Jarðvegsaflögun vegna frosts
Við frost myndast frjálst vatn án streymis við 0°C og þenst þá út um 9% af rúmmáli sínu. Hins vegar frýs vatn í mjóum háræðarörum ekki við 0°C, heldur við lægri hitastig, sem eru frá -1°C til -78°C. Þetta síðasta frosthitastig var staðfest með rannsóknarstofutilraunum í Ameríku. Því þrengra sem háræðarrörið er, þeim mun lægra er frosthitastigið.
Í jarðvegi eru svitaholur sem tengjast hver annarri í allar áttir og mynda háræðar. Í sandi eru svitaholurnar stórar og mynda breiðar háræðar, þar sem vatn frýs við 0°C eða við aðeins lægra hitastig. Vatnið frýs jafnt, og í svitaholunum myndast ískristallar, en rúmmálsaukning þeirra um 9% veldur engum marktækum aflögunum á jarðveginum. Í jarðvegi með fíngerðu kornasamsetningu eru svitaholurnar minni og mynda þröngar háræðar þar sem vatn frýs við hitastig lægra en 0°C. Í yfirborðslaginu er jarðvegurinn þó alltaf lausari með stærri svitaholum, þar sem vatn frýs við 0°C og myndar ískristalla. Þessir kristallar draga til sín kælnað vatn úr þröngu svitaholunum með miklu afli, svokölluðu kristöllunarkrafti. Þegar vatnið sem þannig er dregið að kemst í snertingu við ískristallana frýs það sjálft og eykur rúmmál ískristallanna, sem verða að íslinsum, en þykkt þeirra getur verið um 0,1 til 10 mm. Mynduðu íslinsurnar valda verulegri aflögun jarðvegs á meðan frostið verkar, sem við sérstaklega óhagstæð skilyrði getur orðið allt að 30 og 50 cm.
Tilkoma og umfang aflögunar í jarðvegi vegna frosts fer aðallega eftir eftirfarandi 3 þáttum:
-
Staða grunnvatns
-
Tímalengd frosts.
Ad 1) Hvað varðar kornastærðarsamsetningu er mesta frostáhrifin í fínkornóttu jarðvegi, þar sem svitaholurnar eru nægilega smáar til að mynda þröngar háræðar, en hann hefur jafnframt nægilega mikla gegndræpi, sem gerir kleift hraða vatnsrás meðan frostið verkar. Slíkur jarðvegur er viðkvæmastur fyrir frosti, bæði hvað varðar hraða áhrifa og stærð aflögunar. Þetta eru ryk- og siltjörð, sem að mestu leyti samanstanda af kornum með stærð 0,02-0,002 mm. Korn með stærð >0,02 mm hafa litla hæð háræðauppsigs, en korn með stærð < 0,002 mm hafa hæga háræðauppsogun, þannig að í báðum tilvikum getur aðeins lítið vatnsmagn borist inn í áhrifasvæði frostsins á meðan það varir. Ef leirkenndur jarðvegur inniheldur yfir 25% agnir með stærð < 0,002 mm, er gegndræpi jarðvegsins mjög lítið og vatnsrás í holum svo hæg að vatnið frýs þar fyrr en ísjökulsþrýstikjarnar geta dregið það að sér.
Ad 2) Auk skilyrðis um kornastærðarsamsetningu jarðvegsins verður að uppfylla enn eitt skilyrði til að frostaflögun jarðvegs verði. Það er að vatn geti borist inn á áhrifasvæði frostsins. Ef þetta skilyrði væri ekki uppfyllt, þ.e. ef háræðar jarðvegsins væru ekki í sambandi við vatnið sem myndi stöðugt streyma um þær meðan frostið verkar, myndi ekki verða frostaflögun, sama hver kornastærðarsamsetning jarðvegsins væri.
Því hærra sem grunnvatnsborðið er, því meiri er möguleikinn á aflögun jarðvegs vegna frosts. Ef grunnvatnsborðið er á meira dýpi en hæð háræðarrís vatns í umræddum jarðvegi eru aflögun vegna frosts óveruleg.
Ad 3) Ef tímabil stöðugs frosts er lengra, því meiri verða frostaflögunin, vegna myndunar stærri og fjölmargra íssæða. Snarpur og skammvinnur frost veldur minni aflögun, því þá frýs vatnið í holrýmum skyndilega og háræðastreymi vatns rofnar. Hins vegar veldur meðalsterkur og langvarandi frost meiri aflögun vegna ótruflaðrar myndunar íssæða.
Afskógunarverkun
Við afþíðingu leysast íslenser í efri hluta yfirborðslags jarðvegsins fyrst, en strax undir því helst frosið og þar með vatnsþétt lag. Þar sem bráðnuðu íslenserin gefa frá sér mikið magn vatns, sem ekki getur seytlað niður í gegnum frosna neðra lagið, mettast þetta aukna vatnsmagn í yfirborðslaginu jarðveginn og myndar úr honum fljótandi massa sem hefur enga styrkleika heldur er þrýst út til hliðanna. Aflögun jarðvegs vegna afþíðingar getur verið veruleg og í sumum tilvikum hættuleg. Slíkar aflögun eru algengar í skurðum við járnbrautar- og veglínur, þar sem á vorin verður að hluta til skrið á hlíðum vegna vatnsmettunar jarðvegsins af völdum bráðinna íslensera, sem og á vegum þar sem yfirborð vegarins aflagast undir umferð á jarðvegi sem hefur misst burðargetu vegna vatnsmettunar.
Viðmið til mats á áhrifum frosts á jarðveg
Við rannsókn á áhrifum frosts á ýmsar jarðvegsgerðir komist hefur verið að þeirri niðurstöðu að hvað varðar frosthegðun þurfi að greina á milli tveggja jarðvegstegunda: öruggra og frosthætta jarðvega.
Jarðvegur sem er frostþolinn er sá sem myndar ekki ískristalla, sama hversu lengi frostið varir. Í þessari tegund jarðvegs á sér aðeins stað frysting vatns í svitaholum hans og myndun ískristalla, með óverulegum aflögunum við frostáhrif. Í þennan hóp teljast möl, sandur og sambærilegur jarðvegur.
Frosthæf jarðvegur er sá jarðvegur þar sem íslenstur myndast, sem getur valdið verulegum aflögunum. Vatn sem safnast fyrir í yfirborðslaginu í formi íslenstra veldur einnig þíðuáhrifum við frostverkun. Til þessa hóps teljast viss leir- og siltrík jarðvegur og einkum siltríkur jarðvegur.
Til eru fleiri viðmið til að meta frostþol jarðvegs, og eru þekktustu viðmiðin eftir Arthur Casagrande og Rukli, sem við munum lýsa hér.
Viðmiðun A. Casagrande
Þetta viðmið byggist á kornastærðardreifingu jarðvegsins og hljóðar svo:
a) Hjá jarðvegi með einsleita samsetningu, þar sem misleitnistigið U < 5, er jarðvegurinn frosthættulegur ef hann inniheldur meira en 10% agna með stærð undir 0,02 mm.
b) Hjá jarðvegi með ójöfnum kornastærðum, þar sem ójöfnunarstigið U > 15, er jarðvegurinn frosthættulegur ef hann inniheldur meira en 3% korn af stærð minni en 0,02 mm.
Þótt þessi viðmiðun hafi lengi verið beitt og ávallt gefið áreiðanlegar niðurstöður, er galli hennar sá að hún byggist eingöngu á kornastærð jarðvegsins og tekur ekki tillit til annarra þátta sem hafa áhrif á virkni frosts í jarðvegi. Þess vegna er nú talið að þessi viðmiðun sé of ströng og óhagkvæm.
Rukliev viðmið
Samkvæmt þessari aðferð er jarðvegnum skipt í tvær flokkar eftir hörku föstu agnanna, þ.e. í grófkorna flokk, korn með þvermálið d > 2 mm og fínkorna flokk, korn með þvermálið d < 2 mm. Til að meta frostþol jarðvegs er sett fram háð magn fínkorna flokksins af magni grófkorna flokksins og þessi háð er sýnd með neðri og efri mörkum (mynd 1).
Neðri mörkin tákna hæsta leyfilega hlutfall fastra agna með þvermálið d < 0,02 mm af þurrþyngd fyllingarinnar, þ.e. brotanna 0-2 mm, þar sem nánast engar frostskemmdir verða við óhagstæð skilyrði, svo sem hátt grunnvatnsborð, óhagstæð veðurskilyrði (langvarandi frost) og mikinn náttúrulegan raka jarðvegsins.
Efri mörkin tákna hæsta leyfilega hlutfall agna d < 0,02 mm af þurrefni fíngerða hluta, þar sem nánast engar frostskemmdir koma fram við hagstæð skilyrði, svo sem lágt grunnvatnsborð, hagstæð loftslagsskilyrði (skammvinn frost) og lítill náttúrulegur raki jarðvegsins.
Mynd 1 Neðri og efri mörk til mats á frosthættu jarðvegs samkvæmt kriteríum Ruklievs
Vernd gegn áhrifum frosts í jarðvegi
Dýpt frostaáhrifa í jarðvegi fer eftir loftslagi svæðisins. Hér á landi er hún að jafnaði 0,8 til 1,0 m undir yfirborði lands. Samkvæmt því verða mannvirki sem eru undirstöð á dýpi sem jafngildir eða er meira en 1,0 m ekki undir áhrifum frosts.
Grunnskilvirkar mannvirki, svo sem akbrautir á vegum, verða fyrir frostaáhrifum sem geta valdið meiri aflögunum og skemmdum á akbrautinni, bæði við frystingu og við þíðingu. Því þarf við gerð akbrauta á vegum og flugbrauta á flugvöllum að rannsaka jarðveginn með tilliti til frostaáhrifa, og ef undirstöðujarðvegurinn er frosthæfur skal grípa til varúðarráðstafana. Á vegum og flugvöllum er áhrifaríkasta ráðstöfunin að gera burðarlag, en þykkt þess er ákvörðuð þannig að heildarþykkt akbrautarinnar og burðarlagsins verði 0,80 m fyrir þunga umferð og allt að 0,60 m fyrir létta umferð. Oftast dugar burðarlag með þykkt 0,30 m undir akbrautinni sem nægileg vörn gegn frostaáhrifum.
Efni til gerðar burðarlagsins er venjulega sandur eða sandkennd möl, sem þarf að uppfylla eftirfarandi skilyrði:
Plastískuvísitala IP < 5
Innihald fraksjónarinnar d < 0,02 mm minna en 3%
Mismunur U > 7.
Efri hluti burðarlagsins, að þykkt 20 cm, má ekki vera einsleitur og fíngerður sandur vegna ófullnægjandi þjöppunar og takmarkaðs burðarþols. Í þessum hluta skal burðarlagið vera sandblandað möl með 30-70% kornum að stærð 2-30 mm. Korn stærri en 30 mm eru ekki ráðlögð.
Grunnir hleðsluveggir verða einnig fyrir áhrifum frosts í jarðvegi, sem veldur því að þeir hallast og leiðir með endurteknum frostáhrifum með tímanum til þess að þeir velta og hrynja. Því ætti að grunnfesta þessa veggi á dýpt sem er 1,0 m, ef jarðvegurinn er frosthætta.