تغییرشکلهای خاک در اثر یخبندان
در اثر یخزدگی، آب آزادِ بدون جریان در 0°C یخ میزند و در این هنگام حجمش به اندازه 9% افزایش مییابد. اما آب در لولههای مویینِ باریک در 0°C یخ نمیزند، بلکه در دماهای پایینتری که از -1°C تا -78°C متغیرند، یخ میزند. این آخرین دمای یخزدگی با آزمایشهای آزمایشگاهی در آمریکا تعیین شده است. هرچه لوله مویین باریکتر باشد، دمای یخزدگی پایینتر است.
در خاک، حفرههایی وجود دارد که در همه جهات به هم پیوستهاند و لولههای موئین را تشکیل میدهند. در شن، حفرهها درشتاند و لولههای موئین پهن را تشکیل میدهند که در آنها آب در 0°C یا در دمایی کمی پایینتر یخ میزند. آب بهطور یکنواخت یخ میزند و در حفرهها بلورهای یخ تشکیل میشود که افزایش حجم آنها به میزان 9% هیچ تغییر شکل چشمگیری در خاک ایجاد نمیکند. در خاک با بافت ریزدانه، حفرهها ریزترند و لولههای موئین باریکی را تشکیل میدهند که در آنها آب در دماهای پایینتر از 0°C یخ میزند. با این حال، در لایه سطحی، خاک همیشه سستتر و دارای حفرههای درشتتر است که در آنها آب در 0°C یخ میزند و بلورهای یخ تشکیل میدهد. این بلورها آب سردشده را با نیروی زیادی، موسوم به نیروی بلورزایی، از حفرههای باریک به سوی خود جذب میکنند. وقتی این آبِ جذبشده با بلورهای یخ تماس پیدا کند و خود نیز یخ بزند، حجم بلورهای یخ افزایش مییابد و به عدسیهای یخی تبدیل میشوند که ضخامت آنها میتواند حدود 0,1 تا 10 mm باشد. عدسیهای یخیِ تشکیلشده در زمان اثر سرما موجب تغییر شکل قابلتوجه خاک میشوند که در شرایط بهویژه نامساعد میتواند تا 30 و 50 cm برسد.
بروز و میزان تغییرشکل خاک بر اثر یخبندان عمدتاً به 3 عامل زیر بستگی دارد:
-
سطح آب زیرزمینی
-
مدتزمان یخبندان.
Ad 1) از نظر ترکیب دانهبندی، بیشترین اثر یخبندان در خاک دانهریز است، زیرا حفرههای آن به اندازه کافی ریز هستند تا لولههای مویین باریک تشکیل دهند، و در عین حال نفوذپذیری کافیِ بزرگی دارد که گردش سریع آب را در زمان اثر یخبندان ممکن میسازد. چنین خاکی از نظر سرعت بروز و نیز از نظر میزان تغییرشکل، حساسترین خاک در برابر یخبندان است. اینها خاکهای سیلتی هستند که عمدتاً از دانههایی با اندازه 0,02-0,002 mm تشکیل شدهاند. دانههای با اندازه >0,02 mm بالا رفتن موئینگی کمی دارند، در حالی که دانههای با اندازه < 0,002 mm بالا رفتن موئینگی کندی دارند، بنابراین در هر دو حالت، در مدت یخبندان فقط مقدار کمی آب میتواند به ناحیه اثر یخبندان برسد. اگر خاک رسی بیش از 25% ذرات با اندازه < 0,002 mm داشته باشد، نفوذپذیری خاک بسیار کم است و گردش آب در منافذ آن چنان کند است که آب پیش از آنکه عدسیهای یخی بتوانند آن را به خود جذب کنند، در منافذ یخ میزند.
Ad 2) علاوه بر شرط مربوط به ترکیب دانهبندی خاک، شرط دیگری نیز باید برقرار باشد تا تغییر شکلهای ناشی از یخبندان در خاک بهوجود آید. آن این است که امکان رسیدن آب به ناحیه اثر یخبندان وجود داشته باشد. اگر این شرط برقرار نباشد، یعنی اگر موئینههای خاک با آبی که در زمان اثر یخبندان بهطور پیوسته از آنها عبور میکند در ارتباط نباشند، تغییر شکل ناشی از یخبندان رخ نخواهد داد، هر قدر هم که ترکیب دانهبندی خاک باشد.
هرچه سطح آب زیرزمینی بالاتر باشد، امکان تغییرشکل خاک بر اثر یخبندان بیشتر است. اگر سطح آب زیرزمینی در عمقی بیشتر از ارتفاع صعود موئینی آب در خاک موردنظر قرار داشته باشد، تغییرشکلهای ناشی از یخبندان ناچیز خواهند بود.
Ad 3) هرچه دوره زمانیِ تداوم یخبندان طولانیتر باشد، تغییر شکلهای ناشی از یخبندان بیشتر است، زیرا عدسیهای یخی بزرگتر و متعددتری تشکیل میشوند. یخبندان شدید و کوتاهمدت تغییر شکلهای کمتری ایجاد میکند، زیرا در این حالت آبِ موجود در حفرهها بهسرعت یخ میزند و جریان موئین آب قطع میشود. در مقابل، یخبندان متوسط و طولانیمدت بهسبب تشکیل بیمانعِ عدسیهای یخی، تغییر شکلهای بیشتری ایجاد میکند.
اثر اتروییزدایی
در هنگام آبشدنِ یخبندان، ابتدا عدسیهای یخی در بخش بالایی خاک سطحی ذوب میشوند، در حالیکه درست در زیر آن لایهای یخزده و در نتیجه نفوذناپذیر باقی میماند. از آنجا که عدسیهای یخِ ذوبشده مقدار زیادی آب ایجاد میکنند که نمیتواند از لایهٔ زیرینِ یخزده نفوذ کند، این مقدار افزودهٔ آب در لایهٔ سطحی، خاک را اشباعِ بیشازحد میکند و از آن تودهای سیال میسازد که هیچ استحکامی ندارد، بلکه تحت فشار بهصورت جانبی رانده میشود. تغییرشکلهای خاک بر اثر آبشدن یخبندان میتواند قابلتوجه و در برخی موارد خطرناک باشد. این تغییرشکلها در خاکبرداریهای راهآهن و جادهها رایجاند، جایی که در بهار بهعلت اشباعشدن خاک از آبِ عدسیهای یخیِ ذوبشده، لغزش جزئی شیبها رخ میدهد، و نیز در جادههایی که روسازی آنها تحت ترافیک روی خاکی که بر اثر اشباع از آب ظرفیت باربری خود را از دست داده است، دچار تغییرشکل میشود.
معیار ارزیابی اثر یخبندان بر خاک
با مطالعه اثر یخبندان بر انواع مختلف خاک به این نتیجه رسیدهاند که از نظر رفتار در برابر یخبندان باید دو نوع خاک را از هم متمایز کرد: مطمئن و حساس به یخبندان.
خاکهای مقاوم در برابر یخزدگی آنهایی هستند که در آنها، هرقدر هم مدت زمان یخبندان طولانی باشد، عدسیهای یخی تشکیل نمیشود. در این نوع خاک فقط آب در منافذ آن یخ میزند و بلورهای یخ تشکیل میشود، با تغییرشکلهای ناچیز در اثر یخبندان. در این گروه شن، ماسه و خاکهای مشابه قرار میگیرند.
خاکهای حساس به یخبندان آنهایی هستند که در آنها عدسیهای یخی تشکیل میشود و در نتیجه ممکن است تغییرشکلهای بیشتری پدید آید. آب انباشتهشده در لایهٔ سطحی به صورت عدسیهای یخی، هنگام اثر یخبندان، اثر یخگشایی نیز ایجاد میکند. در این گروه، برخی خاکهای سیلتی-رسی و بهویژه خاکهای سیلتی قرار میگیرند.
برای ارزیابی مقاومت خاک در برابر یخبندان معیارهای متعددی وجود دارد که از میان آنها، معیارهای آرتور کاساگرانده و روکلیا شناختهشدهترند و در اینجا آنها را توضیح خواهیم داد.
معیار A. کاساگرانده
این معیار بر ترکیب دانهبندی خاک مبتنی است و به این صورت بیان میشود:
الف) در خاک با ترکیب یکنواخت، که درجه ناهمگنی آن U < 5 است، خاک در برابر یخبندان خطرناک است اگر بیش از 10% دانه با اندازهای کمتر از 0,02 mm داشته باشد.
b) در خاک با ترکیب نامنظم، که درجه نامنظمی آن U > 15 است، خاک در برابر یخبندان خطرناک است اگر بیش از 3% دانههایی با اندازه کمتر از 0,02 mm داشته باشد.
هرچند این معیار مدتها به کار گرفته میشد و همواره نتایج قابل اعتمادی میداد، ایراد آن این است که فقط بر دانهبندی خاک متکی است و سایر عوامل مؤثر بر اثر یخبندان در خاک را در نظر نمیگیرد. از این رو امروزه این معیار بیش از حد سختگیرانه و غیراقتصادی تلقی میشود.
معیار روکلیِف
به این روش، خاک بر حسب سفتی ذرات جامد به دو فراکسیون تقسیم میشود: فراکسیون دانهدرشت، با دانههای دارای قطر d > 2 mm و فراکسیون دانهریز، با دانههای دارای قطر d < 2 mm. برای ارزیابی پایداری خاک در برابر یخزدگی، وابستگی مقدار فراکسیون دانهریز به مقدار فراکسیون دانهدرشت برقرار میشود و این وابستگی با حد پایین و حد بالا داده شده است (شکل 1).
حد پایین، بیشترین درصد مجاز ذرات سخت با قطر d < 0,02 mm از وزن خشک پرکننده، یعنی فراکسیون 0-2 mm را نشان میدهد، که در آن عملاً هیچ خسارتی بر اثر یخزدگی در شرایط نامساعد، مانند بالا بودن سطح آب زیرزمینی، شرایط نامطلوب اقلیمی (یخبندانهای طولانی) و رطوبت طبیعی زیاد خاک، رخ نمیدهد.
حد بالایی، بیشترین درصد مجاز ذرات d < 0,02 mm از وزن خشکِ بخش دانهریز است که در آن، در شرایط مساعدی مانند پایین بودن سطح آب زیرزمینی، شرایط اقلیمی مناسب (یخبندانهای کوتاهمدت) و رطوبت طبیعی کمِ خاک، عملاً هیچگونه خسارتی ناشی از یخزدگی رخ نمیدهد.
شکل 1 حد پایین و بالای ارزیابی خطر یخزدگی خاک بر اساس معیار Ruklie
حفاظت در برابر اثر یخبندان در خاک
عمق اثر یخبندان در خاک به شرایط اقلیمی منطقه بستگی دارد. در کشور ما این عمق عمدتاً 0,8 تا 1,0 m زیر سطح زمین است. بنابراین سازههایی که در عمقی برابر یا بیشتر از 1,0 m پیریزی شوند، تحت تأثیر یخبندان قرار نخواهند گرفت.
سازههای کمعمقِ پیگذاریشده، مانند روسازی راهها، در معرض اثر یخزدگی قرار دارند که میتواند چه هنگام یخبستن و چه هنگام ذوب شدن، تغییر شکلها و آسیبهای بیشتری در روسازی ایجاد کند. ازاینرو، هنگام اجرای روسازی راهها و باندهای فرود و برخاست در فرودگاهها، لازم است خاک از نظر اثر یخزدگی بررسی شود و در صورتی که بستر خاک در برابر یخزدگی خطرناک باشد، باید تدابیر حفاظتی اتخاذ گردد. در روسازی راهها و فرودگاهها، مؤثرترین اقدام اجرای لایهٔ زیرسازی است که ضخامت آن بهگونهای تعیین میشود که ضخامت کلی روسازی و لایهٔ زیرسازی از 0,80 m برای ترافیک سنگین تا 0,60 m برای ترافیک سبک باشد. معمولاً ضخامت لایهٔ زیرسازی 0,30 m زیر روسازی، حفاظتی کافی در برابر اثر یخزدگی به شمار میرود.
ماده مورد استفاده برای ساخت لایه زیرسازی معمولاً ماسه یا شن ماسهای است که باید شرایط زیر را برآورده کند:
شاخص خمیری IP < 5
مقدار جزء d < 0,02 mm کمتر از 3%
درجهٔ نابرابری U > 7.
بخش بالاییِ لایهٔ بالشتکی به ضخامت 20 cm نباید ماسهٔ یکنواخت و دانهریز باشد، زیرا تراکمِ کافی و ظرفیتِ باربریِ محدودی دارد. در این بخش، لایهٔ بالشتکی باید از شنِ ماسهای با 30-70% درصد دانههایی به اندازهٔ 2-30 mm باشد. دانههای بزرگتر از 30 mm توصیه نمیشوند.
دیوارهای محوطهکشی با پی کمعمق نیز تحت تأثیر یخزدگی در خاک قرار میگیرند، و در نتیجه کج میشوند که با تکرار اثر یخزدگی در گذر زمان به واژگونی و فرو ریختن آنها میانجامد. از این رو، اگر خاک در معرض خطر یخبندان باشد، باید این دیوارها را در عمق 1,0 m پیریزی کرد.