Mulla deformatsioonid pakase mõjul
Külma mõjul külmub seisva veega vaba vesi temperatuuril 0°C ja paisub seejuures 9% oma mahust. Kuid kitsastes kapillaartorudes vesi ei külmu temperatuuril 0°C, vaid madalamatel temperatuuridel, mis jäävad vahemikku -1°C kuni -78°C. See viimne külmumistemperatuur on kindlaks tehtud laboratoorsete katsetega Ameerikas. Mida kitsam on kapillaartoru, seda madalam on külmumistemperatuur.
Pinnases leidub poore, mis on omavahel ühendatud kõigis suundades ja moodustavad kapillaartorud. Liivas on poorid suured ja moodustavad laiad kapillaartorud, milles vesi külmub 0°C või veidi madalamal temperatuuril. Vesi külmub ühtlaselt, kusjuures poorides moodustuvad jääkristallid, mille mahu suurenemine 9% võrra ei põhjusta pinnasele märkimisväärseid deformatsioone. Peene terakoostisega pinnases on poorid väiksemad ja moodustavad kitsad kapillaartorud, milles vesi külmub temperatuuridel, mis on madalamad kui 0°C. Kuid pinnakihis on pinnas alati kobedam ja suuremate pooridega, milles vesi külmub 0°C ja moodustab jääkristalle. Need kristallid tõmbavad enda poole kitsastest pooridest jahtunud vett suure jõuga, nn kristallisatsioonijõuga. Kui nii tõmmatud vesi puutub kokku jääkristallidega ja külmub ise, suurendades jääkristallide mahtu, tekivad jääläätsekehad, mille paksus võib olla umbes 0,1 kuni 10 mm. Moodustunud jääläätsed põhjustavad külmumise ajal pinnase märkimisväärset deformatsiooni, mis eriti ebasoodsates tingimustes võib ulatuda 30 ja 50 cm.
Pinnase deformatsiooni tekkimine ja suurus külma mõjul sõltub peamiselt järgmistest 3 tegurist:
-
Põhjavee tase
-
Pakase kestus.
Ad 1) Terastikulise koostise seisukohalt on külma suurim mõju peeneteralisel pinnasel, mille poorid on piisavalt väikesed, et moodustada kitsaid kapillaarseid kanaleid, ning samal ajal on sellel piisavalt suur läbilaskvus, mis võimaldab vee kiiret liikumist külmumise ajal. Selline pinnas on külma suhtes kõige tundlikum nii tekkimise kiiruse kui ka deformatsioonide suuruse poolest. Need on tolmjad pinnased, mis koosnevad peamiselt teradest suurusega 0,02-0,002 mm. Terad suurusega >0,02 mm on väikese kapillaarse tõusu kõrgusega, samas kui terad suurusega < 0,002 mm tõusevad kapillaarselt aeglaselt, nii et mõlemal juhul võib külmaperioodil külmumisvööndisse jõuda vaid väike kogus vett. Kui savine pinnas sisaldab üle 25% osakeseid suurusega < 0,002 mm, on pinnase läbilaskvus väga väike ja vee ringlus poorides nii aeglane, et vesi külmub poorides enne, kui jääkristallid saavad seda endasse tõmmata.
Ad 2) Lisaks tingimusele, mis puudutab pinnase granulomeetrilist koostist, peab olema täidetud veel üks tingimus, et pinnases tekiks külmumisest põhjustatud deformatsioonid. Selleks on võimalus vee juurdevooluks külmumispiirkonda. Kui see tingimus ei oleks täidetud, s.t. kui pinnase kapillaarid ei oleks ühenduses veega, mis nende kaudu külma toime ajal pidevalt voolaks, siis külmumisdeformatsioone ei teki, olenemata pinnase granulomeetrilisest koostisest.
Mida kõrgem on põhjavee tase, seda suurem on mulla deformatsioonide võimalus külma toimel. Kui põhjavee tase on suuremal sügavusel kui antud mulla vee kapillaarse tõusu kõrgus, on külma toimel tekkivad deformatsioonid tühised.
Ad 3) Mida pikem on pideva külmaperioodi kestus, seda suuremad on külmast tingitud deformatsioonid, suuremate ja arvukamate läätsede tekke tõttu. Tugev ja lühiajaline külm põhjustab väiksemaid deformatsioone, sest sel juhul toimub vee järsk jäätumine poorides ja kapillaarse vee liikumise katkemine. Seevastu mõõdukas ja pikaajaline külm põhjustab suuremaid deformatsioone tänu jääläätsede takistamatule tekkele.
Lumesulamise mõju
Sula ajal sulavad kõigepealt jääläätsed pinnase ülemises osas, samal ajal kui kohe selle all jääb alles külmunud ja seega ka mitteläbilaskev kiht. Kuna sulanud jääläätsed annavad suure hulga vett, mis ei saa läbi külmunud alumise kihi imbuda, küllastab see suurenenud veehulk pinnakihi pinnase üle ja muudab selle vedelaks massiks, millel puudub igasugune tugevus ning mis surutakse rõhu all külgsuunas välja. Pinnase deformatsioonid külmumise ja sulamise mõjul võivad olla märkimisväärsed ja mõnel juhul ohtlikud. Need deformatsioonid on sagedased raudteede ja teede lõigetes, kus kevadel toimub nõlvade osaline libisemine pinnase veega üleküllastumise tõttu sulanud jääläätsedest, samuti teedel, mille sõiduteed koormuse all deformeeruvad pinnasel, mis on kaotanud kandevõime veega üleküllastumise tõttu.
Kriteerium pinnase külmatoime hindamiseks
Uurides külma mõju erinevatele pinnasetüüpidele jõuti järeldusele, et külmakäitumise seisukohast tuleb eristada kahte pinnasetüüpi: kindlad ja külmaohtlikud.
Külmakindlad pinnased on need, milles jääpesi ei teki, ükskõik kui pikk külmaperiood ka poleks. Seda tüüpi pinnases toimub ainult vee külmumine selle poorides ja jääkristallide teke, külma mõjul väheste deformatsioonidega. Sellesse rühma kuuluvad kruus, liiv ja sarnased pinnased.
Külmakerkele ohtlikud mullad on sellised, milles tekivad jääläätsed, mille tõttu võivad tekkida suuremad deformatsioonid. Pinnakihi kogunenud vesi jääläätse kujul külma toimel tekitab samuti üleskerkimis- ehk külmakerkefekti. Sellesse rühma kuuluvad teatavad tolm-savilised ja eriti tolmused mullad.
Mulla külmakindluse hindamiseks on mitu kriteeriumi, millest tuntuimad on Arthuri Casagrande’i ja Ruklia kriteeriumid, mida käsitleme siin.
A. Casagrande kriteerium
See kriteerium põhineb pinnase terastikulisel koostisel ja kõlab järgmiselt:
a) Ühtlase koostisega pinnase puhul, mille ebaühtlusaste U < 5, on pinnas külmaohtlik, kui see sisaldab rohkem kui 10% tera, mille suurus on alla 0,02 mm.
b) Ebaühtlase koostisega pinnase puhul, mille ebaühtluse aste U > 15, on pinnas külma suhtes ohtlik, kui see sisaldab rohkem kui 3% terasid suurusega alla 0,02 mm.
Kuigi seda kriteeriumi kasutati pikka aega ja see andis alati usaldusväärseid tulemusi, on selle puuduseks see, et see tugineb ainult pinnase terastikule ega arvesta muid tegureid, mis mõjutavad külma toimet pinnases. Seetõttu peetakse seda kriteeriumi tänapäeval liiga rangeks ja ebaökonoomseks.
Ruklievi kriteerium
Selle meetodi järgi jagatakse pinnas tahkete osakeste jäikuse alusel kaheks fraktsiooniks, nimelt jämedateraline fraktsioon, terad läbimõõduga d > 2 mm ja peeneteraline fraktsioon, terad läbimõõduga d < 2 mm. Pinnase külmakindluse hindamiseks seatakse peeneteralise fraktsiooni koguse sõltuvus jämedateralise fraktsiooni kogusest ning see sõltuvus on antud alumise ja ülemise piiriga (joon. 1).
Alumine piir kujutab endast suurimat lubatud tahkete osakeste osakaalu läbimõõduga d < 0,02 mm täite kuivkaalust, s.o fraktsioon 0-2 mm, mille korral ebasoodsates tingimustes, nagu kõrge põhjaveetase, ebasoodsad kliimatingimused (pikaajalised külmad) ja pinnase suur looduslik niiskus, ei teki praktiliselt mingeid külmakahjustusi.
Ülemine piir näitab suurimat lubatud osakeste d < 0,02 mm osakaalu peeneteralise fraktsiooni kuivkaalust, mille puhul soodsates tingimustes, nagu madal põhjaveetase, soodsad kliimatingimused (lühiajalised külmad) ja mulla väike looduslik niiskus, ei teki praktiliselt mingeid külmakahjustusi.
Joon. 1 Pinnase külmaohtlikkuse alumine ja ülemine piir Ruklie kriteeriumi järgi
Pinnase kaitse külma toime vastu
Külmumisdoosi sügavus pinnases sõltub piirkonna kliimatingimustest. Meie riigis on see valdavalt 0,8 kuni 1,0 m maapinna all. Seega ei allu külmumisdoosile konstruktsioonid, mis on rajatud sügavusele, mis on võrdne või suurem kui 1,0 m.
Madalalt rajatud konstruktsioonid, nagu teekatted, on avatud külma mõjule, mis võib põhjustada teekattes suuremaid deformatsioone ja kahjustusi nii külmumisel kui ka sulamisel. Seetõttu tuleb teekatete ja lennujaamade lennuradade rajamisel uurida pinnast külmumise mõju suhtes ning kui aluspinnas on külmakahjustuse suhtes ohtlik, tuleb rakendada kaitsemeetmeid. Teedel ja lennuväljadel on kõige tõhusam meede aluskihi rajamine, mille paksus määratakse nii, et teekatte ja aluskihi kogupaksus oleks 0,80 m raske liikluse puhul kuni 0,60 m kerge liikluse puhul. Enamasti on aluskihi paksus 0,30 m teekatte all piisav kaitse külma mõju vastu.
Aluskihi valmistamise materjaliks on tavaliselt liiv või liivane kruus, mis peab vastama järgmistele nõuetele:
Plastsusindeks IP < 5
Fraktsiooni d < 0,02 mm sisaldus on väiksem kui 3%
Ebaühtluse aste U > 7.
Puhverduskihi ülemine osa paksusega 20 cm ei tohi olla ühtlane ja peeneteraline liiv ebapiisava tihendatavuse ja piiratud kandevõime tõttu. Selles osas peab puhverduskiht olema liivane kruus, millel on 30-70% tera suurusega 2-30 mm. Terasid suuremad kui 30 mm ei soovitata.
Madalalt rajatud piirdeaedu mõjutab samuti pinnases olev külm, mille tõttu need kalduvad, ning korduva külmumise mõjul aja jooksul võivad need ümber kukkuda ja variseda. Seetõttu tuleb need seinad rajada 1,0 m sügavusele, kui pinnas on külmakerkeks ohtlik.