Deformace půdy vlivem mrazu
Při působení mrazu mrzne volná voda bez proudění na 0°C a přitom se zvětšuje o 9% svého objemu. Voda v úzkých kapilárních trubicích však nemrzne na 0°C, nýbrž při nižších teplotách, které se pohybují od -1°C do -78°C. Tato poslední teplota tuhnutí byla zjištěna laboratorními pokusy v Americe. Čím užší je kapilární trubice, tím nižší je teplota tuhnutí.
V zemině existují póry, které jsou mezi sebou propojeny ve všech směrech a vytvářejí kapilární trubice. V písku jsou póry velké a vytvářejí široké kapilární trubice, v nichž voda mrzne při 0°C nebo při o něco nižší teplotě. Voda mrzne rovnoměrně, přičemž se v pórech vytvářejí ledové krystaly, jejichž zvětšení objemu o 9% nezpůsobuje žádné významnější deformace zeminy. V jemnozrnné zemině jsou póry menší a vytvářejí úzké kapilární trubice, v nichž voda mrzne při teplotách nižších než 0°C. V povrchové vrstvě je však zemina vždy kyprější s většími póry, v nichž voda mrzne při 0°C a vytváří ledové krystaly. Tyto krystaly přitahují k sobě ochlazenou vodu z úzkých pórů velkou silou, tzv. krystalizační silou. Když takto přitažená voda přijde do styku s ledovými krystaly a sama zmrzne, zvětšuje objem ledových krystalů, které se stávají ledovými čočkami, jejichž tloušťka může být asi 0,1 až 10 mm. Vytvořené ledové čočky způsobují za působení mrazu značnou deformaci zeminy, která může za zvlášť nepříznivých okolností dosáhnout až 30 a 50 cm.
Vznik a velikost deformace zeminy vlivem mrazu závisí převážně na následujících 3 faktorech:
-
Hladina podzemní vody
-
Doba trvání mrazu.
Ad 1) Z hlediska zrnitostního složení je největší působení mrazu u jemnozrnné zeminy, jejíž póry jsou dostatečně jemné, aby tvořily úzké kapilární trubičky, a zároveň má dostatečně velkou propustnost, která umožňuje rychlou cirkulaci vody během působení mrazu. Taková zemina je na mráz nejcitlivější, jak z hlediska rychlosti výskytu, tak z hlediska velikosti deformací. To jsou prachovité zeminy, které se skládají převážně ze zrn velikosti 0,02-0,002 mm. Zrna velikosti >0,02 mm mají malou výšku kapilárního vzestupu, zatímco zrna velikosti < 0,002 mm mají pomalý kapilární vzestup, takže v obou případech může během trvání mrazu proniknout do zóny účinku mrazu jen malé množství vody. Obsahuje-li jílovitá zemina přes 25% částic velikosti < 0,002 mm, je propustnost zeminy velmi malá a cirkulace vody v pórech je tak pomalá, že v nich zmrzne dříve, než mohou být přitahovány ledové čočky.
Ad 2) Kromě podmínky týkající se zrnitostního složení půdy musí být splněna ještě jedna podmínka, aby došlo k deformacím půdy při mrazu. Totiž že existuje možnost přivádění vody do zóny působení mrazu. Pokud by tato podmínka nebyla splněna, tj. pokud by kapiláry půdy nebyly ve styku s vodou, která jimi bude po dobu působení mrazu neustále proudit, k deformacím mrazem nedojde, ať je zrnitostní složení půdy jakékoli.
Čím vyšší je hladina podzemní vody, tím větší je možnost deformací půdy vlivem mrazu. Je-li hladina podzemní vody v větší hloubce, než je výška kapilárního vzlínání vody dané půdy, jsou deformace vlivem mrazu zanedbatelné.
Ad 3) Čím delší je časové období nepřetrvávajícího trvání mrazu, tím větší jsou deformace způsobené mrazem, a to v důsledku vytváření větších a četnějších čoček. Silný a krátkodobý mráz vyvolává menší deformace, protože v tom případě dochází k náhlému zamrzání vody v pórech a k přerušení kapilárního proudění vody. Naproti tomu mírný a dlouhotrvající mráz vyvolává větší deformace v důsledku nerušeného vytváření ledových čoček.
Účinek odprovnění
Při rozmrzání nejprve roztají ledové čočky v horní části povrchové půdy, zatímco bezprostředně pod ní zůstává zmrzlý a tedy i nepropustný vrstven. Protože roztáté ledové čočky uvolňují velké množství vody, která nemůže pronikat přes zmrzlou spodní vrstvu, toto zvýšené množství vody v povrchové vrstvě půdu přesycuje a vytváří z ní tekutou hmotu, která nemá žádnou pevnost, ale pod tlakem je bočně vytlačována. Deformace půdy v důsledku působení rozmrzání mohou být značné a v některých případech nebezpečné. Tyto deformace jsou časté v zářezech na železničních tratích a silnicích, kde na jaře dochází k částečnému sesouvání svahů v důsledku přesycení půdy vodou z roztátých ledových čoček, jakož i na silnicích, jejichž vozovky se pod dopravou deformují na půdě, která ztratila únosnost v důsledku přesycení vodou.
Kritérium pro hodnocení působení mrazu na zeminu
Studiem působení mrazu na různé druhy zemin se dospělo k závěru, že z hlediska chování při mrazu je třeba rozlišovat dva druhy zemin: bezpečné a mrazově nebezpečné.
Půdy odolné proti mrazu jsou ty, u nichž se netvoří ledová čočka, ať už je doba mrazu jakkoli dlouhá. U tohoto druhu půd dochází pouze k zamrzání vody v jejich pórech a k tvorbě ledových krystalů s nepatrnými deformacemi při působení mrazu. Do této skupiny patří štěrk, písek a podobné půdy.
Půdy nebezpečné při mrazu jsou ty, u nichž se vytvářejí ledové čočky, v jejichž důsledku mohou vzniknout větší deformace. Nahromaděná voda v povrchové vrstvě ve formě ledových čoček působí během mrazu rovněž i rozmrazovací účinek. Do této skupiny patří některé prachovito-jílovité, a zejména prachovité půdy.
Pro hodnocení odolnosti půdy proti mrazu existuje více kritérií, z nichž nejznámější jsou kritéria Arthura Casagrandea a Ruklia, která zde popíšeme.
Kritérium A. Casagrandea
Toto kritérium vychází z granulometrického složení půdy a zní:
a) U zemin stejnoměrného složení, jejichž stupeň nestejnorodosti U < 5, je zemina náchylná k mrazu, pokud obsahuje více než 10% zrn o velikosti pod 0,02 mm.
b) U půd nestejnoměrného složení, jejichž stupeň nestejnoměrnosti U > 15, je půda náchylná k mrazu, obsahuje-li více než 3% zrn o velikosti menší než 0,02 mm.
Ačkoli se toto kritérium dlouhou dobu používalo a vždy poskytovalo spolehlivé výsledky, jeho nevýhodou je, že se zakládá pouze na zrnitosti zeminy a nezohledňuje další faktory ovlivňující účinek mrazu v půdě. Proto se dnes má za to, že toto kritérium je příliš přísné a neekonomické.
Rukliev kritérium
Podle této metody se zemina dělí na dvě frakce podle tuhosti pevných částic, a to na hrubozrnnou frakci, zrna o průměru d > 2 mm a jemnozrnnou frakci, zrna o průměru d < 2 mm. Pro hodnocení mrazuvzdornosti zeminy se stanoví závislost množství jemnozrnné frakce na množství hrubozrnné frakce a tato závislost je uvedena dolní a horní mezí (obr. 1).
Dolní mez představuje nejvyšší dovolené procento pevných částic o průměru d < 0,02 mm z suché hmotnosti násypu, tj. frakce 0-2 mm, při němž prakticky nevznikají žádné škody vlivem mrazu za nepříznivých podmínek, jako je vysoká hladina podzemní vody, nepříznivé klimatické podmínky (dlouhotrvající mrazy) a vysoká přirozená vlhkost zeminy.
Horní hranice představuje nejvyšší přípustné procento částic d < 0,02 mm ze suché hmotnosti jemnozrnné frakce, při němž za příznivých podmínek, jako je nízká hladina podzemní vody, příznivé klimatické podmínky (krátkodobé mrazy) a nízká přirozená vlhkost půdy, prakticky nevznikají žádné škody způsobené mrazem.
Obr. 1 Dolní a horní mez pro posouzení nebezpečí mrazu v půdě podle Rukliho kritéria
Ochrana proti působení mrazu v půdě
Hloubka působení mrazu v půdě závisí na klimatických poměrech oblasti. V naší zemi je převážně 0,8 až 1,0 m pod povrchem terénu. Proto konstrukce založené v hloubce rovné nebo větší než 1,0 m nebudou vystaveny účinku mrazu.
Mělce založené konstrukce, jako jsou vozovky na silnicích, jsou vystaveny účinkům mrazu, které mohou vyvolat větší deformace a škody na vozovce, a to jak při zamrzání, tak při rozmrzání. Proto je při zhotovování vozovek na silnicích a vzletových a přistávacích drah na letištích nutné zkoumat půdu z hlediska účinku mrazu, a v případě, že je základová zemina na mráz nebezpečná, je třeba přijmout ochranná opatření. U vozovek na silnicích a letištích je nejúčinnějším opatřením zhotovení podkladní vrstvy, jejíž tloušťka se stanoví tak, aby celková tloušťka vozovky a podkladní vrstvy byla 0,80 m pro těžký provoz až 0,60 m pro lehký provoz. Nejčastěji je tloušťka podkladní vrstvy 0,30 m pod vozovkou dostatečnou ochranou proti účinku mrazu.
Materiálem pro zhotovení podkladní vrstvy je obvykle písek nebo písčitý štěrk, který musí splňovat následující podmínky:
Index plasticity IP < 5
Obsah frakce d < 0,02 mm menší než 3%
Stupeň nestejnorodosti U > 7.
Horní část izolační vrstvy v tloušťce 20 cm nesmí být tvořena stejnoměrným jemnozrnným pískem z důvodu nedostatečného zhutnění a omezené únosnosti. V této části má být izolační vrstva tvořena písčitým štěrkem s 30-70% zrn velikosti 2-30 mm. Zrna větší než 30 mm se nedoporučují.
Mělké opěrné zdi jsou také vystaveny působení mrazu v půdě, v důsledku čehož se naklánějí, což při opakovaném působení mrazu v průběhu času vede k jejich převrácení a zřícení. Proto je třeba tyto zdi založit do hloubky 1,0 m, je-li půda namrzavá.