Η δράση του παγετού στο έδαφος

Παραμορφώσεις του εδάφους λόγω της δράσης του παγετού

Υπό την επίδραση του παγετού το ελεύθερο στάσιμο νερό παγώνει στους 0°C και κατά τη διαδικασία αυτή διαστέλλεται κατά 9% του όγκου του. Ωστόσο, το νερό σε στενούς τριχοειδείς σωλήνες δεν παγώνει στους 0°C, αλλά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, που κυμαίνονται από -1°C έως -78°C. Η τελευταία αυτή θερμοκρασία πήξης διαπιστώθηκε με εργαστηριακές δοκιμές στην Αμερική. Όσο στενότερος είναι ο τριχοειδής σωλήνας, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία πήξης.

Στο έδαφος υπάρχουν πόροι που συνδέονται μεταξύ τους προς όλες τις κατευθύνσεις και σχηματίζουν τριχοειδείς σωλήνες. Στην άμμο οι πόροι είναι μεγάλοι και σχηματίζουν ευρείς τριχοειδείς σωλήνες, στους οποίους το νερό παγώνει στους 0°C ή σε ελαφρώς χαμηλότερη θερμοκρασία. Το νερό παγώνει ομοιόμορφα, οπότε στους πόρους σχηματίζονται παγοκρύσταλλοι, των οποίων η αύξηση του όγκου κατά 9% δεν προκαλεί καμία σημαντική παραμόρφωση του εδάφους. Στα εδάφη λεπτόκοκκης σύστασης οι πόροι είναι μικρότεροι και σχηματίζουν στενούς τριχοειδείς σωλήνες, στους οποίους το νερό παγώνει σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0°C. Ωστόσο, στο επιφανειακό στρώμα το έδαφος είναι πάντοτε πιο χαλαρό, με μεγαλύτερους πόρους, στους οποίους το νερό παγώνει στους 0°C και σχηματίζει παγοκρυστάλλους. Αυτοί οι κρύσταλλοι έλκουν προς το μέρος τους το ψυχθέν νερό από τους στενούς πόρους με μεγάλη δύναμη, τη λεγόμενη κρυσταλλωτική δύναμη. Όταν το νερό που προσελκύθηκε έτσι έρθει σε επαφή με τους παγοκρυστάλλους και παγώσει κι αυτό, αυξάνοντας τον όγκο των παγοκρυστάλλων, οι οποίοι μετατρέπονται σε παγοφακούς, το πάχος των οποίων μπορεί να είναι περίπου 0,1 έως 10 mm. Οι σχηματισθέντες παγοφακοί προκαλούν σημαντική παραμόρφωση του εδάφους κατά τη δράση του παγετού, η οποία κάτω από ιδιαίτερα δυσμενείς συνθήκες μπορεί να φθάσει έως 30 και 50 cm.

Η εμφάνιση και το μέγεθος της παραμόρφωσης του εδάφους λόγω της δράσης του παγετού εξαρτώνται κυρίως από τους ακόλουθους 3 παράγοντες:

1. Κοκκομετρική σύνθεση του εδάφους

2. Στάθμη υπόγειων υδάτων

3. Διάρκεια παγετού.

Ad 1) Όσον αφορά τη κοκκομετρική σύνθεση, η μεγαλύτερη δράση του παγετού εμφανίζεται σε λεπτόκοκκο έδαφος, του οποίου οι πόροι είναι αρκετά λεπτοί ώστε να σχηματίζουν στενούς τριχοειδείς σωλήνες, και ταυτόχρονα έχει επαρκώς μεγάλη διαπερατότητα, που επιτρέπει ταχεία κυκλοφορία του νερού κατά τη διάρκεια της δράσης του παγετού. Τέτοιο έδαφος είναι το πιο ευαίσθητο στον παγετό, τόσο ως προς την ταχύτητα εμφάνισης όσο και ως προς το μέγεθος των παραμορφώσεων. Πρόκειται για αμμώδη ιλύα, οι οποίες αποτελούνται κυρίως από κόκκους μεγέθους 0,02-0,002 mm. Κόκκοι μεγέθους >0,02 mm έχουν μικρό ύψος τριχοειδούς ανύψωσης, ενώ κόκκοι μεγέθους < 0,002 mm έχουν αργή τριχοειδή ανύψωση, έτσι ώστε και στις δύο περιπτώσεις, κατά τη διάρκεια του παγετού, να μπορεί να φθάσει μόνο μικρή ποσότητα νερού στη ζώνη δράσης του παγετού. Αν το αργιλώδες έδαφος περιέχει πάνω από 25% σωματίδια μεγέθους < 0,002 mm, η διαπερατότητα του εδάφους είναι πολύ μικρή και η κυκλοφορία του νερού στους πόρους τόσο αργή, ώστε αυτό να παγώνει στους πόρους πριν προλάβουν να ελκυθούν οι φακοί πάγου.

Ad 2) Εκτός από την απαίτηση ως προς τη κοκκομετρική σύνθεση του εδάφους πρέπει να ικανοποιείται ακόμη ένας όρος για να προκύψουν παραμορφώσεις του εδάφους από τον παγετό. Αυτός είναι να υπάρχει δυνατότητα παροχής νερού στη ζώνη δράσης του παγετού. Αν αυτός ο όρος δεν ικανοποιείται, δηλαδή αν τα τριχοειδή του εδάφους δεν βρίσκονται σε σύνδεση με το νερό που θα ρέει συνεχώς μέσα από αυτά κατά τη διάρκεια της δράσης του παγετού, δεν θα προκύψουν παραμορφώσεις από τον παγετό, όποια κι αν είναι η κοκκομετρική σύνθεση του εδάφους.

Όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο του υπόγειου νερού, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα παραμορφώσεων του εδάφους λόγω της δράσης του παγετού. Αν το επίπεδο του υπόγειου νερού βρίσκεται σε μεγαλύτερο βάθος από το ύψος της τριχοειδούς ανόδου του νερού του δεδομένου εδάφους, οι παραμορφώσεις λόγω παγετού είναι ασήμαντες.

Ad 3) Όσο μεγαλύτερη είναι η χρονική περίοδος αδιάκοπης διάρκειας του παγετού, τόσο μεγαλύτερες είναι οι παραμορφώσεις λόγω παγετού, εξαιτίας του σχηματισμού μεγαλύτερων και πολυάριθμων φακών πάγου. Ο ισχυρός και βραχύς παγετός προκαλεί μικρότερες παραμορφώσεις, διότι σε αυτή την περίπτωση συμβαίνει απότομη πήξη του νερού στους πόρους και διακοπή της τριχοειδούς ροής του νερού. Αντιθέτως, ο μέτριος και μακράς διάρκειας παγετός προκαλεί μεγαλύτερες παραμορφώσεις λόγω της ανεμπόδιστης δημιουργίας φακών πάγου.

Δράση εκθραυσμού

Κατά την απόψυξη, λιώνουν πρώτα οι παγοφακοί στο ανώτερο τμήμα του επιφανειακού εδάφους, ενώ αμέσως κάτω από αυτόν παραμένει το παγωμένο και συνεπώς αδιαπέραστο στρώμα. Επειδή οι λιωμένοι παγοφακοί δίνουν μεγάλη ποσότητα νερού, το οποίο δεν μπορεί να διεισδύσει μέσω του παγωμένου κατώτερου στρώματος, αυτή η αυξημένη ποσότητα νερού στο επιφανειακό στρώμα υπερκορέννυει το έδαφος και το μετατρέπει σε ρευστή μάζα, η οποία δεν έχει καμία αντοχή, αλλά εκτοπίζεται πλευρικά υπό πίεση. Οι παραμορφώσεις του εδάφους λόγω της δράσης της απόψυξης μπορεί να είναι σημαντικές και σε ορισμένες περιπτώσεις επικίνδυνες. Αυτές οι παραμορφώσεις είναι συχνές σε ορύγματα σιδηροδρομικών γραμμών και δρόμων, όπου την άνοιξη παρατηρείται μερική ολίσθηση των πρανών λόγω υπερκορεσμού του εδάφους με νερό από τους λιωμένους παγοφακούς, καθώς και σε δρόμους, των οποίων τα οδοστρώματα παραμορφώνονται υπό την κυκλοφορία σε έδαφος που έχει χάσει τη φέρουσα ικανότητα λόγω υπερκορεσμού με νερό.

Κριτήριο για την αξιολόγηση της επίδρασης του παγετού στο έδαφος

Μελετώντας τη δράση του παγετού σε διάφορα είδη εδαφών, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι, ως προς τη συμπεριφορά στον παγετό, πρέπει να διακρίνονται δύο είδη εδαφών: ασφαλή και επικίνδυνα για παγετό.

Εδάφη ασφαλή στον παγετό είναι εκείνα στα οποία δεν σχηματίζονται φακοί πάγου, όσο μεγάλη κι αν είναι η διάρκεια του παγετού. Σε αυτό το είδος εδάφους υπάρχει μόνο πάγωμα του νερού στους πόρους του και δημιουργία κρυστάλλων πάγου, με ασήμαντες παραμορφώσεις υπό την επίδραση του παγετού. Σε αυτή την ομάδα ανήκουν το χαλίκι, η άμμος και παρόμοια εδάφη.

Τα εδάφη επικίνδυνα από παγετό είναι εκείνα στα οποία σχηματίζονται φακοειδείς παγοσχηματισμοί, με αποτέλεσμα να μπορούν να προκύψουν μεγαλύτερες παραμορφώσεις. Το συσσωρευμένο νερό στο επιφανειακό στρώμα με τη μορφή φακών πάγου κατά τη δράση του παγετού προκαλεί επίσης και δράση αποπάγωσης. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν ορισμένα ιλυοαργιλώδη και ιδίως ιλυώδη εδάφη.

Υπάρχουν περισσότερα κριτήρια για την αξιολόγηση της αντοχής του εδάφους στον παγετό, ανάμεσα στα οποία τα γνωστότερα είναι τα κριτήρια των Arthur Casagrande και Rukli, τα οποία θα περιγράψουμε εδώ.

Κριτήριο A. Casagrande

Το κριτήριο αυτό βασίζεται στη κοκκομετρική σύνθεση του εδάφους και διατυπώνεται ως εξής:

a) Στην περίπτωση εδάφους ομοιόμορφης σύστασης, του οποίου ο βαθμός ανομοιομορφίας U < 5, το έδαφος είναι ευπαθές στον παγετό αν περιέχει περισσότερο από 10% κόκκους μεγέθους κάτω από 0,02 mm.

b) Σε έδαφος ανομοιόμορφης σύστασης, του οποίου ο βαθμός ανομοιογένειας U > 15, το έδαφος είναι επικίνδυνο στον παγετό αν περιέχει περισσότερα από 3% κόκκους μεγέθους κάτω από 0,02 mm.

Παρότι αυτό το κριτήριο εφαρμόζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα και έδινε πάντοτε αξιόπιστα αποτελέσματα, το μειονέκτημά του είναι ότι βασίζεται μόνο στη κοκκομετρική σύσταση του εδάφους και δεν λαμβάνει υπόψη και άλλους παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση του παγετού στο έδαφος. Γι’ αυτό σήμερα θεωρείται ότι αυτό το κριτήριο είναι υπερβολικά αυστηρό και μη οικονομικό.

Κριτήριο Rukliev

Με αυτή τη μέθοδο το έδαφος διαιρείται σε δύο κλάσματα ως προς τη συνεκτικότητα των στερεών σωματιδίων, και συγκεκριμένα σε χονδρόκοκκο κλάσμα, κόκκοι διαμέτρου d > 2 mm και σε λεπτόκοκκο κλάσμα, κόκκοι διαμέτρου d < 2 mm. Για την εκτίμηση της ανθεκτικότητας του εδάφους στον παγετό τίθεται η εξάρτηση της ποσότητας του λεπτόκοκκου κλάσματος από την ποσότητα του χονδρόκοκκου κλάσματος και αυτή η εξάρτηση δίνεται από το κάτω και το άνω όριο (σχ. 1).

Το κατώτερο όριο αντιπροσωπεύει το μέγιστο επιτρεπόμενο ποσοστό στερεών σωματιδίων με διάμετρο d < 0,02 mm του ξηρού βάρους της επίχωσης, δηλαδή της κλάσης 0-2 mm, στο οποίο δεν προκαλούνται πρακτικά καθόλου ζημιές από παγετό υπό δυσμενείς συνθήκες, όπως υψηλή στάθμη του υπόγειου νερού, δυσμενείς κλιματικές συνθήκες (παρατεταμένοι παγετοί) και μεγάλη φυσική υγρασία του εδάφους.

Το ανώτερο όριο αντιπροσωπεύει το μέγιστο επιτρεπόμενο ποσοστό σωματιδίων d < 0,02 mm κατά το ξηρό βάρος της λεπτόκοκκης κλάσης, στο οποίο ουσιαστικά δεν εμφανίζονται ζημιές από παγετό υπό ευνοϊκές συνθήκες, όπως χαμηλή στάθμη υπόγειων υδάτων, ευνοϊκές κλιματικές συνθήκες (βραχύχρονοι παγετοί) και χαμηλή φυσική υγρασία του εδάφους.

Σχ. 1 Κατώτερο και ανώτερο όριο για την εκτίμηση του κινδύνου παγετού του εδάφους κατά το κριτήριο του Rukliev

Προστασία από τη δράση του παγετού στο έδαφος

Το βάθος δράσης του παγετού στο έδαφος εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής. Στη χώρα μας είναι κυρίως 0,8 έως 1,0 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Επομένως, κατασκευές θεμελιωμένες σε βάθος ίσο ή μεγαλύτερο από 1,0 m δεν θα υπόκεινται στη δράση του παγετού.

Κατασκευές με ρηχή θεμελίωση, όπως τα οδοστρώματα των δρόμων, εκτίθενται στη δράση του παγετού, η οποία μπορεί να προκαλέσει μεγαλύτερες παραμορφώσεις και ζημιές στο οδόστρωμα, τόσο κατά την πήξη όσο και κατά την απόψυξη. Γι’ αυτό, κατά την κατασκευή οδοστρωμάτων σε δρόμους και διαδρόμων απογείωσης-προσγείωσης σε αεροδρόμια, είναι απαραίτητο να εξετάζεται το έδαφος ως προς τη δράση του παγετού και, στην περίπτωση που το έδαφος θεμελίωσης είναι επικίνδυνο από παγετό, να λαμβάνονται προστατευτικά μέτρα. Στα οδοστρώματα δρόμων και αεροδρομίων το αποτελεσματικότερο μέτρο είναι η κατασκευή στρώσης υπόβασης, το πάχος της οποίας προσδιορίζεται έτσι ώστε το συνολικό πάχος του οδοστρώματος και της στρώσης υπόβασης να είναι 0,80 m για βαριά κυκλοφορία έως 0,60 m για ελαφρά κυκλοφορία. Συνήθως, πάχος της στρώσης υπόβασης 0,30 m κάτω από το οδόστρωμα αποτελεί επαρκή προστασία από τη δράση του παγετού.

Το υλικό για την κατασκευή της στρώσης βάσης είναι συνήθως άμμος ή αμμοχαλικό, το οποίο πρέπει να πληροί τις ακόλουθες προϋποθέσεις:

Δείκτης πλαστικότητας IP < 5

Περιεκτικότητα του κλάσματος d < 0,02 mm μικρότερη από 3%

Βαθμός ανομοιομορφίας U > 7.

Το ανώτερο τμήμα του στρώματος εξομάλυνσης πάχους 20 cm δεν πρέπει να αποτελείται από ομοιόμορφη και λεπτόκοκκη άμμο λόγω ανεπαρκούς συμπύκνωσης και περιορισμένης φέρουσας ικανότητας. Σε αυτό το τμήμα το στρώμα εξομάλυνσης πρέπει να είναι αμμώδες χαλίκι με 30-70% κόκκους μεγέθους 2-30 mm. Κόκκοι μεγαλύτεροι από 30 mm δεν συνιστώνται.

Οι ρηχά θεμελιωμένοι περιμετρικοί τοίχοι επηρεάζονται επίσης από τον παγετό στο έδαφος, με αποτέλεσμα να γέρνουν, κάτι που με την επαναλαμβανόμενη δράση του παγετού με την πάροδο του χρόνου οδηγεί στην ανατροπή και την κατάρρευσή τους. Γι’ αυτό οι τοίχοι αυτοί πρέπει να θεμελιώνονται σε βάθος 1,0 m, αν το έδαφος είναι επιρρεπές στον παγετό.