Jordens deformationer som følge af frostpåvirkning
Ved frost fryser frit vand uden strømning ved 0°C, og derved udvider det sig med 9% af sit volumen. Vand i smalle kapillarrør fryser imidlertid ikke ved 0°C, men ved lavere temperaturer, der ligger fra -1°C til -78°C. Denne sidste frysetemperatur blev fastlagt ved laboratorieforsøg i Amerika. Jo smalere kapillarrøret er, desto lavere er frysetemperaturen.
I jorden findes der porer, som er forbundne med hinanden i alle retninger og danner kapillarrør. I sand er porerne store og danner brede kapillarrør, hvori vand fryser ved 0°C eller ved en lidt lavere temperatur. Vandet fryser ensartet, hvorved der i porerne dannes iskrystaller, hvis volumenforøgelse på 9% ikke forårsager nogen væsentlige deformationer af jorden. I jord med finkornet sammensætning er porerne mindre og danner smalle kapillarrør, hvor vandet fryser ved temperaturer under 0°C. I overfladelaget er jorden imidlertid altid løsere med større porer, hvori vandet fryser ved 0°C og danner iskrystaller. Disse krystaller tiltrækker det afkølede vand fra de smalle porer med stor kraft, den såkaldte krystallisationskraft. Når det således tiltrukne vand kommer i kontakt med iskrystallerne og selv fryser, forøges iskrystallernes volumen, og de bliver til islænger, hvis tykkelse kan være omkring 0,1 til 10 mm. De dannede islænger forårsager betydelige deformationer af jorden under frostens påvirkning, som under særligt ugunstige forhold kan nå op på 30 og 50 cm.
Forekomsten og størrelsen af jorddeformation som følge af frostpåvirkning afhænger hovedsageligt af følgende 3 faktorer:
-
Grundvandsspejl
-
Frostens varighed.
Ad 1) Med hensyn til kornfordelingen er frosteffekten størst i fintkornet jord, hvis porer er tilstrækkelig små til at danne smalle kapillarrør, og som samtidig har en tilstrækkelig stor gennemtrængelighed, der muliggør hurtig vandcirkulation under frostopvirkningen. Sådan jord er mest følsom over for frost, både med hensyn til hvor hurtigt virkningen opstår, og med hensyn til deformationernes størrelse. Det er siltede jorder, som overvejende består af korn med en størrelse på 0,02-0,002 mm. Korn med en størrelse på >0,02 mm har en lille kapillær opstigning, mens korn med en størrelse på < 0,002 mm har en langsom kapillær opstigning, så der i begge tilfælde kun kan komme en mindre mængde vand ind i frostopvirkningszonen i frostperioden. Hvis lerjord indeholder over 25% partikler med en størrelse på < 0,002 mm, er jordens permeabilitet meget lille, og vandcirkulationen i porerne er så langsom, at vandet i porerne fryser, før islinserne kan tiltrække det.
Ad 2) Foruden kravet til jordens granulometriske sammensætning skal endnu et krav være opfyldt, for at der kan opstå frostdeformationer i jorden. Det er, at der skal være mulighed for vandtilførsel til frostens virkningszone. Hvis dette krav ikke var opfyldt, dvs. hvis jordens kapillærer ikke stod i forbindelse med vand, som konstant ville strømme gennem dem under frostens virkning, vil der ikke opstå frostdeformationer, uanset hvilken granulometrisk sammensætning jorden har.
Jo højere grundvandsstanden er, desto større er risikoen for jorddeformationer som følge af frostpåvirkning. Hvis grundvandsstanden ligger på større dybde end højden af det pågældende jordsæts kapillære vandstigning, er deformationer som følge af frostpåvirkning ubetydelige.
Ad 3) Hvis den tidsmæssige periode med vedvarende frost er længere, desto større er frostdeformationerne på grund af dannelsen af større og talrigere linser. Stærk og kortvarig frost medfører mindre deformationer, fordi vandet i porerne i så fald fryser pludseligt, og den kapillære vandstrøm afbrydes. Omvendt medfører moderat og langvarig frost større deformationer på grund af uhindret dannelse af islinser.
Afskumningens virkning
Ved optøning smelter islinserne først i den øverste del af overfladejorden, mens der umiddelbart nedenunder forbliver et frossent og dermed også uigennemtrængeligt lag. Da de smeltede islinser afgiver en stor mængde vand, som ikke kan trænge ned gennem det frosne underliggende lag, mætter denne øgede vandmængde i overfladelaget jorden og danner en flydende masse, som ikke har nogen fasthed, men under tryk presses ud til siderne. Deformationer af jorden som følge af optøning kan være betydelige og i visse tilfælde farlige. Disse deformationer er almindelige i skæringer på jernbaner og veje, hvor der om foråret sker en delvis udskridning af skråningerne som følge af jordens vandmætning fra smeltede islinser, samt på veje, hvis belægninger under trafik deformeres på jord, der har mistet bæreevnen på grund af vandmætning.
Kriterium for vurdering af frosts virkning på jord
Ved undersøgelse af frostens virkning på forskellige jordarter er man nået frem til den konklusion, at man med hensyn til frostadfærd skal skelne mellem to typer jord: sikre og frostfarlige.
Frostsikre jorde er dem, hvor der ikke dannes islinser, uanset hvor lang frostperioden er. Hos denne jordtype sker der kun frysning af vandet i dens porer og dannelse af iskrystaller med ubetydelige deformationer under frostens påvirkning. Til denne gruppe hører grus, sand og lignende jorde.
Frostfarlige jorder er de jorder, hvor der dannes isskiver, hvorved der kan opstå større deformationer. Ophobet vand i overfladelaget i form af isskiver under frostens virkning frembringer også en optøningseffekt. Til denne gruppe hører visse siltler og især siltjord.
Der findes flere kriterier til vurdering af jordens frostbestandighed, hvoraf de mest kendte er kriterierne af Arthur Casagrande og Ruklia, som vi her vil beskrive.
A. Casagrandes kriterium
Dette kriterium bygger på jordens kornstørrelsesfordeling og lyder:
a) Ved jord med ensartet sammensætning, hvis grad af uensartethed U < 5, er jorden frostfarlig, hvis den indeholder mere end 10% korn med en størrelse under 0,02 mm.
b) Ved jord af uensartet sammensætning, hvis grad af uensartethed U > 15, er jorden frostfarlig, hvis den indeholder mere end 3% korn af størrelse under 0,02 mm.
Selv om dette kriterium længe har været anvendt og altid har givet pålidelige resultater, er dets svaghed, at det kun bygger på jordens kornfordeling og ikke tager hensyn til andre faktorer, som påvirker frosts virkning i jorden. Derfor anser man i dag dette kriterium for at være for strengt og uøkonomisk.
Ruklievs kriterium
Efter denne metode deles jorden i to fraktioner efter de faste partiklers stivhed, nemlig i en grovkornet fraktion, korn med diameter d > 2 mm og en finkornet fraktion, korn med diameter d < 2 mm. For at vurdere jordens frostbestandighed opstilles sammenhængen mellem mængden af den finkornede fraktion og mængden af den grovkornede fraktion, og denne sammenhæng angives ved en nedre og en øvre grænse (fig. 1).
Nedre grænse angiver den maksimalt tilladte andel af faste partikler med en diameter d < 0,02 mm af fyldens tørvægt, dvs. fraktionen 0-2 mm, hvor der praktisk taget ikke opstår frostskader under ugunstige forhold, såsom høj grundvandsstand, ugunstige klimatiske forhold (langvarige frostperioder) og høj naturlig jordfugtighed.
Den øvre grænse angiver den maksimalt tilladte andel af partikler d < 0,02 mm af den tørre vægt af den finkornede fraktion, hvor der under gunstige forhold praktisk talt ikke opstår nogen frostskader, såsom et lavt grundvandsspejl, gunstige klimatiske forhold (kortvarige frostperioder) og lav naturlig fugtighed i jorden.
Fig. 1 Nedre og øvre grænse for vurdering af jordens frostfarlighed efter Ruklievs kriterium
Beskyttelse mod frostpåvirkning i jorden
Frostens virkningsdybde i jorden afhænger af områdets klimatiske forhold. I vort land er den overvejende 0,8 til 1,0 m under terrænets overflade. Konstruktioner, der er funderet i en dybde på eller større end 1,0 m, vil derfor ikke være udsat for frostpåvirkning.
Konstruktioner med lavt fundament, såsom vejbelægninger, er udsat for frostpåvirkning, som kan medføre større deformationer og skader på belægningen, både ved frost og ved optøning. Derfor er det ved udførelse af vejbelægninger og start- og landingsbaner på lufthavne nødvendigt at undersøge jorden med hensyn til frostpåvirkning, og hvis undergrunden er frostfarlig, skal der træffes beskyttelsesforanstaltninger. For vej- og lufthavnsbelægninger er den mest effektive foranstaltning udførelse af et bærelag, hvis tykkelse bestemmes sådan, at den samlede tykkelse af belægning og bærelag er 0,80 m for tung trafik til 0,60 m for let trafik. Som regel er en tykkelse af bærelaget på 0,30 m under belægningen tilstrækkelig beskyttelse mod frostpåvirkning.
Materialet til udførelse af et bærelag er normalt sand eller sandet grus, som skal opfylde følgende krav:
Plasticitetsindeks IP < 5
Indholdet af fraktionen d < 0,02 mm mindre end 3%
Ujævnhedsgraden U > 7.
Den øverste del af pudelaget i en tykkelse på 20 cm må ikke bestå af ensartet, fint sand på grund af utilstrækkelig komprimering og begrænset bæreevne. I dette område skal pudelaget bestå af sandet grus med 30-70% kornstørrelse 2-30 mm. Korn større end 30 mm anbefales ikke.
Lavt funderede hegnsmure påvirkes også af frosten i jorden, hvorved de hælder, og ved gentagen frostpåvirkning over tid kan det føre til væltning og nedstyrtning. Derfor bør disse mure funderes i en dybde på 1,0 m, hvis jorden er udsat for frost.