Deformacions del terreny a causa de l’acció del gebre
Sota l’acció de les gelades, l’aigua lliure sense flux es congela a 0°C i, en fer-ho, s’expandeix en 9% del seu volum. Tanmateix, l’aigua en tubs capil·lars estrets no es congela a 0°C, sinó a temperatures més baixes, que oscil·len entre -1°C i -78°C. Aquesta darrera temperatura de congelació ha estat determinada mitjançant assaigs de laboratori a Amèrica. Com més estret és el tub capil·lar, més baixa és la temperatura de congelació.
Al sòl hi ha porus que estan connectats entre si en totes les direccions i formen capil·lars. En la sorra, els porus són grossos i formen capil·lars amples, en els quals l’aigua es congela a 0°C o a una temperatura una mica inferior. L’aigua es congela de manera uniforme, i als porus es formen cristalls de gel, l’augment de volum dels quals de 9% no provoca cap deformació important del sòl. En sòls de gra fi, els porus són més petits i formen capil·lars estrets en els quals l’aigua es congela a temperatures inferiors a 0°C. No obstant això, a la capa superficial el sòl és sempre més solt, amb porus més grossos, en els quals l’aigua es congela a 0°C i forma cristalls de gel. Aquests cristalls atrauen cap a si l’aigua refredada dels porus estrets amb gran força, l’anomenada força de cristal·lització. Quan l’aigua així atreta entra en contacte amb els cristalls de gel i també es congela, augmenta el volum dels cristalls de gel, que esdevenen lents de gel, el gruix de les quals pot ser d’uns 0,1 fins a 10 mm. Les lents de gel formades provoquen una deformació considerable del sòl durant l’acció de la gelada, que en circumstàncies especialment desfavorables pot arribar a 30 i 50 cm.
L’aparició i la magnitud de la deformació del terreny a causa de l’acció del gebre depenen principalment dels factors següents 3:
-
Nivell de l’aigua subterrània
-
Durada de les gelades.
Ad 1) Pel que fa a la composició granulomètrica, l’efecte més gran de les gelades es produeix en sòls de gra fi, els porus dels quals són prou petits per formar tubs capil·lars estrets, i que alhora tenen una permeabilitat prou gran, la qual permet una circulació ràpida de l’aigua durant l’acció de les gelades. Aquest tipus de sòl és el més sensible a les gelades, tant pel que fa a la rapidesa d’aparició com a la magnitud de les deformacions. Són sòls llimosos, que es componen principalment de grans de mida 0,02-0,002 mm. Els grans de mida >0,02 mm tenen una alçada de pujada capil·lar petita, mentre que els grans de mida < 0,002 mm tenen una pujada capil·lar lenta, de manera que en tots dos casos, durant la durada de les gelades, només pot arribar una petita quantitat d’aigua a la zona d’acció de les gelades. Si el sòl argilós conté més del 25% de partícules de mida < 0,002 mm, la permeabilitat del sòl és molt petita i la circulació de l’aigua als porus és tan lenta que aquesta es congela als porus abans que els lents de gel la puguin atreure.
Ad 2) A més de la condició pel que fa a la composició granulomètrica del sòl, cal complir una altra condició perquè es produeixin deformacions del sòl per gelada. Aquesta és que hi hagi possibilitat d’aportació d’aigua a la zona d’acció de la gelada. Si aquesta condició no es complís, és a dir, si els capil·lars del sòl no estiguessin en connexió amb l’aigua que fluirà contínuament a través d’ells durant l’acció de la gelada, no es produiran deformacions per gelada, sigui quina sigui la composició granulomètrica del sòl.
Com més alt és el nivell freàtic, més gran és la possibilitat de deformacions del sòl a causa de l’acció del fred. Si el nivell freàtic es troba a una profunditat més gran que l’alçada d’ascens capil·lar de l’aigua d’un sòl determinat, les deformacions per l’acció del fred són insignificants.
Ad 3) Si el període de durada ininterrompuda de la gelada és més llarg, més grans són les deformacions a causa de la gelada, per la formació de lents de gel més grans i nombroses. Una gelada forta i de curta durada provoca menys deformacions, perquè en aquest cas es produeix la congelació sobtada de l’aigua als porus i la interrupció del flux capil·lar d’aigua. En canvi, una gelada mitjana i de llarga durada provoca deformacions més grans a causa de la formació lliure de lents de gel.
Efecte d’abaixament de la munyida
Durant el desglaç, primer es fonen les lents de gel a la part superior del sòl superficial, mentre que just a sota en queda una capa gelada i, per tant, impermeable. Com que les lents de gel foses alliberen una gran quantitat d’aigua, que no pot infiltrar-se a través de la capa inferior gelada, aquesta quantitat augmentada d’aigua a la capa superficial satura el sòl i en forma una massa líquida, que no té cap resistència, sinó que és expulsada lateralment sota pressió. Les deformacions del sòl a causa de l’acció del desglaç poden ser considerables i, en certs casos, perilloses. Aquestes deformacions són freqüents en desmunts de línies ferroviàries i carreteres, on a la primavera es produeix un lliscament parcial dels talussos a causa de la saturació del sòl amb l’aigua procedent de les lents de gel foses, així com en carreteres els paviments de les quals es deformen sota el trànsit sobre un terreny que ha perdut la capacitat portant per la saturació d’aigua.
Criteri per avaluar l’efecte de les gelades sobre el sòl
Mitjançant l’estudi de l’efecte de les gelades sobre diversos tipus de sòl s’ha arribat a la conclusió que, pel que fa al comportament davant les gelades, cal distingir dos tipus de sòl: segur i perillós davant les gelades.
Sòls resistents a les gelades són aquells en què no es formen lents de gel, per molt llarg que sigui el període de gelada. En aquest tipus de sòl només es produeix la congelació de l’aigua dels seus porus i la formació de cristalls de gel, amb deformacions insignificants sota l’acció de la gelada. En aquest grup entren la grava, la sorra i sòls similars.
Els sòls perillosos en cas de gelada són aquells en què es formen lents de gel, com a conseqüència de les quals poden produir-se deformacions més grans. L’aigua acumulada a la capa superficial en forma de lents de gel durant l’acció de la gelada produeix també un efecte de desglaç. En aquest grup entren certs sòls llimosos-argilosos i, en particular, els sòls limosos.
Hi ha diversos criteris per avaluar la resistència del sòl a la gelada, entre els quals són més coneguts els criteris d’Arthur Casagrande i de Rukli, que descriurem aquí.
Criteri A. Casagrande
Aquest criteri es basa en la composició granulomètrica del sòl i diu:
a) En el cas de sòl de composició homogènia, amb un grau d’heterogeneïtat U < 5, el sòl és sensible al gel si conté més de 10% de grans de mida inferior a 0,02 mm.
b) En terrenys de composició heterogènia, el grau d’heterogeneïtat dels quals U > 15, el terreny és perillós en gelades si conté més del 3% de grans de mida inferior a 0,02 mm.
Tot i que aquest criteri s’ha aplicat durant molt de temps i sempre ha donat resultats fiables, el seu inconvenient és que es basa només en la granulometria del sòl i no té en compte altres factors que influeixen en l’acció de la gelada al sòl. Per això avui es considera que aquest criteri és massa estricte i antieconòmic.
Criteri de Rukliev
Segons aquest mètode, el sòl es divideix en dues fraccions segons la rigidesa de les partícules sòlides, és a dir, en una fracció de gra gros, grans de diàmetre d > 2 mm i una fracció de gra fi, grans de diàmetre d < 2 mm. Per avaluar la resistència del sòl a la gelada, s’estableix la dependència de la quantitat de fracció de gra fi respecte de la quantitat de fracció de gra gros, i aquesta dependència es dona amb un límit inferior i un de superior (fig. 1).
El límit inferior representa el percentatge màxim permès de partícules sòlides de diàmetre d < 0,02 mm del pes sec de l’emplenament, és a dir, de la fracció 0-2 mm, per al qual pràcticament no es produeixen danys per gelades en condicions desfavorables, com ara un nivell alt de l’aigua freàtica, condicions climàtiques desfavorables (gelades prolongades) i una humitat natural elevada del sòl.
El límit superior representa el percentatge màxim admissible de partícules d < 0,02 mm sobre el pes sec de la fracció de gra fi a partir del qual pràcticament no es produeixen danys per gelades en condicions favorables, com ara un nivell freàtic baix, condicions climàtiques favorables (gelades de curta durada) i una humitat natural baixa del sòl.
Fig. 1 Límit inferior i superior per a l’avaluació del perill de gelada del sòl segons el criteri de Rukliev
Protecció contra l’acció de les gelades al sòl
La profunditat d’acció de la gelada al sòl depèn de les condicions climàtiques de la zona. Al nostre país és principalment de 0,8 a 1,0 m sota la superfície del terreny. Per tant, les construccions fonamentades a una profunditat igual o superior a 1,0 m no estaran sota l’acció de la gelada.
Les estructures de fonamentació superficial, com ara els ferms de les carreteres, estan exposades a l’acció de la gelada, que pot provocar deformacions i danys més grans al ferm, tant durant la congelació com durant el desglaç. Per això, en construir ferms de carreteres i pistes d’aterratge i enlairament als aeroports, cal examinar el terreny pel que fa a l’acció de la gelada i, en cas que el terreny de fonamentació sigui perillós davant la gelada, cal prendre mesures de protecció. En els ferms de carreteres i aeroports, la mesura més eficaç és executar una capa de base, el gruix de la qual es determina de manera que el gruix total del ferm i de la capa de base sigui de 0,80 m per al trànsit pesant fins a 0,60 m per al trànsit lleuger. Sovint, un gruix de capa de base de 0,30 m sota el ferm és una protecció suficient contra l’acció de la gelada.
El material per a la capa de subbase és habitualment sorra o graves sorrencs, que han de complir les condicions següents:
Índex de plasticitat IP < 5
Contingut de la fracció d < 0,02 mm inferior a 3%
El grau d’heterogeneïtat U > 7.
La part superior de la capa de coixí, amb un gruix de 20 cm, no pot ser sorra uniforme i de gra fi a causa de la compactació insuficient i de la capacitat portant limitada. En aquesta part, la capa de coixí ha de ser grava sorrenca amb 30-70% de grans de mida 2-30 mm. No es recomanen grans de més de 30 mm.
Els murs de tanca amb fonamentació superficial també estan sotmesos a l’acció de les gelades al sòl, arran de la qual s’inclinen, i això, amb l’acció repetida de les gelades al llarg del temps, provoca el seu bolcat i derrumbament. Per això cal fonamentar aquests murs a una profunditat de 1,0 m, si el terreny és perillós per gelades.