An experimental study of thermal properties and the influence on the ground thermal regime in permafrost soil

Abstract

Jord er et porøst materiale som består av mineralkorn og porer som er fylt med luft og vann. Frossen jord har høy trykkstyrke og høy bæreevne. Infrastruktur som er etablert i områder med permafrost er avhengig av styrken i den frosne jorda. Når frossen jord tiner vil styrken i jorda reduseres og det kan føre til stabilitets problemer i skråninger og for fundamter. I tillegg kan tiningen forårsake setninger som kan være skadelig for infrastruktur. Adsorpsjons- og kapillærkrefter og saltinnhold i porevannet kan forårsake en senkning av frysepunktet i porevannet. Disse kreftene gjør også at en del av porevannet forblir ufrosset selv når temperaturene senkes under frysepunktet. Mengden med vann og is endres ettersom temperaturen i jorda endres og dette forårsaker at de termiske egenskapene endres med temperatur.

Det har blitt utført rutineundersøkelser og testing av termiske egenskaper på prøver av finkorning, saltholdig jord fra et borehull i permafrost på Svalbard. Verdier for ufrossen og frossen termisk konduktivitet og volumetrisk varmekapasitet har blitt målt med KD2 Pro Thermal Properties Analyzer. Målingene med KD2 Pro gir usikre resultater ved jord temperaturer på og under frysepunktet. Dette er fordi smeltingen av is forårsaket av varmeøkningen under målingen ikke er tatt hensyn til i løsningsalgortimen i måleren. Verdier fra direkte målinger av termisk konduktivitet viser en tendens til å være høyere enn verdiene beregnet med empiriske formuleringer. Verdiene for termisk konduktivitet beregnet med Kerstens empiriske metode gir noe høyere verdier enn ved bruk av Johansens metode.

Vannpotensialet i jordprøvene har blitt målt med WP4C Dew Point PotentiaMeter. Det målte vannpotensialet har blitt brukt til å beregne mengden ufrosset vann ved negative temperaturer i jorda. Beregninger av ufrosset vann er basert på en utvidet form av den generelle Clapeyron likningen. Verdier for vanninnhold, vannpotensial og saltkonsentrasjonen i porevannet brukes for å beregne frysepunktet i jorda. Det osmotiske potensialet og det kapillære potensialet gir bidrag til frysepunkts senkningen. Frysepunktet i jorda har blitt målt direkte og brukes for å kontrollere resultatene fra Clapeyron likningen. Når en betrakter en fullt mettet prøve med et visst saltinnhold, er det funnet at det osmotiske potensialet gir størst effekt på senkningen av frysepunktet. Når jorda er fullt mettet er kapillærpotensialet lite, men når porevannet begynner å fryse synker metningsgraden. Når metningsgraden synker øker det kapillæret potensialet. Forsøk viser at det kapillære potensialet blir større enn det osmotiske potensialet mellom -5°C og -10°C. Det osmotiske potensialet synker med synkende temperaturer og er neglisjerbart ved lave temperaturer. Det kapillære potensialet er avgjørende for mengden vann som forblir ufrosset på lave temperaturer under ca. -5°C. Den estimerte kurven for ufrosset vann ved negative temperaturer har blitt benyttet for finne de termiske egenskapene som funksjon av temperatur.

De estimerte funksjonene for ufrosset vann og termiske egenskaper har blitt benyttet som parametere i en elementmetode modell satt opp i programmet Geostudio 2018 og analyser er utført med TEMP/W. Modellen er brukt til å simulere hvordan det termiske regimet i jorda påvirkes av klimaendringer og økning i lufttemperaturer. Grensebetingelsene som er påført i modellen er basert på målinger av lufttemperaturer og bakketemperaturer for at modellen skal gjengi dagens situasjon. Modellen valideres ved å sammenligne et temperaturprofil fra en simulering med et profil fra termistor målinger. Simulering av fremtidige temperaturforhold i jorda er gjort ved at predikerte endringer i lufttemperaturer basert på forskjellige klimagasssenarioer er lagt til som grensebetingelser i modellen. Senarioene RCP2.6 og RCP8.5 er brukt i simuleringene. Etter 50 år med utslippssenario RCP2.6 kan en økning i aktivt lag observeres, men endringene er ikke kritiske for infrastruktur i området. Derimot viser temperaturprofilene fra simuleringene etter 100 år under RCP2.6 senarioet og etter 50 år med RCP8.5 senarioet at aktivt lag vil få en drastisk økning og at permafrost ned til 10 m dyp vil være nær smeltepunktet. En sensitivitetsanalyse er utført for å se hvor sensitiv modellen er for endringer i jordegenskapene. Analysen viser at temperaturendring i grunnen er sensitivitet for hvor frysepunktet i jorda er og dermed mengden ufrosset vann på ulike temperaturer. Oppvarmingsraten blir betraktelig redusert når is må smeltes fordi det trengs energi i form av latent varme for å smelte isen før materialet kan varmes opp videre. Dermed er kurven for ufrosset vann eller mengden vann som fortsatt er is viktig for å bestemme hvor fort oppvarming av jorda vil skje på forskjellige temperaturer. Det er viktig å bestemme frysepunktet i jorda nøyaktig og effekten av saltinnhold må inkluderes i kurver for ufrosset vann og termiske egenskaper. Dette er viktig for å vite hvilken jordtemperatur som er kritisk for at jorda skal være frossen og kunne for å kunne beregne korrekt mekanisk styrke i permafrost med tanke på geotekniske utfordringer.

Soil is a porous composite material consisting of soil grains and pores filled with air and water. The strength of soil increases when it freezes, and infrastructure in permafrost areas depend on the high compressive strength and high bearing capacity of frozen soil. Thawing of frozen soil will reduce its strength and can give stability problems and lead to increased settlements of infrastructure. Adsorption and capillary forces and solute content in the pore water cause a depression of the freezing point of the pore water and are the reasons why there is an amount of unfrozen water in frozen soil. When temperatures are lowered below the freezing point part of the pore water will freeze. The change in water and ice composition in the pores will cause a change in the soil thermal properties and affect the temperature dependent strength in the soil.

Determination of index properties and thermal properties of a fine grained saline permafrost soil from the site UNIS East at Svalbard has been performed. Frozen and unfrozen thermal conductivity and volumetric heat capacity of the soil samples have been measured by a KD2 Pro Thermal Properties Analyzer. The KD2 Pro is unsuitable to measure thermal properties around the freezing point since the melting of ice is not accounted for in the solver. Values for thermal conductivity obtained by direct measurements tend to be higher than the values found by empirical formulations taken from literature. Values by Kersten's empirical formulations indicate higher values than determined by Johansen's formulation.

The water potential of the soil samples has been determined using the WP4C Dew Point PotentiaMeter. By measuring the water potential for sub samples with a range of different water contents, the measurements can be used to estimate the amount of unfrozen water content in the soil at various temperatures. The estimation of unfrozen water content is based on a newly derived form of the Clapeyron equation. The soil water content, the pore water potential and the concentration of solutes in the frozen soil are addressed in the equation. The Clapeyron equation is used to determine the freezing point of soil based on the matric potential, the osmotic potential and the total pore water potential. Experiments have been performed to measure the freezing point temperature in soil, and the test results are compared to the calculated results by the Clapeyron equation. Calculations show that for a fully saturated unfrozen soil sample with a high salinity, the effect of solutes in the pore water dominates the magnitude of the freeze point depression. When the soil is fully saturated, the matric potential is small, but when water starts to freeze the saturation decreases and the matric potential increases. For the tested samples the matric potential exceeds that of the osmotic at temperatures between -5°C and -10°C. The osmotic potential decreases with lowering of temperatures and is negligible when it is exceeded by the matric potential. It is found that the matric potential is the reason why part of the pore water remain unfrozen even at very low temperatures. The Clapeyron equation is used to estimate the curve of unfrozen water content for the soil. Based on the unfrozen water content curve the volumetric heat capacity can be calculated and the thermal conductivity can be estimated as functions of temperature.

A model based on the estimated functions for unfrozen water content and thermal properties has been set up in the finite element program Geostudio 2018 where the TEMP/W analysis module was used. It was attempted to simulate the response in the ground thermal regime due to climate change and rising air temperatures. The boundary conditions applied to the model were adapted from measured air and ground temperatures to simulate the present conditions at the UNIS East site. The model was validated by comparing the simulated temperature profile to recorded thermistor measurements. For simulations of future ground conditions the predicted changes in air temperatures based on different scenarios for greenhouse gas emissions (RCP2.6, RCP8.5) presented by Hanssen-Bauer et al. (2019) were applied as boundary condition at ground surface. In simulations over a period of 50 years with RCP2.6 scenario the conditions are not critical for existing infrastructure. This is because the increase in active layer thickness is small and the temperatures in near-surface-permafrost are still below the freezing point and therefore the strength of the soil will not be reduced significantly due to temperature increase. In simulations for 100 years with RCP2.6 scenario and for 50 years with the RCP8.5 scenario the temperature profiles from the simulations indicate a drastic increase in active layer thickness and thawing of near-surface-permafrost after. This will reduce the strength and bearing capacity of the soil and cause geotechnical challenges when concerning the ground conditions for infrastructure. The different scenarios show a big difference in development of the state of the near-surface-permafrost for the next 50 years. A sensitivity analysis of the model response to various soil parameters shows that the rate of temperature change is sensitive for changes in the freezing point and unfrozen water content. The freezing point is important for correct determination of the unfrozen water content curve which is decisive for how large fraction of the pore water that freezes at different temperatures. Latent heat must be added during phase change when ice melts or water freezes. The consumption of latent heat slows the rate of ground warming. The amount of latent heat that must be added at different temperatures in the model is determined by the unfrozen water content curve for the soil material. The effect of solutes must be included in the unfrozen water content curves and the temperature dependency of thermal properties should be included when predictions of temperatures in the ground thermal regime in permafrost areas for geotechnical purposes are to be performed.