Deformacións do solo baixo a acción do xeo
Baixo a acción do xeado, a auga libre sen fluxo conxélase a 0°C e ao facelo expándese ata 9% do seu volume. Porén, a auga en tubos capilares estreitos non se conxela a 0°C, senón a temperaturas máis baixas, que oscilan entre -1°C e -78°C. Esta última temperatura de conxelación foi determinada mediante ensaios de laboratorio en América. Canto máis estreito sexa o tubo capilar, máis baixa será a temperatura de conxelación.
No solo existen poros que están conectados entre si en todas as direccións e forman canles capilares. Na area os poros son grandes e forman canles capilares amplas, nas que a auga conxélase a 0°C ou a unha temperatura algo inferior. A auga conxélase de maneira uniforme, formando nos poros cristais de xeo, cuxo aumento de volume do 9% non provoca ningunha deformación significativa do solo. Nos solos de gran fino os poros son máis pequenos e forman canles capilares estreitas nas que a auga conxélase a temperaturas inferiores a 0°C. Porén, na capa superficial o solo é sempre máis solto, con poros maiores, nos que a auga conxélase a 0°C e forma cristais de xeo. Estes cristais atraen cara a si a auga arrefriada dos poros estreitos cunha gran forza, a chamada forza de cristalización. Cando a auga así atraída entra en contacto cos cristais de xeo e ela mesma se conxela, aumenta o volume dos cristais de xeo, que pasan a ser lentes de xeo, cuxo espesor pode ser duns 0,1 a 10 mm. As lentes de xeo formadas provocan unha deformación considerable do solo durante a acción da xeada, que en condicións especialmente desfavorables pode chegar a 30 e 50 cm.
A aparición e a magnitude da deformación do solo debido á acción da xeada dependen principalmente dos seguintes 3 factores:
-
Nivel da auga subterránea
-
Duración da xeada.
Ad 1) No que respecta á composición granulométrica, o maior efecto da xeada dáse nos solos de gran fino, cuxos poros son o bastante pequenos para formar estreitos tubos capilares, e ao mesmo tempo teñen unha permeabilidade suficientemente grande, que permite unha rápida circulación da auga durante a acción da xeada. Este tipo de solo é o máis sensible á xeada, tanto no que atinxe á velocidade de aparición coma á magnitude das deformacións. Trátase de solos limosos, formados principalmente por grans de tamaño 0,02-0,002 mm. Os grans de tamaño >0,02 mm teñen unha altura de ascenso capilar pequena, mentres que os grans de tamaño < 0,002 mm teñen un ascenso capilar lento, polo que en ambos os casos, durante a xeada, só pode chegar unha pequena cantidade de auga á zona de acción da xeada. Se o solo arxiloso contén máis do 25% de partículas de tamaño < 0,002 mm, a permeabilidade do solo é moi baixa e a circulación da auga nos poros é tan lenta que esta xease nos poros antes de que os lentes de xeo poidan atraela.
Ad 2) Ademais das condicións relativas á composición granulométrica do solo, debe cumprirse aínda outra condición para que se produzan deformacións do solo polo xeado. Esta é que exista posibilidade de achega de auga á zona de acción do xeado. Se esta condición non se cumprise, é dicir, se os capilares do solo non estivesen en conexión coa auga que circulará continuamente por eles durante a acción do xeado, non se producirán deformacións polo xeado, sexa cal for a composición granulométrica do solo.
Canto máis alto é o nivel das augas subterráneas, maior é a posibilidade de deformacións do solo debidas á acción da xeada. Se o nivel das augas subterráneas está a unha profundidade maior ca a altura da ascensión capilar da auga do solo dado, as deformacións debidas á acción da xeada son insignificantes.
Ad 3) Canto máis longo sexa o período de duración continua do xeado, maiores serán as deformacións debidas ao xeado, pola formación de lentes máis grandes e numerosas. Un xeado forte e de curta duración provoca menores deformacións, porque nese caso prodúcese o conxelamento brusco da auga nos poros e a interrupción do fluxo capilar da auga. Pola contra, un xeado medio e de longa duración provoca maiores deformacións debido á formación sen obstáculos de lentes de xeo.
Efecto de desvacalgar
Durante o desconxelamento, primeiro deséanse as lentes de xeo na parte superior do chan superficial, mentres inmediatamente debaixo permanece a capa conxelada e, polo tanto, tamén impermeable. Como as lentes de xeo desxeadas producen unha gran cantidade de auga, que non pode infiltrarse a través da capa inferior conxelada, esa cantidade aumentada de auga na capa superficial satura o chan e convérteo nunha masa líquida, que non ten ningunha firmeza, senón que baixo presión é empuxada lateralmente. As deformacións do chan debidas ao efecto do desconxelamento poden ser considerables e, nalgúns casos, perigosas. Estas deformacións son frecuentes en cortes de vías férreas e estradas, onde na primavera se produce un deslizamento parcial de taludes pola saturación do chan coa auga procedente das lentes de xeo desxeadas, así como nas estradas cuxos pavimentos se deforman baixo o tráfico sobre un chan que perdeu a súa capacidade portante pola saturación de auga.
Criterio para avaliar o efecto do xeo no solo
Co estudo do efecto da xeada sobre diversos tipos de solo chegouse á conclusión de que, no relativo ao comportamento fronte á xeada, hai que distinguir dous tipos de solo: seguros e perigosos fronte á xeada.
Os solos seguros contra a xeada son aqueles nos que non se forman lentes de xeo, por moito que dure o período de xeadas. Neste tipo de solo só se produce a conxelación da auga nos seus poros e a formación de cristais de xeo, con deformacións insignificantes baixo a acción da xeada. A este grupo pertencen a grava, a area e solos semellantes.
Os solos perigosos fronte ao xeo son aqueles nos que se forman lentes de xeo, como consecuencia do cal poden producirse maiores deformacións. A auga acumulada na capa superficial en forma de lentes de xeo durante a acción do xeo produce tamén o efecto de desconxelamento. A este grupo pertencen determinados solos limoso-arxilosos e, especialmente, os solos limosos.
Existen varios criterios para avaliar a resistencia do solo ao xeo, entre os que os máis coñecidos son os criterios de Arthur Casagrande e de Rukli, que describiremos aquí.
Criterio de A. Casagrande
Este criterio baséase na composición granulométrica do chan e di así:
a) No caso de solo de composición uniforme, cuxo grao de non uniformidade U < 5, o solo é perigoso fronte ao xeo se contén máis do 10% de grans de tamaño inferior a 0,02 mm.
b) Nos solos de composición desigual, cuxo grao de desigualdade U > 15, o solo é perigoso fronte ao xeo se contén máis de 3% de grans de tamaño inferior a 0,02 mm.
Aínda que este criterio se aplicou durante moito tempo e sempre deu resultados fiables, o seu defecto é que se basea só na granulometría do solo e non ten en conta outros factores que inflúen na acción do xeo no solo. Por iso hoxe se considera que este criterio é demasiado estrito e antieconómico.
Criterio de Rukliev
Segundo este método, o solo divídese en dúas fraccións segundo a rixidez das partículas sólidas: a fracción grosa, de grans con diámetro d > 2 mm, e a fracción fina, de grans con diámetro d < 2 mm. Para avaliar a resistencia do solo fronte ao xeo, establécese a relación entre a cantidade de fracción fina e a cantidade de fracción grosa, e esta relación vén dada polo límite inferior e polo límite superior (fig. 1).
O límite inferior representa a porcentaxe máxima permitida de partículas sólidas de diámetro d < 0,02 mm respecto do peso seco do recheo, é dicir, da fracción 0-2 mm, para a cal practicamente non se producen danos por xeada en condicións desfavorables, como un alto nivel da capa freática, condicións climáticas desfavorables (xeadas prolongadas) e unha elevada humidade natural do solo.
O límite superior representa a porcentaxe máxima permitida de partículas d < 0,02 mm do peso seco da fracción fina, na que practicamente non se producen danos por xeada en condicións favorables, como un nivel freático baixo, condicións climáticas favorables (xeadas de curta duración) e unha baixa humidade natural do solo.
Fig. 1 Límite inferior e superior para a avaliación do perigo de xeada no solo segundo o criterio de Rukliew
Protección contra a acción da xeada no solo
A profundidade de acción do xeo no solo depende das condicións climáticas da zona. No noso país sitúase maioritariamente entre 0,8 e 1,0 m por debaixo da superficie do terreo. Polo tanto, as estruturas cimentadas a unha profundidade igual ou superior a 1,0 m non estarán sometidas á acción do xeo.
As estruturas de cimentación superficial, como as superficies de rodaxe nas estradas, están expostas á acción do xeo, que pode producir deformacións e danos maiores na calzada, tanto durante a conxelación como durante o desconxelamento. Por iso, na execución de calzadas en estradas e de pistas de aterraxe e despegue en aeroportos, é necesario examinar o solo respecto da acción do xeo e, no caso de que o terreo de cimentación sexa perigoso fronte ao xeo, débense adoptar medidas de protección. Nas calzadas de estradas e aeroportos, a medida máis eficaz é a execución dunha capa de base, cuxa espesor se determina de maneira que o espesor total da calzada e da capa de base sexa 0,80 m para tráfico pesado ata 0,60 m para tráfico lixeiro. Na maioría dos casos, un espesor da capa de base de 0,30 m baixo a calzada é unha protección suficiente contra a acción do xeo.
O material para a execución da capa de subbase é normalmente area ou grava areosa, que debe cumprir os seguintes requisitos:
Índice de plasticidade IP < 5
Contido da fracción d < 0,02 mm inferior a 3%
Grao de non uniformidade U > 7.
A parte superior da capa de recheo, cun espesor de 20 cm, non debe ser area homoxénea e de gran fino debido á súa insuficiente compactación e á capacidade portante limitada. Nesta parte, a capa de recheo debe ser grava areosa con 30-70% de grans de tamaño 2-30 mm. Non se recomendan grans maiores de 30 mm.
Os muros de cerramento pouco profundos tamén están sometidos á acción do xeo no chan, polo que se inclinan, o que, coa acción repetida do xeo ao longo do tempo, leva ao seu derrubamento e ruína. Por iso estes muros deben cimentarse a unha profundidade de 1,0 m, se o terreo é susceptible ao xeado.