Microstructure of frozen soils under the influence of static loads and temperature changes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The present study is devoted to the investigation of the microstructure and macrostructure of frozen soils under the influence of static loads and temperature changes. Particular attention is given to analyzing microstructural changes in various types of frozen soils—namely, alluvial sands, sandy loams, and marine loams—during prolonged mechanical testing under subzero temperature conditions. The aim of the work is to identify the features of ice inclusion formation, cryogenic textures, the distribution of ice-cement, and the deformation processes within the soil structure. The study is based on original data, enabling detailed analysis of the spatial distribution of mineral particles and ice inclusions at the microscopic level. The research focuses on identifying deformation patterns in frozen soils associated with changes in their microstructure, which has practical significance for engineering geocryology and for forecasting the stability of structures in permafrost regions.To analyze the microstructure, methods of polymer replicas and scanning electron microscopy (SEM) were used. Approximately 150 replicas were prepared before and after mechanical tests (uniaxial compression, shear, and frost bonding) on four types of frozen soils under varying temperature and moisture (ice content) conditions. The scientific novelty of this work lies in the comprehensive application of the polymer replica method and SEM for detailed analysis of microstructural changes in frozen soils in their natural frozen state after prolonged loading. Unlike previous studies, which mainly examined thawed samples or used less stable methods, this research employed replicas made directly from the fracture surfaces of frozen samples, which preserved ice inclusions and allowed for high-quality comparative analysis before and after testing. It was found that static loads lead to the formation of cellular structures, intersecting ice lenses, ring-shaped formations around ice-cement, and microcracks that significantly alter the microstructure. Macrostructural changes were also recorded in the form of compaction zones, loosened areas, and cracks, which correlate with the observed microstructural transformations. The influence of temperature, moisture (ice content), and salinity on the degree of microstructural change was demonstrated. A close relationship between the microstructure and the mechanical properties of frozen soils was experimentally confirmed. The data obtained allow for refinement of models describing the deformation behavior of frozen soils.

References

  1. Ершов Э. Д. Микростроение мерзлых пород. Москва: Издательство Московского университета, 1988. 183 с.
  2. Харрис С., Брушков А., Чен Г. Геокриология. Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2020. 437 с.
  3. Ершов Э. Д. Общая геокриология. Издательство МГУ, 2002. 682 с.
  4. Рогов В. В. Основы криогенеза. Новосибирск: Академ. изд-во “Гео”, 2009. 203 с.
  5. Li K., Geng Y., Li Q., Liu C. Comprehensive Microstructural Characterization of Saline-Alkali Soils in the Yellow River Delta, China // Soil Sci. Plant Nutr. 2021. Vol. 67. P. 301-311.
  6. Zhang S., Xu X., Dong X., Lei H., Sun X. Effects of Freeze-Thaw Cycles on the Mechanical Properties and Microstructure of a Dispersed Soil // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, No. 17. P. 9849.
  7. Li S., Zhang M., Tian Y., Pei W., Zhong H. Experimental and Numerical Investigations on Frost Damage Mechanism of a Canal in Cold Regions // Cold Reg. Sci. Technol. 2015. Vol. 116. P. 1-11.
  8. Sun G.-C., Zhang J.-M., Dang Y.-S., Ding C. Microstructure and strength features of warm and ice-rich frozen soil treated with high-performance cements // Journal of Mountain Science. 2019. Vol. 16, No. 6. P. 1470-1482. doi: 10.1007/s11629-018-5197-6.
  9. Li X., Cong S., Tang L., Ling X. Effect of Freeze-Thaw Cycles on the Microstructure Characteristics of Unsaturated Expansive Soil // Sustainability. 2025. Vol. 17. P. 762. doi: 10.3390/su17020762.
  10. Губин С. В., Лупачев А. В. Подходы к выделению и изучению погребенных почв в мерзлых толщах отложений ледового комплекса // Криосфера Земли. 2012. Т. XVI, № 2. С. 79-84.
  11. Мельников В. П., Рогов В. В., Курчатова А. Н., Брушков А. В., Грива Г. И. Распределение микроорганизмов в мерзлых грунтах // Криосфера Земли. 2011. Т. XV, № 4. С. 86-90.
  12. Соколов В. Н., Юрковец Д. И., Разгулина О. В. Исследование микроструктуры грунтов с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображений // Геоэкология. 2008. № 4. С. 1-6.
  13. Булыгина Л. Г., Соколов В. Н., Чернов М. С., Разгулина О. В., Юрковец Д. И. Анализ структуры грунтов комплексом растровый электронный микроскоп – рентгеновский компьютерный микротомограф (РЭМ-μКТ) // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014. № 5. С. 457-463.
  14. Романенко К. А., Рогов В. В., Юдина А. В., Абросимов К. Н., Скворцова Е. Б., Курчатова А. Н. Исследование микростроения мерзлых почв и дисперсных пород с помощью рентгеновской компьютерной томографии: методы, подходы, перспективы // Бюллетень Почвенного института имени В. В. Докучаева. 2016. № 83. С. 103-117. doi: 10.19047/0136-1694-2016-83-103-117.
  15. Романенко К. А., Абросимов К. Н., Курчатова А. Н., Рогов В. В. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии в исследовании микростроения мерзлых пород и почв // Криосфера Земли. 2017. № 4. С. 75-81. doi: 10.21782/KZ1560-7496-2017-4(75-81).
  16. Булыгина Л. Г., Соколов В. Н., Кошелев А. Г. Влияние особенностей микростроения глинистых грунтов различного генезиса на их деформирование при компрессионных и штамповых испытаниях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2013. № 6. С. 552-559.
  17. Усов А. Н., Чернов М. С., Соколов В. Н., Вознесенский Е. А. Изменение микростроения глинистых грунтов при деформировании в условиях трехосного сжатия с учетом проявления деформационной неустойчивости // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2017. № 6. С. 87-91.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).