تأثير الصقيع في التربة

تشوهات التربة نتيجة تأثير الصقيع

عند تأثير الصقيع، يتجمد الماء الحر غير الجاري عند 0°C، ويتمدد عندئذ بمقدار 9% من حجمه. أما الماء في الأنابيب الشعرية الضيقة فلا يتجمد عند 0°C، بل عند درجات حرارة أدنى تتراوح من -1°C إلى -78°C. وقد ثبتت درجة التجمد الأخيرة هذه بالتجارب المخبرية في أمريكا. وكلما كان الأنبوب الشعري أضيق كانت درجة التجمد أقل.

توجد في التربة مسامات متصلة فيما بينها في جميع الاتجاهات وتشكّل أنابيب شعرية. وفي الرمل تكون المسامات كبيرة وتشكّل أنابيب شعرية واسعة، يتجمد فيها الماء عند 0°C أو عند درجة حرارة أقل قليلًا. ويتجمد الماء بصورة منتظمة، فتتكوّن في المسامات بلورات جليد، ولا يؤدي ازدياد حجمها بنسبة 9% إلى أي تشوهات تُذكر في التربة. أما في التربة دقيقة الحبيبات فالمسام أصغر وتشكّل أنابيب شعرية ضيقة يتجمد فيها الماء عند درجات حرارة أدنى من 0°C. غير أنه في الطبقة السطحية تكون التربة دائمًا أكثر تفككًا وبمسامات أكبر، يتجمد فيها الماء عند 0°C ويتكون الجليد. وهذه البلورات تجذب إليها الماء المبرد من المسامات الضيقة بقوة كبيرة، ما يُسمّى بقوة التبلور. وعندما يلامس الماء المنجذب بهذه الطريقة بلورات الجليد ويتجمد هو نفسه، فإن حجم بلورات الجليد يزداد، فتتحول إلى عدسات جليدية، قد تبلغ سماكتها نحو 0,1 إلى 10 mm. وتسبب العدسات الجليدية المتكوّنة تشوهًا كبيرًا للتربة أثناء تأثير الصقيع، وقد يصل ذلك في الظروف غير الملائمة على نحو خاص إلى 30 و50 cm.

إن حدوث وتشكل تشوه التربة نتيجة تأثير الصقيع يعتمد أساساً على العوامل الـ3 التالية:

1. التركيب الحبيبي للتربة

2. منسوب المياه الجوفية

3. مدة استمرار الصقيع.

Ad 1) من حيث التركيب الحبيبي، يكون التأثير الأكبر للصقيع في التربة دقيقة الحبيبات، التي تكون مسامها صغيرة بما يكفي لتشكيل أنابيب شعرية ضيقة، وفي الوقت نفسه تمتلك نفاذية كافية تسمح بدوران سريع للماء أثناء تأثير الصقيع. وهذه التربة هي الأكثر حساسية للصقيع، سواء من حيث سرعة الظهور أو من حيث مقدار التشوهات. وهي التربة الغرينية، التي تتكون أساسًا من حبيبات بحجم 0,02-0,002 mm. أما الحبيبات ذات الحجم >0,02 mm فلها ارتفاع شعري صغير، في حين أن الحبيبات ذات الحجم < 0,002 mm يكون صعودها الشعري بطيئًا، بحيث لا يمكن في الحالتين وصول سوى كمية قليلة من الماء إلى منطقة تأثير الصقيع خلال مدة الصقيع. وإذا كانت التربة الطينية تحتوي على أكثر من 25% من الجسيمات ذات الحجم < 0,002 mm، فإن نفاذية التربة تكون صغيرة جدًا، ويكون دوران الماء في المسام بطيئًا إلى حدٍّ يجعل الماء يتجمد فيها قبل أن تتمكن العدسات الجليدية من التكوّن.

Ad 2) إلى جانب الشرط المتعلق بالتركيب الحبيبي للتربة يجب أن يتحقق شرط آخر لكي تحدث تشوهات التربة بفعل الصقيع. وهو أن توجد إمكانية تزويد منطقة تأثير الصقيع بالماء. وإذا لم يتحقق هذا الشرط، أي إذا لم تكن شعيرات التربة على اتصال بالماء الذي سيتدفق فيها باستمرار أثناء تأثير الصقيع، فلن تحدث تشوهات بفعل الصقيع، مهما كان التركيب الحبيبي للتربة.

كلما كان منسوب المياه الجوفية أعلى، كانت إمكانية تشوهات التربة بفعل الصقيع أكبر. وإذا كان منسوب المياه الجوفية على عمق أكبر من ارتفاع الصعود الشعري للماء في التربة المعنية، فإن التشوهات الناجمة عن الصقيع تكون ضئيلة.

Ad 3) كلما كانت مدة استمرار الصقيع المتواصل أطول، كانت التشوهات الناتجة عن الصقيع أكبر، بسبب تشكّل عدسات جليدية أكبر وأكثر عددًا. أما الصقيع الشديد قصير المدة فيسبب تشوهات أقل، لأنه يؤدي في هذه الحالة إلى تجمّد الماء في المسام فجأة وانقطاع الجريان الشعري للماء. وعلى العكس، فإن الصقيع المتوسط وطويل الأمد يسبب تشوهات أكبر بسبب التكوّن غير المعوق للعدسات الجليدية.

تأثير الإطاحة بالمجترّات

أثناء الذوبان، تذوب أولًا العدسات الجليدية في الجزء العلوي من التربة السطحية، بينما يبقى تحتها مباشرةً طبقة متجمدة، وبالتالي غير منفذة. ولأن العدسات الجليدية الذائبة تعطي كمية كبيرة من الماء، لا يمكن لهذا الماء أن ينفذ عبر الطبقة السفلى المتجمدة، فإن هذه الكمية المتزايدة من الماء في الطبقة السطحية تُشبع التربة فوق الحد وتحوّلها إلى كتلة سائلة لا تمتلك أي تماسك، بل تُزاح جانبيًا تحت الضغط. ويمكن أن تكون تشوهات التربة الناجمة عن تأثير الذوبان كبيرة، وفي بعض الحالات خطرة. وتشيع هذه التشوهات في القطوع على خطوط السكك الحديدية والطرق، حيث يحدث في الربيع انزلاق جزئي للمنحدرات بسبب تشبع التربة بالماء الناتج عن العدسات الجليدية الذائبة، وكذلك في الطرق التي تتشوه فيها طبقات الرصف تحت تأثير المرور على تربة فقدت قدرتها التحملية بسبب التشبع بالماء.

معيار تقييم تأثير الصقيع على التربة

من خلال دراسة تأثير الصقيع على أنواع مختلفة من التربة، تبيّن أنه من حيث السلوك في الصقيع ينبغي التمييز بين نوعين من التربة: آمنة و_خطرة في الصقيع_.

التربة الآمنة من الصقيع هي تلك التي لا تتكوّن فيها عدسات جليدية مهما طالت مدة الصقيع. وفي هذا النوع من التربة يحدث فقط تجمّد الماء في مسامها وتكوّن بلورات جليدية، مع تشوهات طفيفة تحت تأثير الصقيع. وتندرج الحصى والرمل والترب المماثلة ضمن هذه المجموعة.

التربة المعرّضة للصقيع هي تلك التي تتشكل فيها عدسات جليدية، مما قد يؤدي إلى تشوهات أكبر. كما أن الماء المتجمع في الطبقة السطحية على شكل عدسات جليدية أثناء تأثير الصقيع يحدث أيضًا تأثير التفكك. وتشمل هذه المجموعة بعض الترب الطميية-الطينية، ولا سيما الترب الطميية.

توجد عدة معايير لتقييم مقاومة التربة للصقيع، ومن أشهرها معايير آرثر كاساغراندي وروكليا، والتي سنعرضها هنا.

معيار A. Casagrande

ويستند هذا المعيار إلى التدرج الحبيبي للتربة، وينص على ما يلي:

أ) في حالة التربة ذات التركيب المنتظم، التي تكون درجة عدم التجانس U < 5، تكون التربة معرضة للصقيع إذا احتوت على أكثر من 10% من الحبيبات ذات الحجم الأقل من 0,02 mm.

b) في التربة غير المتجانسة التركيب، التي تكون درجة عدم التجانس فيها U > 15، تكون التربة معرّضة للصقيع إذا احتوت على أكثر من 3% من الحبيبات ذات الحجم الأقل من 0,02 mm.

على الرغم من أن هذا المعيار استُخدم مدة طويلة وكان يعطي دائمًا نتائج موثوقة، فإن عيبه أنه يعتمد فقط على التدرج الحبيبي للتربة ولا يأخذ في الاعتبار العوامل الأخرى المؤثرة في فعل الصقيع في التربة. ولذلك يُعد هذا المعيار اليوم صارمًا أكثر من اللازم وغير اقتصادي.

معيار روكلييف

وفق هذه الطريقة تُقسَّم التربة إلى كسرتين بحسب خشونة الجسيمات الصلبة، وهما الكسر خشن الحبيبات، حبيبات بقطر d > 2 mm، والكسر دقيق الحبيبات، حبيبات بقطر d < 2 mm. ولتقييم مقاومة التربة للصقيع تُوضع علاقة اعتماد كمية الكسر الدقيق على كمية الكسر الخشن، وتُعطى هذه العلاقة بالحدين الأدنى والأعلى (الشكل 1).

يمثل الحد الأدنى أكبر نسبة مسموح بها من الجسيمات الصلبة ذات القطر d < 0,02 mm من الوزن الجاف للردم، أي الفئة 0-2 mm، والتي لا تحدث عندها عمليًا أي أضرار بسبب الصقيع في الظروف غير الملائمة، مثل ارتفاع منسوب المياه الجوفية، والظروف المناخية غير الملائمة (الصقيع الطويل الأمد) والرطوبة الطبيعية العالية للتربة.

يمثل الحد الأعلى أكبر نسبة مسموح بها من الجسيمات d < 0,02 mm من الوزن الجاف للجزء الدقيق الحبيبات، والتي لا تحدث عندها عمليًا أي أضرار بسبب الصقيع في الظروف الملائمة، مثل انخفاض منسوب المياه الجوفية، والظروف المناخية الملائمة (صقيع قصير الأمد) والرطوبة الطبيعية المنخفضة للتربة.

الشكل 1 الحد الأدنى والحد الأعلى لتقييم خطورة تجمد التربة وفق معيار روكليه

الحماية من تأثير الصقيع في التربة

تعتمد عمق تأثير الصقيع في التربة على الظروف المناخية للمنطقة. وفي بلدنا يتراوح غالبًا بين 0,8 و1,0 m تحت سطح الأرض. وبناءً على ذلك، فإن المنشآت المؤسسة على عمق يساوي أو يزيد عن 1,0 m لن تتأثر بالصقيع.

المنشآت ذات الأساسات الضحلة، مثل أرصفة الطرق، تتعرض لتأثير الصقيع، الذي قد يسبب تشوهات وأضرارًا أكبر في الرصف، سواء عند التجمّد أو عند الذوبان. لذلك، عند تنفيذ أرصفة الطرق ومدارج الإقلاع والهبوط في المطارات، يجب فحص التربة من حيث تأثير الصقيع، وفي الحالة التي تكون فيها تربة الأساس عرضة للصقيع، ينبغي اتخاذ تدابير وقائية. وفي أرصفة الطرق والمطارات، تكون أنجع وسيلة هي تنفيذ طبقة عازلة، ويُحدد سمكها بحيث يكون السمك الكلي للرصف وطبقة العزل 0,80 m لحركة المرور الثقيلة وحتى 0,60 m لحركة المرور الخفيفة. وغالبًا ما يكون سمك طبقة العزل 0,30 m تحت الرصف حمايةً كافية ضد تأثير الصقيع.

مادة إنشاء الطبقة العازلة تكون عادةً الرمل أو الحصى الرملي، ويجب أن تستوفي الشروط التالية:

مؤشر اللدونة IP < 5

محتوى الكسر d < 0,02 mm أقل من 3%

درجة عدم التجانس U > 7.

يجب ألا يكون الجزء العلوي من طبقة الردم، بسماكة 20 cm، من الرمل المتجانس الناعم الحبيبات بسبب عدم كفاية الدمك ومحدودية القدرة التحملية. وفي هذا الجزء ينبغي أن تكون طبقة الردم من الحصى الرملي بنسبة 30-70% من الحبيبات بحجم 2-30 mm. ولا يُنصح بالحبيبات الأكبر من 30 mm.

كما تتعرض الجدران السياجية ذات الأساسات الضحلة لتأثير الصقيع في التربة، مما يؤدي إلى ميلها، وهذا يفضي مع تكرار تأثير الصقيع مع مرور الوقت إلى انقلابها وانهيارها. لذلك ينبغي تأسيس هذه الجدران على عمق 1,0 m إذا كانت التربة معرضة لخطر الصقيع.