Maaperän muodonmuutokset pakkasen vaikutuksesta
Pakkasen vaikutuksesta seisova vapaa vesi jäätyy lämpötilassa 0°C ja laajenee samalla 9% tilavuudestaan. Kapeaissa kapillaariputkissa vesi ei kuitenkaan jäädy lämpötilassa 0°C, vaan alemmissa lämpötiloissa, jotka vaihtelevat -1°C:sta -78°C:ään. Tämä viimeinen jäätymislämpötila on määritetty laboratoriokokeilla Amerikassa. Mitä kapeampi kapillaariputki on, sitä alhaisempi on jäätymislämpötila.
Maassa on huokosia, jotka ovat yhteydessä toisiinsa kaikkiin suuntiin ja muodostavat kapillaariputkia. Hiekassa huokoset ovat suuria ja muodostavat leveitä kapillaariputkia, joissa vesi jäätyy 0°C tai hieman sitä alemmassa lämpötilassa. Vesi jäätyy tasaisesti, jolloin huokosiin muodostuu jääkiteitä, joiden tilavuuden kasvu 9% ei aiheuta merkittäviä maaperän muodonmuutoksia. Hienorakeisessa maassa huokoset ovat pienempiä ja muodostavat kapeita kapillaariputkia, joissa vesi jäätyy alle 0°C lämpötiloissa. Pintakerroksessa maaperä on kuitenkin aina löyhempää ja siinä on suurempia huokosia, joissa vesi jäätyy 0°C ja muodostaa jääkiteitä. Nämä kiteet vetävät puoleensa jäähtynyttä vettä kapeista huokosista suurella voimalla, niin sanotulla kiteytymisvoimalla. Kun näin vetäytynyt vesi joutuu kosketuksiin jääkiteiden kanssa ja jäätyy itsekin lisäten jääkiteiden tilavuutta, muodostuu jäälinssit, joiden paksuus voi olla noin 0,1–10 mm. Muodostuneet jäälinssit aiheuttavat huomattavaa maaperän muodonmuutosta pakkasen vaikutuksen aikana, mikä erityisen epäsuotuisissa olosuhteissa voi olla jopa 30 ja 50 cm.
Pakkasen aiheuttaman maaperän muodonmuutoksen esiintyminen ja suuruus riippuvat pääasiassa seuraavista 3 tekijästä:
-
Pohjaveden pinta
-
Pakkasen kesto.
Ad 1) Rakeisuusrakenteen osalta suurin pakkasvaikutus on hienorakeisessa maassa, jonka huokoset ovat riittävän pieniä muodostaakseen kapeita kapillaariputkia, ja samalla sillä on riittävän suuri läpäisevyys, joka mahdollistaa veden nopean kierron pakkasvaikutuksen aikana. Tällainen maa on herkin pakkaselle sekä esiintymisnopeuden että muodonmuutosten suuruuden kannalta. Näitä ovat silttimäiset maat, jotka koostuvat pääasiassa kooltaan 0,02-0,002 mm olevista rakeista. Koon >0,02 mm rakeilla on pieni kapillaarinen nousukorkeus, kun taas koon < 0,002 mm rakeilla kapillaarinen nousu on hidasta, joten molemmissa tapauksissa pakkasvyöhykkeelle voi pakkaskauden aikana päästä vain pieni määrä vettä. Jos savinen maa sisältää yli 25% hiukkasia, joiden koko on < 0,002 mm, maan läpäisevyys on hyvin pieni ja veden kierto huokosissa niin hidasta, että vesi jäätyy huokosissa ennen kuin jäälinssit ehtivät muodostua.
Ad 2) Maaperän raekoostumusta koskevan ehdon lisäksi on täytyttävä vielä yksi ehto, jotta maaperään syntyisi routamuodonmuutoksia. Sen on oltava mahdollista saada vettä routavaikutuksen alueelle. Jos tämä ehto ei täyttyisi, eli jos maaperän kapillaarit eivät olisi yhteydessä veteen, joka virtaisi niiden läpi jatkuvasti routavaikutuksen aikana, routamuodonmuutoksia ei syntyisi, olipa maaperän raekoostumus millainen tahansa.
Mitä korkeammalla pohjaveden pinta on, sitä suurempi on maaperän muodonmuutosten mahdollisuus pakkasen vaikutuksesta. Jos pohjaveden pinta on suuremmassa syvyydessä kuin kyseisen maan veden kapillaarisen nousun korkeus, pakkasen vaikutuksesta johtuvat muodonmuutokset ovat vähäisiä.
Ad 3) Mitä pidempi yhtäjaksoisen routajakson aika on, sitä suurempia ovat routimisesta aiheutuvat muodonmuutokset suurempien ja lukuisampien linssien muodostumisen vuoksi. Voimakas ja lyhytaikainen pakkanen aiheuttaa pienempiä muodonmuutoksia, sillä tällöin veden nopea jäätyminen huokosissa ja kapillaarisen vedenvirtauksen katkeaminen tapahtuvat äkillisesti. Sen sijaan keskivoimakas ja pitkäaikainen pakkanen aiheuttaa suurempia muodonmuutoksia jäälinssien esteettömän muodostumisen vuoksi.
Ottamisen vaikutus
Sulamisen aikana jäälinssit sulavat ensin pintamaan yläosassa, kun taas aivan sen alapuolelle jää jäätynyt ja siten myös vettä läpäisemätön kerros. Koska sulaneet jäälinssit tuottavat suuren määrän vettä, joka ei voi imeytyä jäätyneen alemman kerroksen läpi, tämä lisääntynyt vesimäärä pintakerroksessa kyllästää maan ja muodostaa siitä juoksevan massan, jolla ei ole lainkaan lujuutta, vaan joka puristuu sivulle paineen vaikutuksesta. Sulamisen vaikutuksesta aiheutuvat maaperän muodonmuutokset voivat olla merkittäviä ja tietyissä tapauksissa vaarallisia. Tällaisia muodonmuutoksia esiintyy usein rautateiden ja teiden leikkauksissa, joissa keväällä tapahtuu rinteiden osittaista luisumista sulaneiden jäälinssien vedellä kyllästämän maan vuoksi, sekä teillä, joiden ajoradat liikenteen vaikutuksesta deformoituvat maassa, joka on menettänyt kantavuutensa veden kyllästymisen vuoksi.
Kriteeri pakkasen vaikutuksen arvioimiseksi maaperään
Tutkimalla pakkasen vaikutusta erilaisiin maatyyppeihin on tultu siihen johtopäätökseen, että pakkaskäyttäytymisen kannalta on erotettava kahdenlaisia maita: varmoja ja pakkaselle alttiita.
Pakkaselta turvassa olevia maita ovat ne, joihin ei muodostu jäälinsssejä, olipa pakkasjakso kuinka pitkä tahansa. Tässä maatyypissä tapahtuu vain veden jäätymistä huokosissa ja jääkiteiden muodostumista, ja pakkasen vaikutuksesta syntyy vain vähäisiä muodonmuutoksia. Tähän ryhmään kuuluvat sora, hiekka ja vastaavat maat.
Pakkasherkkiä maita ovat ne, joihin muodostuu jäälinssit, minkä seurauksena voi syntyä suurempia muodonmuutoksia. Pintakerrokseen kertyvä vesi jäälinssien muodossa aiheuttaa pakkasen vaikutuksesta myös routanousua. Tähän ryhmään kuuluvat eräät hieta-savimaiset ja erityisesti hietamaat.
Maan routakestävyyden arvioimiseksi on useita kriteerejä, joista tunnetuimpia ovat Arthur Casagranden ja Ruklin kriteerit, jotka kuvaamme tässä.
A. Casagranden kriteeri
Tämä kriteeri perustuu maan rakeisuuteen ja kuuluu näin:
a) Kun kyseessä on tasakoosteinen maa, jonka epäyhtenäisyysaste U < 5, maa on routavaarallinen, jos siinä on yli 10% rakeita, joiden koko on alle 0,02 mm.
b) Eriarvoisesti rakeistetussa maassa, jonka epäyhtenäisyysaste U > 15, maa on routavaarallinen, jos se sisältää enemmän kuin 3% rakeita, joiden koko on alle 0,02 mm.
Vaikka tätä kriteeriä on sovellettu pitkään ja se on aina antanut luotettavia tuloksia, sen puute on, että se perustuu ainoastaan maaperän rakeisuuteen eikä ota huomioon muita tekijöitä, jotka vaikuttavat roudan vaikutukseen maaperässä. Siksi tämän kriteerin katsotaan nykyisin olevan liian ankara ja epätaloudellinen.
Ruklievin kriteeri
Tämän menetelmän mukaan maa jaetaan kovien hiukkasten jäykkyyden perusteella kahteen fraktioon, nimittäin karkeajakoiseen fraktioon, jonka rakeiden halkaisija d > 2 mm, ja hienojakoiseen fraktioon, jonka rakeiden halkaisija d < 2 mm. Maan pakkasenkestävyyden arvioimiseksi asetetaan yhteys hienojakoisen fraktion määrän ja karkeajakoisen fraktion määrän välille, ja tämä riippuvuus esitetään ala- ja ylärajalla (kuva 1).
Alaraja tarkoittaa suurinta sallittua kiinteiden hiukkasten prosenttiosuutta, joiden läpimitta on d < 0,02 mm, täytteen kuivapainosta eli fraktiosta 0-2 mm, jolla ei käytännössä aiheudu lainkaan pakkasvahinkoja epäsuotuisissa olosuhteissa, kuten korkealla pohjaveden pinnalla, epäedullisissa ilmasto-olosuhteissa (pitkittyneet pakkaset) ja maan suurella luonnollisella kosteudella.
Yläraja tarkoittaa suurinta sallittua osuutta hiukkasia d < 0,02 mm hienorakeisen fraktion kuivapainosta, jolla ei käytännössä aiheudu lainkaan routavaurioita suotuisissa olosuhteissa, kuten alhaisen pohjaveden tason, suotuisan ilmaston (lyhytaikaiset pakkasjaksot) ja maan vähäisen luonnollisen kosteuden vallitessa.
Kuva 1 Maaperän alaraja ja yläraja pakkasriskin arvioimiseksi Ruklievin kriteerin mukaan
Maan routavaikutusta vastaan annettava suoja
Pakkasen vaikutussyvyys maassa riippuu alueen ilmasto-olosuhteista. Maassamme se on pääosin 0,8–1,0 m maanpinnan alapuolella. Sen mukaan rakenteet, joiden perustamissyvyys on vähintään 1,0 m, eivät ole pakkasen vaikutuksen alaisia.
Matalaperusteiset rakenteet, kuten teiden päällysteet, ovat alttiina pakkasen vaikutuksille, jotka voivat aiheuttaa päällysteeseen suurempia muodonmuutoksia ja vaurioita sekä jäätymisvaiheessa että sulamisen aikana. Siksi teiden ja lentoasemien nousu- ja laskuteiden päällysteitä tehtäessä on tutkittava maa pakkasen vaikutuksen kannalta, ja jos perustamamaa on pakkasherkkää, on ryhdyttävä suojatoimiin. Teiden ja lentoasemien päällysteissä tehokkain toimenpide on kantavan kerroksen tekeminen, jonka paksuus määritetään siten, että päällysteen ja kantavan kerroksen kokonaispaksuus on 0,80 m raskasta liikennettä varten ja 0,60 m kevyttä liikennettä varten. Useimmiten kantavan kerroksen paksuus 0,30 m päällysteen alla riittää suojaamaan pakkasen vaikutuksilta.
Päällyskerroksen materiaalina käytetään tavallisesti hiekkaa tai hiekkamoreenia, joiden on täytettävä seuraavat vaatimukset:
Plastisuusindeksi IP < 5
Fraktion d < 0,02 mm pitoisuus on pienempi kuin 3%
Epätasaisuuden aste U > 7.
Pehmuste kerroksen yläosan, jonka paksuus on 20 cm, ei saa olla tasalaatuista ja hienorakeista hiekkaa riittämättömän tiivistymisen ja rajoitetun kantavuuden vuoksi. Tällä alueella pehmustekerroksen tulee olla hiekkamoreenia, jossa on 30-70% kokoisia rakeita 2-30 mm. Yli 30 mm kokoisia rakeita ei suositella.
Matalaperustaiset aitamuurit ovat myös maassa tapahtuvan pakkasen vaikutuksen alaisina, minkä vuoksi ne kallistuvat; toistuvan pakkasvaikutuksen myötä tämä johtaa ajan mittaan niiden kaatumiseen ja sortumiseen. Siksi nämä muurit on perustettava 1,0 m syvyyteen, jos maaperä on routaherkkä.