Deformacije tla usljed djelovanja mraza
Pri dejstvu mraza slobodna voda bez toka mrzne se na 0°C i pri tome se širi za 9% svoje zapremine. Međutim voda u uskim kapilarnim cevima ne mrzne se na 0°C, već na nižim temperaturama, koje se kreću od -1°C do -78°C. Ova posljednja temperatura smrzavanja utvrđena je laboratorijskim opitima u Americi. Ukoliko je kapilarna cev uža, utoliko je temperatura smrzavanja niža.
U tlu postoje pore koje su međusobno povezane u svim pravcima i obrazuju kapilarne cijevi. U pijesku pore su krupne i obrazuju široke kapilarne cijevi, u kojima se voda mrzne na 0°C ili na nešto nižoj temperaturi. Voda se mrzne ravnomjerno, pri čemu se u porama obrazuju ledeni kristali, čije povećanje zapremine od 9% ne prouzrokuje nikakve značajnije deformacije tla. U tlu sitnozrnog sastava pore su sitnije i obrazuju uske kapilarne cijevi u kojima se voda mrzne na temperaturama nižim od 0°C. Međutim, u površinskom sloju tlo je uvijek rastresitije sa krupnijim porama, u kojima se voda mrzne na 0°C i obrazuje ledene kristale. Ovi kristali privlače k sebi ohlađenu vodu iz uskih pora velikom snagom, tzv. kristalizacionom silom. Kada tako privučena voda dođe u dodir sa ledenim kristalima i sama se zaledi povećavajući zapremine ledenih kristala, koji postaju ledena sočiva, čija debljina može biti oko 0,1 do 10 mm. Obrazovana ledena sočiva prouzrokuju znatnu deformaciju tla za vrijeme djelovanja mraza, koja pri naročito nepovoljnim okolnostima može ići do 30 i 50 cm.
Pojava i veličina deformacije tla usljed djelovanja mraza zavisi uglavnom od sljedeća 3 faktora:
-
Nivo podzemnih voda
-
Vrijeme trajanja mraza.
Ad 1) U pogledu granulometrijskog sastava, najveće djelovanje mraza je kod sitnozrnog tla, čije su pore dovoljno sitne da obrazuju uske kapilarne cijevi, a istovremeno ima dovoljno veliku propustljivost, koja omogućuje brzu cirkulaciju vode za vrijeme djelovanja mraza. Takvo tlo je najosjetljivije na mraz, kako u pogledu brzine pojave tako i u pogledu veličine deformacija. To su prašinasta tla, koja se sastoje pretežno iz zrna veličine 0,02-0,002 mm. Zrna veličine >0,02 mm imaju malu visinu kapilarnog penjanja, dok zrna veličine < 0,002 mm imaju sporo kapilarno penjanje, tako da u oba slučaja za vrijeme trajanja mraza može dospjeti samo manja količina vode u zonu djelovanja mraza. Ako glinovito tlo sadrži preko 25% čestica veličine < 0,002 mm, propustljivost tla je vrlo mala i cirkulacija vode u porama je tako spora, da se ona u porama prije smrzne nego što je ledena sočiva mogu privući.
Ad 2) Pored uslova u pogledu granulometrijskog sastava tla mora biti ispunjen još jedan uslov da bi došlo do deformacija tla na mrazu. To je da postoji mogućnost dopsevanja vode u zonu dejstva mraza. Ako ovaj uslov ne bi bio ispunjen, tj. ako kapilari tla ne bi bili u vezi s vodom koja će stalno strujati kroz njih za vrijeme dejstva mraza, neće doći do deformacija na mrazu, ma kakav da je granulometrijski sastav tla.
Ukoliko je nivo podzemne vode viši, utoliko je mogućnost deformacija tla usljed djelovanja mraza veća. Ako je nivo podzemne vode na većoj dubini nego što je visina kapilarnog penjanja vode datog tla, deformacije usljed djelovanja mraza su neznatne.
Ad 3) Ukoliko je vremenski period neprekidnog trajanja mraza duži, utoliko su deformacije usljed mraza veće, zbog stvaranja većih i mnogobrojnijih sočiva. Jak i kratkotrajan mraz izaziva manje deformacije, jer u tom slučaju nastaje naglo smrzavanje vode u porama i prekid kapilarnog strujanja vode. Naprotiv, srednji i dugotrajan mraz izaziva veće deformacije zbog nesmetanog stvaranja ledenih sočiva.
Učinak otkrivanja
Prilikom otkravljivanja, najprije se otope ledena sočiva u gornjem dijelu površinskog tla, dok odmah ispod njega ostaje smrznuti, pa prema tome i nepropustljivi sloj. Pošto otopljena ledena sočiva daju veliku količinu vode, koja ne može da prođe kroz smrznuti niži sloj, ova povećana količina vode u površinskom sloju prezasićuje tlo i pretvara ga u tečnu masu, koja nema nikakvu čvrstoću, već se pod pritiskom bočno istiskuje. Deformacije tla uslijed djelovanja otkravljivanja mogu biti znatne i u izvjesnim slučajevima opasne. Ove deformacije su česte kod usjeka na željezničkim prugama i putevima, gdje u proljeće dolazi do djelimičnog klizanja kosina usljed prezasićenosti tla vodom od otopljenih ledenih sočiva, kao i na putevima čiji se kolovozi pod saobraćajem deformišu na tlu koje je izgubilo nosivost usljed prezasićenosti vodom.
Kriterijum za ocjenjivanje dejstva mraza na tlo
Proučavanjem dejstva mraza na razne vrste tla došlo se do zaključka da u pogledu ponašanja na mrazu treba razlikovati dvije vrste tla: sigurna i opasna na mrazu.
Tla otporna na mraz su ona kod kojih se ne stvaraju ledena sočiva, bez obzira na to koliko dugo traje mraz. Kod ove vrste tla dolazi samo do smrzavanja vode u njegovim porama i stvaranja ledenih kristala, uz neznatne deformacije pod djelovanjem mraza. U ovu grupu spadaju šljunak, pijesak i slična tla.
Tla opasna od mraza su ona kod kojih se stvaraju ledena sočiva, usljed čega mogu nastati veće deformacije. Nagomilana voda u površinskom sloju u obliku ledenih sočiva za vrijeme djelovanja mraza proizvodi također i dejstvo odmrzavanja. U ovu grupu spadaju izvjesna prašinasto-glinovita a naročito prašinasta tla.
Postoji više kriterijuma za ocjenu postojanosti tla na mrazu, među kojima su najpoznatiji kriterijumi Arthura Casagrandea i Ruklia, koje ćemo ovdje opisati.
Kriterij A. Casagrandea
Ovaj kriterijum se zasniva na granulometrijskom sastavu tla i glasi:
a) Kod tla ravnomjernog sastava, čiji je stepen neravnomjernosti U < 5, tlo je opasno na mraz ako sadrži više od 10% zrna veličine ispod 0,02 mm.
b) Kod tla neravnomjernog sastava, čiji je stepen neravnomjernosti U > 15, tlo je opasno na mrazu ako sadrži više od 3% zrna veličine ispod 0,02 mm.
Iako se ovaj kriterijum dugo vremena primjenjivao i uvijek davao pouzdane rezultate, njegov nedostatak je što se zasniva samo na granulaciji tla i ne uzima u obzir i druge faktore koji utiču na djelovanje mraza u tlu. Zbog toga se danas smatra da je ovaj kriterijum suviše strog i neekonomičan.
Ruklijev kriterij
Po ovoj metodi tlo se dijeli na dvije frakcije prema krutosti čvrstih čestica i to na krupnozrnu frakciju, zrna prečnika d > 2 mm i sitnozrnu frakciju, zrna prečnika d < 2 mm. Za ocjenjivanje postojanosti tla na mraz postavlja se zavisnost količine sitnozrne frakcije od količine krupnozrne frakcije i ta zavisnost data je donjom i gornjom granicom (sl. 1).
Donja granica predstavlja najveći dopušteni procenat čvrstih čestica prečnika d < 0,02 mm od suve težine ispune, tj. frakcije 0-2 mm, pri kome ne nastaju praktično nikakve štete usljed mraza pri nepovoljnim uslovima, kao što su visok vodostaj nivoa podzemne vode, nepovoljni klimatski uslovi (dugotrajni mrazevi) i velika prirodna vlažnost tla.
Gornja granica predstavlja najveći dopušteni procenat čestica d < 0,02 mm od suve težine sitnozrnaste frakcije pri kome ne nastupaju praktično nikakve štete usljed mraza pri povoljnim uslovima, kao što su nizak nivo podzemne vode, povoljni klimatski uslovi (kratkotrajni mrazevi) i mala prirodna vlažnost tla.
Sl. 1 Donja i gornja granica za ocjenu opasnosti tla na mraz po Ruklievom kriterijumu
Zaštita protiv dejstva mraza u tlu
Dubina djelovanja mraza u tlu zavisi od klimatskih prilika područja. U našoj zemlji ona je pretežno 0,8 do 1,0 m ispod površine terena. Prema tome, konstrukcije fundirane na dubini jednakoj ili većoj od 1,0 m neće biti pod djelovanjem mraza.
Plitko fundirane konstrukcije kao što su kolovozi na putevima izložene su dejstvu mraza, koji može proizvesti veće deformacije i štete na kolovozu, kako pri smrzavanju tako i pri otkravljivanju. Stoga je kod izrade kolovoza na putevima i poletno-sletnih staza na aerodromima potrebno ispitati tlo u pogledu dejstva mraza i, u slučaju kada je temeljno tlo opasno na mrazu, treba preduzeti zaštitne mjere. Kod kolovoza na putevima i aerodromima najefikasnija mjera je izrada tampon-sloja, čija se debljina određuje tako da ukupna debljina kolovoza i tampon-sloja bude 0,80 m za težak saobraćaj do 0,60 m za laki saobraćaj. Najčešće je debljina tampon-sloja 0,30 m ispod kolovoza dovoljna zaštita protiv dejstva mraza.
Materijal za izradu tamponskog sloja obično je pijesak ili pjeskoviti šljunak, koji treba da ispunjava sljedeće uslove:
Indeks plastičnosti IP je < 5
Udio frakcije d < 0,02 mm je manji od 3%
Stepen neravnomjernosti U > 7.
Gornji dio tampon-sloja u debljini od 20 cm ne smije biti jednolični i sitnozrnati pijesak zbog nedovoljne zbijenosti i ograničene nosivosti. U ovom dijelu tampon-sloj treba da bude pješčani šljunak sa 30-70% zrna veličine 2-30 mm. Zrna veća od 30 mm ne preporučuju se.
Plitko fundirani ogradni zidovi su takođe pod dejstvom mraza u tlu, usljed čega se naginju što dovodi pri ponavljanom dejstvu mraza tokom vremena do njihovog preturanja i rušenja. Zbog toga treba ove zidove fundirati na 1,0 m dubine, ako je tlo opasno na mrazu.