Дэфармацыі грунту ў выніку дзеяння марозу
Пад уздзеяннем марозу свабодная вада без плыні замярзае пры 0°C і пры гэтым павялічваецца ў аб’ёме на 9% свайго аб’ёму. Аднак вада ў вузкіх капілярных трубках не замярзае пры 0°C, а пры больш нізкіх тэмпературах, якія знаходзяцца ў межах ад -1°C да -78°C. Гэтая апошняя тэмпература замярзання ўстаноўлена лабараторнымі доследамі ў Амерыцы. Чым вузейшая капілярная трубка, тым ніжэйшая тэмпература замярзання.
У грунце існуюць поры, якія паміж сабой злучаныя ва ўсіх напрамках і ўтвараюць капілярныя трубкі. У пяску поры буйныя і ўтвараюць шырокія капілярныя трубкі, у якіх вада замярзае пры 0°C або пры крыху ніжэйшай тэмпературы. Вада замярзае раўнамерна, пры гэтым у порах утвараюцца ледзяныя крышталі, павелічэнне аб’ёму якіх на 9% не выклікае ніякіх значных дэфармацый грунту. У дробназярністым грунце поры меншыя і ўтвараюць вузкія капілярныя трубкі, у якіх вада замярзае пры тэмпературах ніжэйшых за 0°C. Аднак у павярхоўным слоі грунт заўсёды больш рыхлы з буйнейшымі порамі, у якіх вада замярзае пры 0°C і ўтварае ледзяныя крышталі. Гэтыя крышталі прыцягваюць да сябе астуджаную ваду з вузкіх пор вялікай сілай, так званай крышталічнай сілай. Калі такім чынам прыцягнутая вада прыходзіць у дотык з ледзянымі крышталямі і сама замярзае, павялічваючы аб’ём ледзяных крышталяў, якія становяцца ледзянымі лінзамі, чыя таўшчыня можа быць каля 0,1 да 10 mm. Утвораныя ледзяныя лінзы выклікаюць значную дэфармацыю грунту падчас дзеяння марозу, якая пры асабліва неспрыяльных абставінах можа дасягаць 30 і 50 cm.
Узнікненне і велічыня дэфармацыі грунту ў выніку ўздзеяння марозу залежыць галоўным чынам ад наступных 3 фактараў:
-
Узровень падземных вод
-
Час працягласці марозу.
Ad 1) Што да грануламетрычнага складу, найбольшае дзеянне марозу назіраецца ў дробназярністым грунце, поры якога дастаткова дробныя, каб утвараць вузкія капілярныя трубкі, і адначасова ён мае дастаткова вялікую пранікальнасць, якая дазваляе хуткую цыркуляцыю вады падчас дзеяння марозу. Такі грунт найбольш адчувальны да марозу, як па хуткасці з’яўлення, так і па велічыні дэфармацый. Гэта пылаватыя грунты, якія складаюцца пераважна з зерняў велічынёй 0,02-0,002 mm. Зерні велічынёй >0,02 mm маюць невялікую вышыню капілярнага ўзняцця, а зерні велічынёй < 0,002 mm маюць павольнае капілярнае ўзняцце, так што ў абодвух выпадках падчас марозу ў зону дзеяння марозу можа трапіць толькі меншая колькасць вады. Калі гліністы грунт змяшчае больш за 25% часціц велічынёй < 0,002 mm, пранікальнасць грунту вельмі малая і цыркуляцыя вады ў порах настолькі павольная, што яна ў порах змерзне раней, чым ледзяныя лінзы змогуць прыцягнуцца.
Ad 2) Акрамя ўмовы адносна грануламетрычнага складу глебы павінна быць выканана яшчэ адна ўмова, каб узніклі дэфармацыі глебы на марозе. Гэта тое, што павінна існаваць магчымасць падсілкоўвання вадой зоны дзеяння марозу. Калі б гэтая ўмова не была выканана, г.зн. калі б капіляры глебы не былі звязаныя з вадой, якая будзе пастаянна цячы праз іх падчас дзеяння марозу, дэфармацыі на марозе не ўзнікнуць, якім бы ні быў грануламетрычны склад глебы.
Чым вышэйшы ўзровень грунтавых вод, тым большая магчымасць дэфармацый глебы ў выніку дзеяння марозу. Калі ўзровень грунтавых вод знаходзіцца на большай глыбіні, чым вышыня капілярнага ўздыму вады дадзенай глебы, дэфармацыі ў выніку дзеяння марозу нязначныя.
Ad 3) Калі часавы перыяд бесперапыннага трывання марозу даўжэйшы, тым большыя дэфармацыі ў выніку марозу, з-за ўтварэння буйнейшых і шматлікіх лінзаў. Моцны і кароткачасовы мароз выклікае меншыя дэфармацыі, бо ў гэтым выпадку адбываецца раптоўнае замярзанне вады ў порах і перапыненне капілярнага руху вады. Наадварот, сярэдні і працяглы мароз выклікае большыя дэфармацыі з-за бесперашкоднага ўтварэння ледзяных лінзаў.
Дзеянне абдойвання
Пры адтаванні спачатку растаюць ледзяныя лінзы ў верхняй частцы паверхневага грунту, а непасрэдна пад імі застаецца замарожаны, а значыць і непранікальны, слой. Паколькі расталыя ледзяныя лінзы даюць вялікую колькасць вады, якая не можа пранікаць праз замарожаны ніжні слой, то гэта павялічаная колькасць вады ў паверхневым слоі насычае грунт і стварае з яго вадкую масу, якая не мае ніякай трываласці, а пад ціскам выціскаецца ўбок. Дэфармацыі грунту ў выніку дзеяння адтавання могуць быць значнымі і ў пэўных выпадках небяспечнымі. Гэтыя дэфармацыі часта сустракаюцца ў выемках на чыгуначных лініях і дарогах, дзе вясной адбываецца частковае спаўзанне схілаў у выніку перанасычэння грунту вадой ад расталых ледзяных лінз, а таксама на дарогах, чыё пакрыццё пад рухам дэфармуецца на грунце, які страціў нясучую здольнасць у выніку перанасычэння вадой.
Крытэрый для ацэнкі ўздзеяння марозу на грунт
Вывучэнне дзеяння марозу на розныя віды грунтаў прывяло да высновы, што паводле паводзін на марозе трэба адрозніваць два віды грунтаў: бяспечныя і небяспечныя на марозе.
Грунты, устойлівыя да марозу, гэта тыя, у якіх не ўтвараюцца ледзяныя линзы, колькі б доўга ні працягваўся мароз. Для гэтага віду грунтаў адбываецца толькі замярзанне вады ў іх порах і ўтварэнне крышталаў лёду з нязначнымі дэфармацыямі пры дзеянні марозу. Да гэтай групы адносяцца жвір, пясок і падобныя грунты.
Глебы, небяспечныя пры маразах, — гэта тыя, у якіх утвараюцца ледзяныя лінзы, у выніку чаго могуць узнікаць большыя дэфармацыі. Назапашаная вада ў павярхоўным слоі ў выглядзе ледзяных лінз падчас дзеяння марозу выклікае таксама і дзеянне адтавання. Да гэтай групы належаць некаторыя пылавата-гліністыя, а асабліва пылаватыя глебы.
Існуе некалькі крытэрыяў ацэнкі марозаўстойлівасці грунту, сярод якіх найбольш вядомыя крытэрыі Артура Казаграндэ і Руклія, якія мы тут апішам.
Крытэрый А. Казаграндэ
Гэты крытэрый заснаваны на грануламетрычным складзе грунту і мае выгляд:
a) У грунце раўнамернага складу, ступень нераўнамернасці якога U < 5, грунт небяспечны пры марозе, калі змяшчае больш за 10% зярнят памерам менш за 0,02 mm.
b) Для грунту неаднароднага складу, ступень неаднароднасці якога U > 15, грунт небяспечны пры маразах, калі ў ім утрымліваецца больш за 3% зерняў памерам менш за 0,02 mm.
Хоць гэты крытэрый доўгі час ужываўся і заўсёды даваў надзейныя вынікі, яго недахоп у тым, што ён грунтуецца толькі на грануляцыі грунту і не ўлічвае іншых фактараў, што ўплываюць на дзеянне марозу ў грунце. Таму сёння лічыцца, што гэты крытэрый занадта строгі і неэканамічны.
Крытэрый Рукліева
Паводле гэтага метаду грунт дзеліцца на дзве фракцыі па цвёрдасці цвёрдых часціц, а менавіта на крупназярністую фракцыю, зярняты дыяметрам d > 2 mm і дробназярністую фракцыю, зярняты дыяметрам d < 2 mm. Для ацэнкі стойкасці грунту да марозу ўстанаўліваецца залежнасць колькасці дробназярністай фракцыі ад колькасці крупназярністай фракцыі, і гэтая залежнасць дадзена ніжняй і верхняй мяжой (мал. 1).
Ніжняя мяжа ўяўляе сабой найбольшы дапушчальны працэнт цвёрдых часціц дыяметрам d < 0,02 mm ад сухой вагі насыпу, г. зн. фракцыі 0-2 mm, пры якім практычна не ўзнікае ніякіх пашкоджанняў ад марозу ў неспрыяльных умовах, такіх як высокі ўзровень грунтавых вод, неспрыяльныя кліматычныя ўмовы (працяглыя маразы) і высокая натуральная вільготнасць грунту.
Верхняя мяжа ўяўляе сабой найбольш дапушчальны працэнт часціц d < 0,02 mm ад сухой вагі дробназярністай фракцыі, пры якім практычна не ўзнікае ніякіх пашкоджанняў ад марозу пры спрыяльных умовах, такіх як нізкі ўзровень падземных вод, спрыяльныя кліматычныя ўмовы (кароткачасовыя маразы) і невялікая натуральная вільготнасць грунту.
Рыс. 1 Ніжняя і верхняя мяжа для ацэнкі небяспекі грунту на мароз паводле крытэрыя Руклі
Абарона ад дзеяння марозу ў грунце
Глыбіня дзеяння марозу ў глебе залежыць ад кліматычных умоў мясцовасці. У нашай краіне яна пераважна 0,8 да 1,0 m пад паверхняй зямлі. Адпаведна, канструкцыі, закладзеныя на глыбіні, роўнай або большай за 1,0 m, не будуць пад уздзеяннем марозу.
Малавглыбока закладзеныя канструкцыі, такія як дарожныя пакрыцці, падвяргаюцца ўздзеянню маразоў, якое можа выклікаць значныя дэфармацыі і пашкоджанні пакрыцця як пры замярзанні, так і пры адтаванні. Таму пры ўладкаванні дарожных пакрыццяў і ўзлётна-пасадачных палос на аэрадромах неабходна даследаваць грунт з пункту гледжання марознага ўздзеяння, і ў выпадку, калі падставовы грунт схільны небяспецы з боку марозу, трэба прыняць ахоўныя меры. Для дарожных пакрыццяў на дарогах і аэрадромах найбольш эфектыўнай мерай з’яўляецца ўладкаванне падшэўкавага слоя, таўшчыня якога вызначаецца так, каб агульная таўшчыня пакрыцця і падшэўкавага слоя складала 0,80 m для цяжкага руху да 0,60 m для лёгкага руху. Найчасцей таўшчыня падшэўкавага слоя 0,30 m пад пакрыццём з’яўляецца дастатковай абаронай ад дзеяння марозу.
Матэрыял для вырабу падушкавага слоя звычайна ўяўляе сабой пясок або пясчана-жвіровую сумесь, якая павінна адпавядаць наступным умовам:
Індэкс пластычнасці IP < 5
Змесціва фракцыі d < 0,02 mm меншае за 3%
Ступень нераўнамернасці U > 7.
Верхняя частка падушачнага слоя таўшчынёй 20 cm не павінна складацца з аднароднага дробназярністага пяску з-за недастатковага ўшчыльнення і абмежаванай апорнай здольнасці. У гэтай частцы падушачны слой павінен быць пясчана-жвіровым з 30-70% зярнят памерам 2-30 mm. Зярняты большыя за 30 mm не рэкамендуюцца.
Падмуркаваныя неглыбока агароджавыя сцены таксама падвяргаюцца дзеянню марозу ў грунце, у выніку чаго яны нахіляюцца, што пры паўторным уздзеянні марозу з цягам часу прыводзіць да іх перакульвання і разбурэння. Таму гэтыя сцены трэба закладваць на 1,0 m глыбіні, калі грунт небяспечны марозам.