Frosthebungen
Frost heaves


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03.11.2010

Nässe im Boden kann bei Frost zu interessanten Erscheinungen führen. Wenn die Frostgrenze nahe an der Bodenoberfläche ist, also vor allem zu Beginn des Winters, können aus Böden mit der richtigen Körnigkeit (Schluff, Ziegelbruch) Eisnadeln oder Eissäulen wachsen, die man Kammeis nennt. Auf Altholz bildet sich manchmal Haareis. Später, wenn die Frostgrenze tiefer liegt, können sich dort Eislinsen bilden, die zu Frosthebungen führen. Im Straßen- und Wegebau ist das besonders auffällig und unangenehm. Es bilden sich Wellen und wenn das Eis im Frühling schmilzt, kann es schwere Verformungen und Einbrüche geben.

When freezing, humidity in the ground may result in striking effects. When the freezing level at the beginning of winter is near to the surface, needle ice grows if the soil consists of grains with the right size (silt). On half rotten wood sometimes frost flowers are formed. Later, when the frost limit proceeds deeper into the ground, ice lenses may form there which cause frost heaves. This is evident and uncomfortable when occurring on streets. The surface forms waves and in spring, when the ice melts, it may deform and break in.


Diese unasphaltierte Straße in Schweden ist im Sommer ganz eben. Im Winter bilden sich Bodenwellen, die um die 15 cm hoch werden. Sie sind jeden Winter an denselben Stellen. Dort besteht der Untergrund in Frosttiefe offenbar aus Schluff (engl. silt).

This unasphalted street in Sweden is flat in summer. In winter, about 15 cm high waves are formed. There, the ground consists of silt.


Wie kommt das zustande? / What is the reason?

Diese Grafik (angefertigt nach einer Grafik von Conny Svensson, University of Lund, Sweden) zeigt die physikalischen Eigenschaften von körnigem Material. Schluff ("silt") hat Korngrößen um 0,01 mm. Die Poren dazwischen sind so eng, dass Wasser durch Kapillarkraft mehrere Meter gehoben werden kann. Gleichzeitig sind sie weit genug um das Wasser auch durch diese Poren zu transportieren. Bei Ton (clay) geht das nicht mehr, weshalb Ton undurchlässig für Wasser ist. Bei Schluffböden findet man starke Frosthebungen (frost heaves).

This diagram (after Conny Svensson, University of Lund, Sweden) shows the physical properties of grainy soil material. Silt has a grain size around 0.01 mm. The pores between the grains are so narrow that water may be lifted several meters by capillary forces. And they are wide enough to allow water transport in the pores. In clay, this does no longer work. This is the reason why clay is water-tight. In silt soil, strong frost heaves may occur.

 

 


Auch diese Grafik ist nach einer Grafik von Conny Svensson, University of Lund, Sweden neu gezeichnet. Sie zeigt, auf welche Weise Wasser in körnigem Untergrund transportiert werden kann. Es kann kapillar aufsteigen, in einer Adsorptionsschicht entlang der Körner nach oben "kriechen" oder als Wasserdampf in Gasform diffundieren. Ein Nettotransport nach oben entsteht erst, wenn dort Wasser aus der flüssigen oder gasförmigen Phase durch Ausfrieren an der Frostgrenze "entfernt" wird. Dort bildet sich Eis in Form einer Eislinse. Die Körner in dieser Abbildung haben einen Durchmesser im Bereich 0,005 bis 0,05 mm (Schluff bzw. Silt).

This diagram (also after Conny Svensson, University of Lund) shows the ways in which water transport occurs between silt grains. It may be lifted by capillarity, creep upward along the grains in an adsorbed layer or diffuse as water vapor. A net transport upwards occurs only if water is "removed" there from the liquid or gas phase by freezing. An ice lens is then formed.



So kann es (schematisch) unter der Erde zugehen, damit es zu Frosthebungen und hinterher zu Einbrüchen kommt. An der Frostgrenze bildet sich eine Eisschicht (a), die durch Transport von unten (vor allem Kapillartransport) zu einer Eislinse wächst. Dabei wird der Boden darüber hoch gedrückt und bildet eine Frosthebung (b). Gleichzeitig kann die Frostgrenze nach unten sinken. Das Wachstum hört im Prinzip erst auf, wenn der zugängliche Wasservorrat aufgebraucht ist (c). Wichtig: Die Frosthebung beruht nur sehr wenig darauf, dass das Wasser sich beim Gefrieren ausdenhnt, sondern vor allem darauf, dass Wasser überhaupt in die Eislinse transportiert wurde und dort ausfror. Im Frühling, wenn der Boden sich von oben und von unten her erwärmt, schmilzt die Eislinse, das Wasser läuft ab und es entsteht ein Hohlraum (d), der wieder zugedrückt wird, wobei die Frosthebung verschwindet. Der Hohlraum kann aber auch einstürzen (e). Wenn ein Weg während der Auftauphase (d), (e) befahren wird, kann es tiefe Furchen und gefährliche Löcher geben. Je nach Bodenbeschaffenheit und zeitlichem Verlauf des Frostes kann es mehrere Eislinsen übereinander geben.

These diagrams show schematically what happens in the ground during formation of frost heaves and their melting in spring. At the freezing level, an ice layer is formed (a), which grows by capillary transport from below into an ice lens. The ground above is pressed upward and forms a frost heave (b). Simultaneously, the freezing level may proceed deeper into the ground. The growth stops in principle only when the accessible water is consumed (c). The frost heave is not caused by the expansion of water during freezing but by transport of water to the forming ice lens. In spring, the ground warms up from above and below. The ice lens melts, the water runs away and a cavity forms (d) which may be filled from above thus letting the frost heave disappear. But the cavity may also collapse (e). If the street is used by vehicles during the melting period (d), (e), deep ruts and dangerous holes may form. Depending on the properties of the soil and the freezing depth, several ice lenses above each other may be formed.


Frosteinbruch auf einem Waldweg. Länge des Loches etwa 10 cm.
Frost cavity in a forest street. Length of the visible hole about 10 cm.

Beim Nachgraben um das Einbruchsloch finden sich in einer Tiefe von einigen Dezimetern weitere Eisschichten (Pfeil)
Digging around the hole yields further ice layers at a depth of a few decimeter (arrow).


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