып далалық мониторинг жүргізілді.Температура градиенттері өлшенген, төсем қабаттары мен мұздатылған төсем топырағының тиімді жылу өткізгіштігін бағалау үшін Фурье заңына негізделген кері есептеулер арқылы пайдаланылды. Нәтижелер көп қабатты төсем құрылымы топырақ профилінің жылу режимін айтарлықтай өзгертетінін, жақын маңдағы қармен оқшауланған жермен салыстырғанда температура градиенттерінің тік болуын және аяздың тереңірек енуін тудыратынын көрсетеді.Бу фазасындағы ылғалдың миграциясы Фик заңынан алынған диффузияға негізделген формуланы қолдана отырып бағаланды. Сонымен қатар, өткізгіш жылу ағынын будың тұндырылуымен байланысты жасырын жылумен байланыстыру арқылы буға байланысты мұз жиналуының ықтимал жоғарғы шегін бағалау үшін жеңілдетілген энергия балансы тәсілі қолданылды. Жол жабыны мен қар басқан профильдерді салыстыру жылу өткізгіштік пен жылу шекарасы жағдайларының айырмашылығы мұздатылған топырақтарда температураның таралуына да, ылғалдың қайта таралуына да қатты әсер ететінін көрсетеді.

Аннотация.В данном исследовании изучается тепловой режим многослойных дорожных оснований в условиях сезонного промерзания в Северном Казахстане, с осо-бым вниманием к различиям между грунтом под покрытием и прилегающей заснежен-ной поверхностью. Полевой мониторинг проводился вдоль шоссе Косшы вблизи Астаны с использованием вертикальной решетки датчиков температуры и относительной влажности, установленных в слоях покрытия и нижележащем грунтовом профиле.Из-меренные температурные градиенты использовались для оценки эффективной тепло-проводности слоев покрытия и мерзлого грунта основания с помощью обратных расче-тов на основе закона Фурье. Результаты показывают, что многослойная структура покрытия значительно изменяет тепловой режим грунтового профиля, создавая более крутые температурные градиенты и более глубокое проникновение мороза по сравне-нию с расположенной рядом заснеженной поверхностью.Миграция влаги в паровой фазе оценивалась с использованием диффузионной формулы, выведенной из закона Фика. Кроме того, был применен упрощенный подход энергетического баланса для оценки по-тенциального верхнего предела накопления льда, связанного с паром, путем соотнесения теплопроводности с скрытойтеплотой, связанной с осаждением пара. Сравнение про-филей дорожного покрытия и снежного покрова показывает, что различия в теплопро-водности и тепловых граничных условиях оказывают сильное влияние как на распреде-ление температуры, так и на потенциальное перераспределение влаги в замерзающих грунтах.