השפעת הכפור על הקרקע

דפורמציות הקרקע עקב פעולת הכפור

בעת פעולת כפור, מים חופשיים ללא זרימה קופאים ב-0°C ובתהליך זה מתרחבים ב-9% מנפחם. אולם מים בצינורות נימיים צרים אינם קופאים ב-0°C, אלא בטמפרטורות נמוכות יותר, הנעות בין -1°C ל- -78°C. טמפרטורת הקפיאה האחרונה נקבעה בניסויי מעבדה באמריקה. ככל שהצינור הנימי צר יותר, כך טמפרטורת הקפיאה נמוכה יותר.

בקרקע קיימות נקבוביות המחוברות זו לזו בכל הכיוונים ויוצרות צינורות נימיים. בחול הנקבוביות גדולות ויוצרות צינורות נימיים רחבים, שבהם המים קופאים ב־0°C או בטמפרטורה מעט נמוכה יותר. המים קופאים באופן אחיד, ובנקבוביות נוצרים גבישי קרח, שהגדלת נפחם ב־9% אינה גורמת לעיוותים משמעותיים של הקרקע. בקרקע בעלת הרכב גרגרי-דק הנקבוביות קטנות יותר ויוצרות צינורות נימיים צרים, שבהם המים קופאים בטמפרטורות נמוכות מ־0°C. אולם בשכבה העליונה הקרקע תמיד רופפת יותר, עם נקבוביות גדולות יותר, שבהן המים קופאים ב־0°C ויוצרים גבישי קרח. גבישים אלה מושכים אליהם מים שהתקררו מן הנקבוביות הצרות בכוח רב, הנקרא כוח התגבשות. כאשר המים שנמשכו כך באים במגע עם גבישי הקרח וקופאים אף הם, תוך הגדלת נפח גבישי הקרח, הם הופכים לעדשות קרח, שעוביין יכול להיות כ־0,1 עד 10 mm. עדשות הקרח שנוצרו גורמות לעיוות ניכר של הקרקע בעת פעולת הכפור, ובתנאים בלתי נוחים במיוחד הדבר יכול להגיע ל־30 ול־50 cm.

הופעת העיוות וגודלו של העיוות בקרקע עקב השפעת הכפור תלויים בעיקר בשלושת 3 הגורמים הבאים:

1. [הרכב הגרנולומטרי של הקרקע]

2. מפלס מי התהום

3. משך זמן הכפור.

Ad 1) מבחינת ההרכב הגרנולומטרי, ההשפעה הגדולה ביותר של הכפור היא בקרקע גרגרית עדינה, שנקבוביותיה קטנות מספיק כדי ליצור צינורות קפילריים צרים, ובו־בזמן יש לה חדירות גדולה מספיק, המאפשרת מחזור מהיר של מים בזמן השפעת הכפור. קרקע כזו היא הרגישה ביותר לכפור, הן מבחינת מהירות הופעתו והן מבחינת גודל העיוותים. אלו קרקעות אבקיות, המורכבות בעיקר מגרגרים בגודל 0,02-0,002 mm. לגרגרים בגודל >0,02 mm יש גובה עלייה קפילרית קטן, בעוד לגרגרים בגודל < 0,002 mm יש עלייה קפילרית איטית, כך שבשני המקרים במהלך תקופת הכפור יכולה להגיע רק כמות קטנה של מים אל אזור פעולת הכפור. אם קרקע חרסיתית מכילה מעל 25% חלקיקים בגודל < 0,002 mm, חדירות הקרקע קטנה מאוד ותנועת המים בנקבוביות איטית כל כך, שהם קופאים בנקבוביות עוד לפני שעדשות הקרח יכולות להימשך.

אד 2) מלבד התנאי בדבר ההרכב הגרנולומטרי של הקרקע, יש לקיים עוד תנאי אחד כדי שייגרמו עיוותי קרקע עקב כפור. והוא שקיימת אפשרות לאספקת מים אל אזור פעולת הכפור. אם תנאי זה לא יתקיים, כלומר אם נימי הקרקע לא יהיו בקשר עם מים שיזרמו בהם ללא הרף במשך פעולת הכפור, לא ייגרמו עיוותים עקב כפור, יהא אשר יהא ההרכב הגרנולומטרי של הקרקע.

ככל שמפלס מי התהום גבוה יותר, כך גדל הסיכוי לעיוותי קרקע עקב השפעת הכפור. אם מפלס מי התהום נמצא בעומק גדול יותר מגובה העלייה הנימית של המים בקרקע הנתונה, העיוותים עקב השפעת הכפור הם זניחים.

אד 3) ככל שתקופת הכפור הרציף ארוכה יותר, כך עיוותי הכפור גדולים יותר, בשל היווצרות עדשות קרח גדולות ורבות יותר. כפור חזק וקצר־מועד גורם לעיוותים קטנים יותר, משום שבמקרה זה מתרחשת הקפאה פתאומית של המים בנקבוביות ונפסק הזרם הנימי של המים. לעומת זאת, כפור בינוני וארוך־מועד גורם לעיוותים גדולים יותר בשל היווצרות חופשית של עדשות קרח.

השפעת הסרת החלב

במהלך הפשרת הכפור נמסות תחילה עדשות הקרח בחלק העליון של הקרקע העליונה, בעוד שמתחתיה נשארת שכבה קפואה, ולפיכך גם אטומה. מאחר שעדשות הקרח המומסות יוצרות כמות גדולה של מים, שאינה יכולה לחלחל דרך השכבה התחתונה הקפואה, כמות מים מוגברת זו בשכבה העליונה מרווה את הקרקע-יתר על המידה והופכת אותה למסה נוזלית, שאין לה כל חוזק, אלא היא נדחפת הצידה תחת לחץ. עיוותי קרקע עקב השפעת ההפשרה עלולים להיות ניכרים ובמקרים מסוימים מסוכנים. עיוותים אלה שכיחים בחפירות של מסילות ברזל וכבישים, שבהם באביב מתרחשת החלקה חלקית של המדרונות עקב רוויית יתר של הקרקע במים מעדשות הקרח המומסות, וכן בכבישים, שמסלולם מתעוות תחת תנועת כלי הרכב על קרקע שאיבדה את כושר הנשיאה שלה עקב רוויית מים.

קריטריון להערכת השפעת הכפור על הקרקע

מתוך חקר השפעת הכפור על סוגי קרקע שונים הוסקו המסקנה כי מבחינת ההתנהגות בכפור יש להבחין בין שני סוגי קרקע: בטוחות ו_מסוכנות בכפור_.

קרקעות בטוחות בפני כפור הן אלה שבהן לא נוצרים עדשות קרח, תהא משך הכפור אשר תהא. בסוג זה של קרקעות יש רק הקפאת המים שבנקבוביותיהן והיווצרות גבישי קרח, עם עיוותים זניחים בעת השפעת הכפור. לקבוצה זו שייכים חצץ, חול וקרקעות דומות.

קרקעות המסוכנות לכפור הן אלה שבהן נוצרים עדשות קרח, שבעקבותיהן עלולות להיווצר דפורמציות גדולות יותר. מים מצטברים בשכבת פני השטח בצורת עדשות קרח בעת פעולת הכפור גורמים גם להשפעת הפשרה. לקבוצה זו משתייכות קרקעות מסוימות סחופיות-חרסיתיות, ובייחוד קרקעות סחופיות.

קיימים כמה קריטריונים להערכת עמידות הקרקע בפני כפור, ובהם המוכרים ביותר הם הקריטריונים של ארתור קזגרנדה ושל רוקליה, שאותם נתאר כאן.

קריטריון א’ של Casagrande

קריטריון זה מבוסס על ההרכב הגרנולומטרי של הקרקע ונוסחו:

a) בקרקע בעלת הרכב אחיד, שמידת אי-ההומוגניות שלה U < 5, הקרקע מועדת לכפור אם היא מכילה יותר מ-10% גרגרים בגודל קטן מ-0,02 mm.

b) בקרקע בעלת הרכב לא אחיד, שמידת אי-ההאחידות שלה U > 15, הקרקע חשופה לנזקי כפור אם היא מכילה יותר מ-3% גרגרים בגודל קטן מ-0,02 mm.

אף כי קריטריון זה יושם במשך זמן רב ותמיד הניב תוצאות מהימנות, חסרונו הוא שהוא מבוסס רק על גרנולציית הקרקע ואינו מביא בחשבון גם גורמים אחרים המשפיעים על פעולת הכפור בקרקע. לפיכך נחשב כיום קריטריון זה מחמיר מדי ולא כלכלי.

קריטריון רוקלייב

לפי שיטה זו הקרקע מחולקת לשתי פרקציות לפי קשיות החלקיקים המוצקים, כלומר לפרקציה גסה, גרגרים בקוטר d > 2 mm ולפרקציה דקה, גרגרים בקוטר d < 2 mm. לצורך הערכת עמידות הקרקע לכפור נקבע התלות של כמות הפרקציה הדקה בכמות הפרקציה הגסה, ותלות זו נתונה בגבול התחתון והעליון (איור 1).

הגבול התחתון מייצג את האחוז המרבי המותר של חלקיקים מוצקים בקוטר d < 0,02 mm ממשקל המילוי היבש, כלומר של הפרקציה 0-2 mm, שבו כמעט לא נגרם כל נזק מכפור בתנאים לא נוחים, כגון מפלס גבוה של מי התהום, תנאי אקלים לא נוחים (כפור ממושך) ולחות טבעית גבוהה של הקרקע.

הגבול העליון מייצג את האחוז המרבי המותר של חלקיקים d < 0,02 mm ממשקל החומר היבש של הפלג הדק-גרגרי, שבערכו למעשה לא נגרמים נזקי כפור בתנאים נוחים, כגון מפלס מי תהום נמוך, תנאי אקלים נוחים (כפור קצר-מועד) ולחות טבעית נמוכה של הקרקע.

איור 1 הגבול התחתון והעליון להערכת סכנת הקרקע מפני קפיאה לפי קריטריון רוקליה

הגנה מפני השפעת הכפור בקרקע

עומק פעולת הכפור בקרקע תלוי בתנאי האקלים של האזור. בארצנו הוא ברובו 0,8 עד 1,0 m מתחת לפני הקרקע. לפיכך, מבנים שהיסוד שלהם בעומק השווה ל־1,0 m או גדול ממנו לא יהיו נתונים להשפעת הכפור.

מבנים בעלי יסוד רדוד, כגון מיסעות בכבישים, חשופים להשפעת כפור, העלולה לגרום לעיוותים ונזקים גדולים יותר למיסעה, הן בעת ההקפאה והן בעת ההפשרה. לכן, בעת ביצוע מיסעות בכבישים ובמסלולי המראה ונחיתה בשדות תעופה, יש לבדוק את הקרקע מבחינת השפעת הכפור, ובמקרה שהקרקע התשתיתית מועדת לנזקי כפור, יש לנקוט אמצעי הגנה. במיסעות בכבישים ובשדות תעופה האמצעי היעיל ביותר הוא ביצוע שכבת מצע, שעוביה נקבע כך שהעובי הכולל של המיסעה ושכבת המצע יהיה 0,80 m לתנועה כבדה ועד 0,60 m לתנועה קלה. לרוב, עובי שכבת המצע של 0,30 m מתחת למיסעה הוא הגנה מספקת מפני השפעת הכפור.

חומר לייצור שכבת התשתית הוא בדרך כלל חול או חצץ חולי, אשר צריך לעמוד בתנאים הבאים:

אינדקס הפלסטיות IP < 5

תכולת השבר d < 0,02 mm קטנה מ-3%

דרגת אי־האחידות U > 7.

החלק העליון של שכבת הריפוד בעובי 20 cm לא יכול להיות חול אחיד ודק-גרגר בשל דחיסה בלתי מספקת וכושר נשיאה מוגבל. בחלק זה שכבת הריפוד צריכה להיות חצץ חולי עם 30-70% גרגרים בגודל 2-30 mm. גרגרים גדולים מ-30 mm אינם מומלצים.

קירות גדר בעלי יסוד רדוד נתונים גם הם להשפעת הכפור בקרקע, שבעטיה הם נוטים, ולאחר השפעת כפור חוזרת במשך הזמן הדבר מוביל להתהפכותם ולקריסתם. לכן יש לייסד קירות אלה בעומק של 1,0 m, אם הקרקע מועדת לכפור.