Deformacije tla uslijed djelovanja mraza
Pri djelovanju mraza slobodna voda bez strujanja smrzava se na 0°C i pritom se širi za 9% svojega obujma. Međutim, voda u uskim kapilarnim cjevčicama ne smrzava se na 0°C, nego na nižim temperaturama, koje se kreću od -1°C do -78°C. Ta posljednja temperatura smrzavanja utvrđena je laboratorijskim ispitivanjima u Americi. Što je kapilarna cjevčica uža, to je temperatura smrzavanja niža.
U tlu postoje pore koje su međusobno povezane u svim smjerovima i obrazuju kapilarne cijevi. U pijesku su pore krupne i obrazuju široke kapilarne cijevi, u kojima se voda mrzne na 0°C ili na nešto nižoj temperaturi. Voda se mrzne ravnomjerno, pri čemu se u porama obrazuju ledeni kristali, čije povećanje volumena od 9% ne uzrokuje nikakve značajnije deformacije tla. U tlu sitnozrnate građe pore su sitnije i obrazuju uske kapilarne cijevi u kojima se voda mrzne na temperaturama nižim od 0°C. Međutim, u površinskom sloju tlo je uvijek rahlije s krupnijim porama, u kojima se voda mrzne na 0°C i obrazuje ledene kristale. Ovi kristali privlače k sebi ohlađenu vodu iz uskih pora velikom snagom, tzv. kristalizacionom silom. Kada tako privučena voda dođe u dodir s ledenim kristalima i sama se zaledi povećavajući volumen ledenih kristala, oni postaju ledena sočiva, čija debljina može biti oko 0,1 do 10 mm. Obrazovana ledena sočiva uzrokuju znatnu deformaciju tla za vrijeme djelovanja mraza, koja pri osobito nepovoljnim okolnostima može ići do 30 i 50 cm.
Pojava i veličina deformacije tla uslijed djelovanja mraza ovisi uglavnom od sljedeća 3 faktora:
-
Razina podzemne vode
-
Trajanje mraza.
Ad 1) S obzirom na granulometrijski sastav, najveće djelovanje mraza je kod sitnozrnatog tla, čije su pore dovoljno sitne da obrazuju uske kapilarne cijevi, a istodobno ima dovoljno veliku propusnost, koja omogućuje brzu cirkulaciju vode za vrijeme djelovanja mraza. Takvo je tlo najosjetljivije na mraz, kako s obzirom na brzinu pojave tako i s obzirom na veličinu deformacija. To su prašinasta tla, koja se sastoje pretežno od zrna veličine 0,02-0,002 mm. Zrna veličine >0,02 mm imaju malu visinu kapilarnog penjanja, dok zrna veličine < 0,002 mm imaju sporo kapilarno penjanje, tako da u oba slučaja za vrijeme trajanja mraza može dospjeti samo manja količina vode u zonu djelovanja mraza. Ako glinovito tlo sadrži preko 25% čestica veličine < 0,002 mm, propusnost tla je vrlo mala i cirkulacija vode u porama je tako spora da se ona u porama prije smrzne nego što je ledena leća mogu privući.
Ad 2) Osim uvjeta u pogledu granulometrijskog sastava tla mora biti ispunjen još jedan uvjet da bi došlo do deformacija tla na mrazu. To je da postoji mogućnost dopremanja vode u zonu djelovanja mraza. Ako ovaj uvjet ne bi bio ispunjen, tj. ako kapilare tla ne bi bile u vezi s vodom koja će stalno strujati kroz njih za vrijeme djelovanja mraza, neće doći do deformacija na mrazu, ma kakav bio granulometrijski sastav tla.
Što je razina podzemne vode viša, to je veća mogućnost deformacija tla uslijed djelovanja mraza. Ako je razina podzemne vode na većoj dubini nego što je visina kapilarnog uspona vode danog tla, deformacije uslijed djelovanja mraza su neznatne.
Ad 3) Ukoliko je vremenski period neprekidnog trajanja mraza duži, utoliko su deformacije uslijed mraza veće, zbog stvaranja većih i brojnijih sočiva. Jak i kratkotrajan mraz izaziva manje deformacije, jer u tom slučaju nastaje naglo smrzavanje vode u porama i prekid kapilarnog strujanja vode. Naprotiv, srednji i dugotrajan mraz izaziva veće deformacije zbog neometanog stvaranja ledenih sočiva.
Djelovanje otkravljivanja
Prilikom otkravljivanja, najprije se otope ledena sočiva u gornjem dijelu površinskog tla, dok odmah ispod njega ostaje smrznut, pa prema tome i nepropustan sloj. Budući da otopljena ledena sočiva daju veliku količinu vode, koja ne može prodrijeti kroz smrznuti niži sloj, ta povećana količina vode u površinskom sloju prezasićuje tlo i stvara od njega tečnu masu, koja nema nikakvu čvrstoću, nego se pod tlakom bočno istiskuje. Deformacije tla uslijed djelovanja otkravljivanja mogu biti znatne i u određenim slučajevima opasne. Ove deformacije česte su kod usjeka na željezničkim prugama i cestama, gdje u proljeće dolazi do djelomičnog klizanja kosina uslijed prezasićenosti tla vodom od otopljenih ledenih sočiva, kao i na cestama, čiji se kolnici pod prometom deformiraju na tlu koje je izgubilo nosivost uslijed prezasićenosti vodom.
Kriterij za ocjenjivanje djelovanja mraza na tlo
Proučavanjem djelovanja mraza na razne vrste tla došlo se do zaključka da s obzirom na ponašanje na mrazu treba razlikovati dvije vrste tla: sigurna i opasna na mrazu.
Tla sigurna na mraz su ona kod kojih se ne stvaraju ledene leće, ma koliko dugo trajalo djelovanje mraza. Kod ove vrste tla dolazi samo do smrzavanja vode u njihovim porama i stvaranja ledenih kristala, s neznatnim deformacijama pri djelovanju mraza. U ovu skupinu spadaju šljunak, pijesak i slična tla.
Tla opasna od mraza su ona kod kojih nastaju ledene leće, uslijed čega mogu nastati veće deformacije. Nagomilana voda u površinskom sloju u obliku ledenih leća za vrijeme djelovanja mraza proizvodi također i djelovanje odmrzavanja. U ovu grupu spadaju određena prašinasto-glinovita, a osobito prašinasta tla.
Postoji više kriterija za ocjenu postojanosti tla na mraz, među kojima su najpoznatiji kriteriji Arthura Casagrandea i Ruklia, koje ćemo ovdje opisati.
Kriterij A. Casagrandea
Ovaj kriterij temelji se na granulometrijskom sastavu tla i glasi:
a) Kod tla jednoličnog sastava, čiji je stupanj neujednačenosti U < 5, tlo je osjetljivo na mraz ako sadrži više od 10% zrna veličine ispod 0,02 mm.
b) Kod tla neravnomjernog sastava, čiji je stupanj neravnomjernosti U > 15, tlo je opasno na mrazu ako sadrži više od 3% zrna veličine ispod 0,02 mm.
Iako je ovaj kriterij dugo vremena primjenjivan i uvijek davao pouzdane rezultate, njegov nedostatak je što se temelji samo na granulaciji tla i ne uzima u obzir druge čimbenike koji utječu na djelovanje mraza u tlu. Zbog toga se danas smatra da je ovaj kriterij previše strog i neekonomičan.
Ruklijevljev kriterij
Prema ovoj metodi tlo se dijeli u dvije frakcije prema krupnoći čvrstih čestica, i to u krupnozrnatu frakciju, zrna promjera d > 2 mm i sitnozrnatu frakciju, zrna promjera d < 2 mm. Za ocjenu otpornosti tla na mraz postavlja se ovisnost količine sitnozrnate frakcije o količini krupnozrnate frakcije i ta je ovisnost dana donjom i gornjom granicom (sl. 1).
Donja granica predstavlja najveći dopušteni postotak čvrstih čestica promjera d < 0,02 mm od suhe težine ispune, tj. frakcije 0-2 mm, pri kojem ne nastaju praktično nikakve štete uslijed mraza pri nepovoljnim uvjetima, kao što su visoka razina podzemne vode, nepovoljni klimatski uvjeti (dugotrajni mrazevi) i velika prirodna vlažnost tla.
Gornja granica predstavlja najveći dopušteni postotak čestica d < 0,02 mm od suhe težine sitnozrnate frakcije pri kojem praktično ne nastaju nikakve štete od mraza u povoljnim uvjetima, kao što su niska razina podzemne vode, povoljni klimatski uvjeti (kratkotrajni mrazevi) i mala prirodna vlažnost tla.
Sl. 1 Donja i gornja granica za ocjenu opasnosti tla od mraza po Ruklievom kriteriju
Zaštita protiv djelovanja mraza u tlu
Dubina djelovanja mraza u tlu ovisi o klimatskim prilikama područja. U našoj zemlji ona je pretežno 0,8 do 1,0 m ispod površine terena. Prema tome, konstrukcije fundirane na dubini jednakoj ili većoj od 1,0 m neće biti pod djelovanjem mraza.
Plitko fundirane konstrukcije kao što su kolnici na cestama izloženi su djelovanju mraza, koje može prouzročiti veće deformacije i štete na kolniku, kako pri smrzavanju tako i pri otkravljivanju. Stoga je kod izrade kolnika na cestama i uzletno-sletnih staza na zračnim lukama potrebno ispitati tlo s obzirom na djelovanje mraza i, u slučaju kada je temeljno tlo opasno na mraz, treba poduzeti zaštitne mjere. Kod kolnika na cestama i zračnim lukama najdjelotvornija mjera je izrada tampon-sloja, čija se debljina određuje tako da ukupna debljina kolnika i tampon-sloja bude 0,80 m za teški promet do 0,60 m za laki promet. Najčešće je debljina tampon-sloja 0,30 m ispod kolnika dovoljna zaštita od djelovanja mraza.
Materijal za izradu tampon-sloja obično je pijesak ili pjeskoviti šljunak, koji treba zadovoljiti sljedeće uvjete:
Indeks plastičnosti IP je < 5
Sadržaj frakcije d < 0,02 mm manji od 3%
Stupanj nejednolikosti U > 7.
Gornji dio tampon-sloja u debljini od 20 cm ne smije biti jednoličan i sitnozrni pijesak zbog nedovoljne zbijenosti i ograničene nosivosti. U ovom dijelu tampon-sloj treba biti pjeskoviti šljunak sa 30-70% zrna veličine 2-30 mm. Zrna veća od 30 mm ne preporučuju se.
Plitko fundirani ogradni zidovi također su pod djelovanjem mraza u tlu, uslijed čega se naginju što pri ponavljanom djelovanju mraza tijekom vremena dovodi do njihova prevrnuća i rušenja. Zbog toga ove zidove treba fundirati na 1,0 m dubine, ako je tlo osjetljivo na mraz.