Ցրտահարության ազդեցությունը հողի վրա

Հողի դեֆորմացիաները սառնամանիքի ազդեցության հետևանքով

Սառնամանիքի ազդեցության տակ հոսք չունեցող ազատ ջուրը սառչում է 0°C և այդ ընթացքում ընդլայնվում է իր ծավալի 9%-ով։ Սակայն նեղ մազանոթ խողովակներում ջուրը չի սառչում 0°C-ում, այլ ավելի ցածր ջերմաստիճաններում՝ սկսած -1°C-ից մինչև -78°C։ Սառեցման այս վերջին ջերմաստիճանը հաստատվել է Ամերիկայում կատարված լաբորատոր փորձերով։ Որքան նեղ է մազանոթ խողովակը, այնքան ցածր է սառեցման ջերմաստիճանը։

Հողում կան ծակոտիներ, որոնք միմյանց հետ կապված են բոլոր ուղղություններով և կազմում են մազանոթային խողովակներ։ Ավազում ծակոտիները խոշոր են և կազմում են լայն մազանոթային խողովակներ, որոնցում ջուրը սառչում է 0°C-ում կամ մի փոքր ավելի ցածր ջերմաստիճանում։ Ջուրը սառչում է հավասարաչափ, ընդ որում ծակոտիներում առաջանում են սառցե բյուրեղներ, որոնց ծավալի աճը 9%-ով հողի որևէ էական դեֆորմացիա չի առաջացնում։ Նուրբ հատիկավոր կազմ ունեցող հողում ծակոտիները ավելի փոքր են և կազմում են նեղ մազանոթային խողովակներ, որոնցում ջուրը սառչում է 0°C-ից ցածր ջերմաստիճաններում։ Սակայն մակերեսային շերտում հողը միշտ ավելի թուլացած է՝ ավելի խոշոր ծակոտիներով, որոնցում ջուրը սառչում է 0°C-ում և առաջացնում սառցե բյուրեղներ։ Այս բյուրեղները դեպի իրենց են ձգում նեղ ծակոտիներից սառը ջուրը մեծ ուժով, այսպես կոչված՝ բյուրեղացման ուժով։ Երբ այդպես ձգված ջուրը շփվում է սառցե բյուրեղների հետ և ինքն էլ սառչում է՝ մեծացնելով սառցե բյուրեղների ծավալը, որոնք դառնում են սառցե ոսպնյակներ, որոնց հաստությունը կարող է լինել մոտ 0,1-ից մինչև 10 mm։ Ձևավորված սառցե ոսպնյակները ցրտահարության ազդեցության ժամանակ առաջացնում են հողի զգալի դեֆորմացիա, որը հատկապես անբարենպաստ պայմաններում կարող է հասնել մինչև 30 և 50 cm։

Մառանի ազդեցությամբ հողի դեֆորմացիայի առաջացումը և մեծությունը հիմնականում կախված է հետևյալ 3 գործոններից՝

1. Հողի հատիկաչափական կազմ

2. Ստորգետնյա ջրի մակարդակ

3. Սառնամանիքի տևողությունը։

Ad 1) Հատիկաչափական կազմի առումով սառնամանիքի ամենամեծ ազդեցությունը նկատվում է մանրահատիկ հողերում, որոնց ծակոտիները բավական մանր են՝ նեղ մազանոթային խողովակներ ձևավորելու համար, և միաժամանակ ունեն բավարար թափանցելիություն, որը թույլ է տալիս ջրի արագ շրջանառությունը սառնամանիքի ազդեցության ընթացքում։ Այդպիսի հողն ամենազգայունն է սառնամանիքի նկատմամբ՝ թե առաջացման արագության, թե դեֆորմացիաների մեծության առումով։ Դրանք փոշանման հողերն են, որոնք հիմնականում բաղկացած են 0,02-0,002 mm չափի հատիկներից։ >0,02 mm չափի հատիկները ունեն մազանոթային բարձրացման փոքր բարձրություն, մինչդեռ < 0,002 mm չափի հատիկները ունեն դանդաղ մազանոթային բարձրացում, այնպես որ սառնամանիքի տևողության ընթացքում երկու դեպքում էլ սառեցման գոտի կարող է հասնել միայն ջրի փոքր քանակություն։ Եթե կավային հողը պարունակում է ավելի քան 25% < 0,002 mm չափի մասնիկներ, ապա հողի թափանցելիությունը շատ փոքր է, և ծակոտիներում ջրի շրջանառությունը այնքան դանդաղ է, որ այն ծակոտիներում ավելի շուտ է սառչում, քան սառցե ոսպնյակները կարող են ձգվել։

Ad 2) Հողերի հատիկաչափական կազմի վերաբերյալ պայմանից բացի, պետք է ևս մեկ պայման կատարվի, որպեսզի ցրտահարության ժամանակ հողի դեֆորմացիաներ առաջանան։ Դա այն է, որ պետք է լինի ջրի մատակարարման հնարավորություն ցրտահարության ազդեցության գոտի։ Եթե այս պայմանը չկատարվի, այսինքն՝ եթե հողի մազանոթները կապի մեջ չլինեն ջրի հետ, որը ցրտահարության ժամանակ դրանցով անընդհատ կհոսի, ապա ցրտահարության հետևանքով դեֆորմացիաներ չեն առաջանա՝ անկախ հողի հատիկաչափական կազմից։

Որքան բարձր է ստորերկրյա ջրի մակարդակը, այնքան ավելի մեծ է հողի դեֆորմացիաների հնարավորությունը՝ սառնամանիքի ազդեցության հետևանքով։ Եթե ստորերկրյա ջրի մակարդակը գտնվում է այնպիսի խորության վրա, որը մեծ է տվյալ հողի ջրի մազանոթային բարձրացումից, ապա սառնամանիքի ազդեցությամբ առաջացող դեֆորմացիաները չնչին են։

Ad 3) Եթե սառնամանիքի անընդմեջ տևող ժամանակահատվածը ավելի երկար է, ապա սառնամանիքի հետևանքով դեֆորմացիաները ավելի մեծ են՝ ավելի մեծ և բազմաթիվ ոսպնյակների ձևավորման պատճառով։ Ուժեղ և կարճատև սառնամանիքը առաջացնում է ավելի փոքր դեֆորմացիաներ, քանի որ այդ դեպքում ծակոտիներում ջուրը հանկարծակի սառչում է և ընդհատվում է ջրի մազանոթային հոսքը։ Ընդհակառակը, միջին և երկարատև սառնամանիքը առաջացնում է ավելի մեծ դեֆորմացիաներ՝ սառցե ոսպնյակների անխոչընդոտ ձևավորման պատճառով։

Ապակապման ազդեցությունը

Հալման ընթացքում նախ հալվում են սառցե ոսպնյակները մակերեսային հողի վերին մասում, իսկ անմիջապես դրա տակ մնում է սառած, հետևաբար նաև անթափանց շերտը։ Քանի որ հալված սառցե ոսպնյակները մեծ քանակությամբ ջուր են տալիս, որը չի կարող ներթափանցել սառած ստորին շերտի միջով, այդպիսով մակերեսային շերտում ջրի այս ավելացած քանակը հողը գերհագեցնում է և վերածում հեղուկ զանգվածի, որը որևէ ամրություն չունի, այլ ճնշման տակ դուրս է մղվում կողքեր։ Հալման ազդեցության հետևանքով հողի դեֆորմացիաները կարող են զգալի լինել և որոշ դեպքերում վտանգավոր։ Այս դեֆորմացիաները հաճախ հանդիպում են երկաթուղային գծերի և ճանապարհների կտրվածքներում, որտեղ գարնանը տեղի է ունենում լանջերի մասնակի սահք՝ հողի՝ հալված սառցե ոսպնյակներից առաջացած ջրով գերհագեցման հետևանքով, ինչպես նաև ճանապարհներում, որոնց ծածկույթը երթևեկության ազդեցությամբ դեֆորմացվում է ջրով գերհագեցման պատճառով կրողունակությունը կորցրած հողի վրա։

Հողի վրա ցրտահարության ազդեցության գնահատման չափանիշ

Տարբեր տեսակի հողերի վրա սառնամանիքի ազդեցության ուսումնասիրությունից հանգել են այն եզրակացության, որ սառնամանիքի նկատմամբ վարքագծի առումով պետք է տարբերել հողի երկու տեսակ՝ անվտանգ և սառնամանիքի նկատմամբ վտանգավոր։

Ցրտադիմացկուն հողեր են այն հողերը, որոնցում սառցե ոսպնյակներ չեն առաջանում՝ անկախ նրանից, թե որքան երկար է սառնամանիքի տևողությունը։ Այս տեսակի հողերում տեղի է ունենում միայն իրենց ծակոտիներում ջրի սառեցում և սառցե բյուրեղների ձևավորում՝ սառնամանիքի ազդեցության դեպքում աննշան դեֆորմացիաներով։ Այս խմբին են պատկանում խիճը, ավազը և նմանատիպ հողերը։

Ցրտի նկատմամբ վտանգավոր հողերը այն հողերն են, որոնցում առաջանում են սառցե ոսպնյակներ, ինչի հետևանքով կարող են առաջանալ ավելի մեծ դեֆորմացիաներ։ Մակերեսային շերտում կուտակված ջուրը սառցե ոսպնյակների ձևով՝ սառնամանիքի ազդեցության ժամանակ, նույնպես առաջացնում է հալեցման ազդեցություն։ Այս խմբին են պատկանում որոշ փոշակավային-կավային, իսկ հատկապես՝ փոշային հողեր։

Հողի սառնամանիքային կայունությունը գնահատելու համար գոյություն ունեն մի քանի չափանիշներ, որոնցից ամենահայտնիներն են Արթուր Կազագրանդեի և Ռուկլիի չափանիշները, որոնք այստեղ կնկարագրենք։

Կասագրանդեի A չափանիշը

Այս չափանիշը հիմնված է հողի հատիկաչափական կազմի վրա և ձևակերպվում է հետևյալ կերպ՝

a) Համաչափ կազմ ունեցող հողի դեպքում, որի անհամաչափության աստիճանը U < 5, հողը ցրտավտանգ է, եթե պարունակում է 10%-ից ավելի հատիկներ՝ 0,02 mm-ից փոքր չափով։

բ) Անհամաչափ կազմ ունեցող հողի դեպքում, որի անհամաչափության աստիճանը U > 15 է, հողը սառնամանիքի նկատմամբ վտանգավոր է, եթե պարունակում է ավելի քան 3% հատիկ՝ 0,02 mm-ից փոքր չափով։

Թեև այս չափանիշը երկար ժամանակ կիրառվել է և միշտ տվել է վստահելի արդյունքներ, դրա թերությունն այն է, որ հիմնված է միայն հողի հատիկաչափական կազմի վրա և հաշվի չի առնում նաև հողի մեջ սառնամանիքի ազդեցության վրա ազդող այլ գործոնները։ Այդ պատճառով այսօր համարվում է, որ այս չափանիշը չափազանց խիստ է և ոչ տնտեսական։

Ռուկլիևի չափանիշ

Այս մեթոդով հողը բաժանվում է երկու ֆրակցիայի՝ ըստ պինդ մասնիկների կոշտության, այսինքն՝ խոշորահատիկ ֆրակցիայի, որի հատիկների տրամագիծը d > 2 mm է, և մանրահատիկ ֆրակցիայի, որի հատիկների տրամագիծը d < 2 mm է։ Հողի ցրտադիմացկունությունը գնահատելու համար սահմանվում է մանրահատիկ ֆրակցիայի քանակի կախվածությունը խոշորահատիկ ֆրակցիայի քանակից, և այդ կախվածությունը տրված է ստորին և վերին սահմաններով (նկ. 1)։

Ստորին սահմանը ներկայացնում է d < 0,02 mm տրամագծով պինդ մասնիկների թույլատրելի առավելագույն տոկոսը՝ լցանյութի չոր քաշից, այսինքն՝ 0-2 mm ֆրակցիան, որի դեպքում անբարենպաստ պայմաններում, ինչպիսիք են ստորերկրյա ջրերի բարձր մակարդակը, անբարենպաստ կլիմայական պայմանները (երկարատև սառնամանիքներ) և հողի մեծ բնական խոնավությունը, սառնամանիքից գործնականում ոչ մի վնաս չի առաջանում։

Վերին սահմանը ներկայացնում է մասնիկների d < 0,02 mm առավելագույն թույլատրելի տոկոսը մանրահատիկ ֆրակցիայի չոր քաշից, որի դեպքում բարենպաստ պայմաններում՝ ինչպես ստորերկրյա ջրերի ցածր մակարդակը, բարենպաստ կլիմայական պայմանները (կարճատև սառնամանիքներ) և հողի բնական խոնավության փոքր լինելը, սառնամանիքից գործնականում որևէ վնաս չի առաջանում։

Նկ. 1 Հողի ցրտահարման վտանգի գնահատման ստորին և վերին սահմանը՝ ըստ Ռուկլիեի չափանիշի

Հողի մեջ սառնամանիքի ազդեցությունից պաշտպանություն

Սառնամանիքի ազդեցության խորությունը հողում կախված է տվյալ վայրի կլիմայական պայմաններից։ Մեր երկրում այն հիմնականում 0,8-ից մինչև 1,0 m մ է գետնի մակերևույթից ներքև։ Հետևաբար, 1,0 m-ին հավասար կամ ավելի մեծ խորության վրա հիմնավորված կառույցները չեն ենթարկվի սառնամանիքի ազդեցությանը։

Մակերեսային հիմքով կառուցվածքները, ինչպես օրինակ՝ ճանապարհների երթևեկելի ծածկերը, ենթարկվում են ցրտահարության ազդեցությանը, որը կարող է առաջացնել մեծ դեֆորմացիաներ և վնասներ երթևեկելի ծածկում՝ ինչպես սառչելու, այնպես էլ հալվելու ընթացքում։ Այդ պատճառով ճանապարհային երթևեկելի ծածկերի և օդանավակայանների թռիչքուղիների կառուցման ժամանակ անհրաժեշտ է ուսումնասիրել հողը ցրտահարության ազդեցության տեսանկյունից, և եթե հիմքային հողը վտանգված է ցրտահարությունից, պետք է ձեռնարկել պաշտպանիչ միջոցներ։ Ճանապարհային և օդանավակայանային երթևեկելի ծածկերի դեպքում ամենաարդյունավետ միջոցը բուֆերային շերտի կառուցումն է, որի հաստությունը որոշվում է այնպես, որ երթևեկելի ծածկի և բուֆերային շերտի ընդհանուր հաստությունը լինի 0,80 m ծանր երթևեկության համար մինչև 0,60 m թեթև երթևեկության համար։ Ամենից հաճախ բուֆերային շերտի 0,30 m հաստությունը երթևեկելի ծածկի տակ բավարար պաշտպանություն է ցրտահարության ազդեցության դեմ։

Բարձային շերտի նյութը սովորաբար ավազն է կամ ավազախառն խիճը, որը պետք է բավարարի հետևյալ պահանջներին՝

Պլաստիկության ինդեքսը IP < 5

d < 0,02 mm ֆրակցիայի պարունակությունը փոքր է 3%-ից

Անհամասեռության աստիճանը U > 7։

Հիմքային շերտի վերին մասը՝ 20 cm հաստությամբ, չպետք է լինի միատեսակ և մանրահատիկ ավազ՝ անբավարար խտացման և սահմանափակ կրողունակության պատճառով։ Այս մասում հիմքային շերտը պետք է լինի ավազախառն խիճ՝ 30-70% չափի հատիկների 2-30 mm տոկոսով։ 30 mm-ից մեծ հատիկները չեն խորհուրդ տրվում։

Մակերեսային հիմքով պարիսպային պատերը նույնպես հողի մեջ սառնամանիքի ազդեցության տակ են լինում, ինչի հետևանքով դրանք թեքվում են, և սառնամանիքի կրկնվող ազդեցության դեպքում ժամանակի ընթացքում դա հանգեցնում է դրանց շրջվելու և փլուզման։ Այդ պատճառով այս պատերը պետք է հիմնել 1,0 m խորության վրա, եթե հողը սառնամանիքի համար վտանգավոր է։