Деформации на почвата вследствие на мразово действие
При действието на мраза свободната неподвижна вода замръзва при 0°C и при това се разширява с 9% от обема си. Обаче водата в тесни капилярни тръбички не замръзва при 0°C, а при по-ниски температури, които се движат от -1°C до -78°C. Тази последна температура на замръзване е установена с лабораторни опити в Америка. Колкото по-тясна е капилярната тръбичка, толкова по-ниска е температурата на замръзване.
В почвата има пори, които са свързани помежду си във всички посоки и образуват капилярни тръбички. В пясъка порите са едри и образуват широки капилярни тръбички, в които водата замръзва при 0°C или при малко по-ниска температура. Водата замръзва равномерно, като в порите се образуват ледени кристали, чието увеличаване на обема с 9% не предизвиква никакви значителни деформации на почвата. В почви с финозърнест състав порите са по-дребни и образуват тесни капилярни тръбички, в които водата замръзва при температури по-ниски от 0°C. В повърхностния слой обаче почвата винаги е по-рохкава с по-едри пори, в които водата замръзва при 0°C и образува ледени кристали. Тези кристали привличат към себе си преохладената вода от тесните пори със значителна сила, т.нар. кристализационна сила. Когато така привлечената вода влезе в допир с ледените кристали и сама замръзне, увеличавайки обема на ледените кристали, те се превръщат в ледени лещи, чиято дебелина може да бъде около 0,1 до 10 mm. Образуваните ледени лещи причиняват значителна деформация на почвата по време на действието на мраза, която при особено неблагоприятни условия може да достигне до 30 и 50 cm.
Появата и големината на деформацията на почвата вследствие на действието на замръзване зависи главно от следните 3 фактора:
-
Ниво на подземните води
-
Времетраене на мраза.
Ad 1) По отношение на гранулометричния състав най-голямо е действието на мраза при финозърнеста почва, чиито пори са достатъчно малки, за да образуват тесни капилярни тръбички, а едновременно с това има достатъчно голяма пропускливост, която позволява бърза циркулация на водата по време на действието на мраза. Такава почва е най-чувствителна към мраза, както по отношение на бързината на поява, така и по отношение на големината на деформациите. Това са праховидни почви, които се състоят предимно от зърна с размер 0,02-0,002 mm. Зърната с размер >0,02 mm имат малка височина на капилярното изкачване, докато зърната с размер < 0,002 mm имат бавно капилярно изкачване, така че и в двата случая по време на траенето на мраза може да достигне само по-малко количество вода в зоната на действие на мраза. Ако глинестата почва съдържа над 25% частици с размер < 0,002 mm, пропускливостта на почвата е много малка и циркулацията на водата в порите е толкова бавна, че тя в порите замръзва по-рано, отколкото ледени лещи могат да се образуват.
Ad 2) Освен условието по отношение на гранулометричния състав на почвата трябва да бъде изпълнено още едно условие, за да настъпят деформации на почвата при мраз. Това е да съществува възможност за допълнително подхранване с вода в зоната на действие на мраза. Ако това условие не бъде изпълнено, т.е. ако капилярите на почвата не са свързани с вода, която постоянно ще протича през тях по време на действието на мраза, няма да настъпят деформации от мраз, какъвто и да е гранулометричният състав на почвата.
Колкото по-високо е нивото на подпочвените води, толкова по-голяма е възможността за деформации на почвата вследствие на действието на мраза. Ако нивото на подпочвените води е на по-голяма дълбочина, отколкото е височината на капилярното издигане на водата в дадената почва, деформациите вследствие на действието на мраза са незначителни.
Ad 3) Колкото по-дълъг е времевият период на непрекъснато действие на мраза, толкова по-големи са деформациите вследствие на мраза, поради образуването на по-големи и многобройни лещи. Силен и краткотраен мраз предизвиква по-малки деформации, защото в този случай настъпва внезапно замръзване на водата в порите и прекъсване на капилярното движение на водата. Напротив, среден и продължителен мраз предизвиква по-големи деформации поради безпрепятственото образуване на ледени лещи.
Действие на обезкравяването
При отмръзването най-напред се разтапят ледените лещи в горната част на повърхностния почвен слой, докато непосредствено под него остава замръзнал и следователно непроницаем слой. Тъй като разтопените ледените лещи дават голямо количество вода, която не може да проникне през замръзналия по-долен слой, това увеличено количество вода в повърхностния слой пренасища почвата и я превръща в течна маса, която няма никаква якост, а се изтласква настрани под налягане. Деформациите на почвата вследствие на действието на отмръзването могат да бъдат значителни и в определени случаи опасни. Тези деформации са чести при изкопи по железопътни линии и пътища, където през пролетта се стига до частично свличане на откосите поради пренасищане на почвата с вода от разтопените ледени лещи, както и по пътища, чиито пътни платна под действието на движението се деформират върху почва, загубила носимоспособността си поради пренасищане с вода.
Критерий за оценка на действието на мраза върху почвата
При изследването на действието на мраза върху различни видове почви се стигна до заключението, че по отношение на поведението при мраз трябва да се разграничават два вида почви: сигурни и опасни на мраз.
Почвите, устойчиви на мраз, са тези, при които не се образуват ледени лещи, независимо колко дълго е продължителността на мраза. При този вид почви се наблюдава само замръзване на водата в порите и образуване на ледени кристали, със слаби деформации при въздействие на мраза. В тази група спадат чакълът, пясъкът и подобни почви.
Почвите, опасни при измръзване, са тези, при които се образуват ледени лещи, вследствие на което могат да настъпят по-големи деформации. Натрупаната вода в повърхностния слой под формата на ледени лещи при въздействие на мраза предизвиква също и действие на размразяване. В тази група спадат някои прашиновато-глинести, а особено прашиновати почви.
Съществуват няколко критерия за оценка на мразоустойчивостта на почвата, сред които най-известни са критериите на Артър Касагранде и Руклий, които тук ще опишем.
Критерий A. Casagrandea
Този критерий се основава на гранулометричния състав на почвата и гласи:
a) При почва с равномерен състав, чийто коефициент на нееднородност U < 5, почвата е опасна от мраз, ако съдържа повече от 10% зърна с размери под 0,02 mm.
б) При почва с неравномерен състав, чийто степен на нееднородност U > 15, почвата е опасна от измръзване, ако съдържа повече от 3% зърна с размер под 0,02 mm.
Макар че този критерий дълго време е бил прилаган и винаги е давал надеждни резултати, неговият недостатък е, че се основава само на гранулометричния състав на почвата и не взема предвид и други фактори, влияещи върху действието на мраза в почвата. Поради това днес се смята, че този критерий е твърде строг и неикономичен.
Руклиев критерий
По този метод почвата се разделя на две фракции според твърдостта на твърдите частици, а именно на едрозърнеста фракция със зърна с диаметър d > 2 mm и дребнозърнеста фракция със зърна с диаметър d < 2 mm. За оценка на устойчивостта на почвата към мраз се поставя зависимостта на количеството дребнозърнеста фракция от количеството едрозърнеста фракция и тази зависимост е дадена с долна и горна граница (фиг. 1).
Долната граница представлява най-големия допустим процент твърди частици с диаметър d < 0,02 mm от сухото тегло на насипа, т.е. фракцията 0-2 mm, при която практически не настъпват никакви щети от мраз при неблагоприятни условия, като висок водостоен ниво на подпочвените води, неблагоприятни климатични условия (продължителни мразове) и висока естествена влажност на почвата.
Горната граница представлява най-големият допустим процент частици d < 0,02 mm от сухото тегло на финозърнестата фракция, при който не настъпват практически никакви щети от мраз при благоприятни условия, като ниско ниво на подземните води, благоприятни климатични условия (краткотрайни мразове) и малка естествена влажност на почвата.
Фиг. 1 Долна и горна граница за оценка на опасността на почвата от измръзване по критерия на Рукли
Защита срещу действието на мраза в почвата
Дълбочината на действие на мраза в почвата зависи от климатичните условия на района. В нашата страна тя е предимно 0,8 до 1,0 m под повърхността на терена. Следователно конструкции, фундирани на дълбочина, равна или по-голяма от 1,0 m, няма да бъдат под въздействие на мраза.
Плитко фундираните конструкции, като например пътните настилки, са изложени на въздействието на мраза, което може да причини по-големи деформации и повреди на настилката както при замръзване, така и при размразяване. Поради това при изпълнение на настилки по пътища и на излетно-кацателни писти на летища е необходимо да се изследва почвата по отношение на действието на мраза и в случай че основната почва е опасна по отношение на мраза, да се предприемат защитни мерки. При пътни и летищни настилки най-ефективната мярка е изпълнението на основен пласт, чиято дебелина се определя така, че общата дебелина на настилката и основния пласт да бъде 0,80 m за тежко движение до 0,60 m за леко движение. Най-често дебелина на основния пласт 0,30 m под настилката е достатъчна защита срещу действието на мраза.
Материалът за изработване на тампонния слой обикновено е пясък или пясъчно чакъл, който трябва да отговаря на следните условия:
Индекс на пластичност IP < 5
Съдържание на фракцията d < 0,02 mm по-малко от 3%
Степен на нееднородност U > 7.
Горната част на подложния слой с дебелина 20 cm не бива да бъде еднороден и дребнозърнест пясък поради недостатъчно уплътняване и ограничена носимоспособност. В тази част подложният слой трябва да бъде пясъчен чакъл със 30-70% зърна с размер 2-30 mm. Зърна по-големи от 30 mm не се препоръчват.
Плитко фундираните оградни стени също са под въздействието на мраза в почвата, вследствие на което се накланят, а при повторно действие на мраза с времето това води до тяхното преобръщане и разрушаване. Поради това тези стени трябва да се фундират на 1,0 m дълбочина, ако почвата е опасна от измръзване.