A fagy hatására bekövetkező talajdeformációk
Fagy hatására a pangó szabad víz 0°C fagy meg, és eközben 9% térfogattal tágul. A keskeny kapilláris csövekben lévő víz azonban nem 0°C fagy meg, hanem alacsonyabb hőmérsékleten, amelyek -1°C és -78°C között mozognak. Ezt az utóbbi fagyási hőmérsékletet Amerikában végzett laboratóriumi vizsgálatok állapították meg. Minél szűkebb a kapilláris cső, annál alacsonyabb a fagyási hőmérséklet.
A talajban olyan pórusok vannak, amelyek minden irányban össze vannak kapcsolva, és kapilláris csöveket alkotnak. A homokban a pórusok nagyok és széles kapilláris csöveket alkotnak, amelyekben a víz 0°C-on vagy valamivel alacsonyabb hőmérsékleten fagy meg. A víz egyenletesen fagy meg, miközben a pórusokban jégkristályok képződnek, amelyek térfogatnövekedése 9% nem okoz jelentősebb talajdeformációt. A finomszemcsés talajban a pórusok kisebbek és szűk kapilláris csöveket alkotnak, amelyekben a víz 0°C alatti hőmérsékleten fagy meg. A felszíni rétegben azonban a talaj mindig lazább, nagyobb pórusokkal, amelyekben a víz 0°C-on fagy meg, és jégkristályokat hoz létre. Ezek a kristályok nagy erővel magukhoz vonzzák a lehűlt vizet a szűk pórusokból, az ún. kristályosodási erővel. Amikor az így odavonzott víz érintkezésbe kerül a jégkristályokkal, maga is megfagy, növelve a jégkristályok térfogatát, amelyek jéglencsékké válnak, és vastagságuk körülbelül 0,1 és 10 mm között lehet. A kialakult jéglencsék a fagy hatása alatt jelentős talajdeformációt okoznak, amely különösen kedvezőtlen körülmények között akár 30 és 50 cm is lehet.
A fagy hatására bekövetkező talajdeformáció megjelenése és mértéke főként a következő 3 tényezőtől függ:
-
Talajvízszint
-
A fagy időtartama.
Ad 1) A szemcseösszetétel szempontjából a fagy legnagyobb hatása a finomszemcsés talajoknál jelentkezik, amelyek pórusai elég kicsik ahhoz, hogy keskeny kapilláris csöveket alkossanak, ugyanakkor kellően nagy a vízáteresztő képességük, ami lehetővé teszi a víz gyors cirkulációját a fagy hatása idején. Az ilyen talaj a fagyra a legérzékenyebb, mind a fellépés sebessége, mind az alakváltozások mértéke tekintetében. Ezek a poros talajok, amelyek főként 0,02-0,002 mm nagyságú szemcsékből állnak. A >0,02 mm nagyságú szemcsék kapilláris emelkedése alacsony, míg a < 0,002 mm nagyságú szemcsék kapilláris emelkedése lassú, így mindkét esetben a fagy tartama alatt csak kevés víz juthat el a fagyhatás zónájába. Ha az agyagos talaj több mint 25% olyan részecskét tartalmaz, amelyek mérete < 0,002 mm, a talaj vízáteresztő képessége nagyon kicsi, és a pórusokban a víz keringése olyan lassú, hogy ott még azelőtt megfagy, hogy a jéglencsék kialakulhatnának.
Ad 2) A talaj szemcseösszetételére vonatkozó feltétel mellett még egy további feltételnek is teljesülnie kell ahhoz, hogy a talaj fagy miatti deformációi létrejöjjenek. Ez az, hogy legyen lehetőség vízutánpótlásra a fagy hatási zónájába. Ha ez a feltétel nem teljesülne, vagyis ha a talaj kapillárisai nem állnának kapcsolatban azzal a vízzel, amely a fagy hatása idején folyamatosan áramlik bennük, akkor fagy okozta deformáció nem következik be, bármilyen legyen is a talaj szemcseösszetétele.
Minél magasabb a talajvízszint, annál nagyobb a fagyhatás miatti talajdeformációk lehetősége. Ha a talajvízszint nagyobb mélységben van, mint az adott talaj vízkapilláris emelkedési magassága, a fagyhatás miatti deformációk jelentéktelenek.
Ad 3) Minél hosszabb a fagy megszakítás nélküli időtartama, annál nagyobbak a fagy okozta deformációk, a nagyobb és számosabb lencsék képződése miatt. Az erős és rövid ideig tartó fagy kisebb deformációkat okoz, mert ilyenkor a pórusokban lévő víz hirtelen megfagy, és megszakad a víz kapilláris áramlása. Ezzel szemben a közepes és hosszan tartó fagy nagyobb deformációkat idéz elő a jéglencsék zavartalan képződése miatt.
A korhadásmentesítés hatása
Felengedéskor először a felszíni talaj felső részében olvadnak el a jéglencsék, közvetlenül alatta azonban megmarad a fagyott, tehát vízzáró réteg. Mivel az elolvadt jéglencsék nagy mennyiségű vizet adnak, amely nem tud beszivárogni az alsó, fagyott rétegen keresztül, ez a megnövekedett vízmennyiség a felszíni rétegben túltelíti a talajt, és folyékony masszává alakítja, amelynek nincs szilárdsága, hanem nyomás alatt oldalirányban kinyomódik. A felengedés hatására bekövetkező talajdeformációk jelentősek lehetnek, és bizonyos esetekben veszélyesek is. Ezek a deformációk gyakoriak vasútvonalak és utak bevágásainál, ahol tavasszal a talajnak az elolvadt jéglencsékből származó vízzel való túltelítődése miatt a rézsűk részben megcsúsznak, valamint olyan utakon is, որոնց burkolata a forgalom hatására azon a talajon deformálódik, amely vízzel való túltelítődése miatt elvesztette teherbírását.
A fagy talajra gyakorolt hatásának értékelési kritériuma
A fagy különböző talajtípusokra gyakorolt hatásának vizsgálata alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a fagyviselkedés szempontjából kétféle talajt kell megkülönböztetni: fagyálló és fagyra érzékeny talajt.
A fagyálló talajok azok, amelyekben nem képződnek jéglencsék, bármilyen hosszú is a fagy tartama. Az ilyen talajfajtáknál csak a pórusokban lévő víz fagy meg, és jégkristályok képződnek, a fagy hatására csekély alakváltozással. Ebbe a csoportba tartozik a kavics, a homok és hasonló talajok.
Fagyveszélyes talajok azok, amelyekben jéglencsék képződnek, aminek következtében nagyobb alakváltozások keletkezhetnek. A felszíni rétegben felhalmozódott víz jéglencsék formájában fagyhatás idején felengedési hatást is kifejt. Ebbe a csoportba bizonyos poros-agyagos, különösen pedig poros talajok tartoznak.
A fagyállóság megítélésére több kritérium is létezik, ezek közül a legismertebbek Arthur Casagrande és Rukli kritériumai, amelyeket itt ismertetünk.
Casagrande A. kritériuma
Ez a kritérium a talaj szemeloszlásán alapul, és így szól:
a) Egyenletes összetételű talajnál, amelynek egyenetlenségi foka U < 5, a talaj fagyérzékeny, ha több mint 10% szemcsét tartalmaz 0,02 mm alatti szemcsemérettel.
b) Egyenetlen összetételű talaj esetén, amelynek egyenetlenségi foka U > 15, a talaj fagyveszélyes, ha több mint 3% mennyiségben tartalmaz 0,02 mm alatti szemcséket.
Bár ezt a kritériumot hosszú időn át alkalmazták, és mindig megbízható eredményeket adott, hátránya, hogy kizárólag a talaj szemeloszlásán alapul, és nem veszi figyelembe a fagy talajra gyakorolt hatására befolyást gyakorló egyéb tényezőket sem. Ezért ma már úgy tekintik, hogy ez a kritérium túlságosan szigorú és nem gazdaságos.
Rukliev-kritérium
E módszer szerint a talajt a szilárd szemcsék tömörsége alapján két frakcióra osztják, nevezetesen a nagy szemcséjű frakcióra, d > 2 mm szemcseátmérővel, és a finom szemcséjű frakcióra, d < 2 mm szemcseátmérővel. A talaj fagyállóságának értékelésére a finom szemcséjű frakció mennyiségének a nagy szemcséjű frakció mennyiségéhez viszonyított összefüggését állítjuk fel, és ezt az összefüggést alsó és felső határ adja meg (ábr. 1).
Az alsó határ az d < 0,02 mm átmérőjű szilárd szemcsék maximálisan megengedett százalékos aránya a feltöltés száraz tömegéhez viszonyítva, azaz a 0-2 mm frakcióé, amelynél kedvezőtlen körülmények között, például magas talajvízszint, kedvezőtlen éghajlati viszonyok (hosszan tartó fagyok) és a talaj nagy természetes nedvességtartalma esetén gyakorlatilag semmilyen fagy okozta kár nem keletkezik.
A felső határ a d < 0,02 mm részecskék legnagyobb megengedett százalékos arányát jelenti a finomszemcsés frakció száraz tömegére vetítve, amelynél kedvező feltételek mellett – például alacsony talajvízszint, kedvező éghajlati viszonyok (rövid idejű fagyok) és a talaj csekély természetes nedvességtartalma esetén – gyakorlatilag semmilyen fagy okozta károsodás nem lép fel.
Ábra 1 A talaj fagyveszélyének alsó és felső határa a Ruklie-kritérium szerint
A fagy hatása elleni védelem a talajban
A fagy hatásának mélysége a talajban a vidék éghajlati viszonyaitól függ. Hazánkban ez túlnyomórészt 0,8 és 1,0 m m között van a terepszint alatt. Ennek megfelelően az 1,0 m mélységben vagy annál nagyobb mélységben alapozott szerkezetekre a fagy nem hat.
A sekélyen alapozott szerkezetek, mint például az útpályák, ki vannak téve a fagy hatásának, amely a pályaszerkezetben a fagyáskor és az olvadáskor is nagyobb alakváltozásokat és károkat okozhat. Ezért utak és repülőtéri fel- és leszállópályák pályaszerkezetének készítésekor a talajt a fagyhatás szempontjából meg kell vizsgálni, és ha az altalaj fagyérzékeny, védelmi intézkedéseket kell tenni. Utak és repülőterek pályaszerkezeténél a leghatékonyabb intézkedés az alépítményi réteg készítése, amelynek vastagságát úgy kell meghatározni, hogy a pályaszerkezet és az alépítményi réteg összvastagsága 0,80 m legyen a nehéz forgalom esetén, és 0,60 m a könnyű forgalom esetén. Leggyakrabban a pályaszerkezet alatt 0,30 m vastag alépítményi réteg elegendő védelmet nyújt a fagy hatásával szemben.
A homokágy réteg készítéséhez használt anyag általában homok vagy homokos kavics, amelynek a következő feltételeknek kell megfelelnie:
A képlékenységi index IP < 5
A d frakció tartalma < 0,02 mm kisebb mint 3%
Az egyenetlenségi fok U > 7.
A párnaréteg felső részének 20 cm vastagságban nem szabad egyenletes, finomszemcsés homoknak lennie a nem megfelelő tömörség és a korlátozott teherbírás miatt. Ebben a részben a párnarétegnek 30-70% szemcseméretű 2-30 mm homokos kavicsból kell állnia. A 30 mm-nél nagyobb szemcsék nem ajánlottak.
A sekélyen alapozott kerítőfalakat szintén éri a talajfagy hatása, amelynek következtében megdőlnek, és ismétlődő fagyhatás esetén idővel felborulnak és leomlanak. Ezért ezeket a falakat 1,0 m mélységre kell alapozni, ha a talaj fagyveszélyes.