霜の作用による土の変形
凍結作用のもとでは、流れのない自由水は 0°C で凍結し、その際その体積の 9% だけ膨張する。しかし、細い毛管内の水は 0°C では凍結せず、-1°C から -78°C のより低い温度で凍結する。この後者の凍結温度は、アメリカでの実験室試験により確認された。毛管が細いほど、凍結温度は低くなる。
土中には、あらゆる方向に互いにつながった孔隙があり、毛管を形成しています。砂では孔隙が大きく、広い毛管を形成し、その中で水は0°C、またはそれよりやや低い温度で凍結します。水は均一に凍結し、その際に孔隙内に氷結晶が形成されますが、その体積増加は9%ため、土に著しい変形を生じさせることはありません。細粒分の土では孔隙がより小さく、細い毛管を形成し、その中で水は0°Cより低い温度で凍結します。しかし表層では、土は常により緩く、孔隙も大きいため、そこで水は0°Cで凍結して氷結晶を形成します。これらの結晶は、いわゆる_結晶化力_によって、細い孔隙から冷却された水を大きな力で引き寄せます。このように引き寄せられた水が氷結晶に接触すると、それ自体も凍結して氷結晶の体積が増大し、氷レンズとなります。その厚さはおよそ0,1から10 mmになることがあります。形成された氷レンズは、凍結作用中に土にかなりの変形を引き起こし、特に不利な条件では30および50 cmに達することもあります。
霜の作用による土の変形の発生と大きさは、主として次の 3 要因に左右される:
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地下水位
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霜の持続時間。
Ad 1) 粒度組成の観点では、霜の作用が最も大きいのは細粒土である。その細孔は、細い毛細管を形成するのに十分に小さく、同時に、霜の作用中に水の速い循環を可能にする十分な透水性を有する。このような土は、発生の速さの点でも変形の大きさの点でも、霜に最も敏感である。これらはシルト質土で、主として粒径 0,02-0,002 mm の粒子から成る。粒径 >0,02 mm の粒子は毛管上昇高が小さく、粒径 < 0,002 mm の粒子は毛管上昇が遅いため、いずれの場合も、霜の持続中に霜の作用域へ入る水量はわずかである。粘土質土が < 0,002 mm の粒子を 25%% 超含む場合、土の透水性は非常に小さく、細孔内の水循環が極めて遅いため、氷レンズに引き寄せられる前に細孔内で凍結してしまう。
Ad 2) 土の粒度組成に関する条件に加えて、霜による土の変形が生じるためにはもう一つ条件を満たす必要があります。それは、凍結作用 क्षेत्रに水が供給され得ることです。この条件が満たされない、すなわち、土の毛管が、凍結作用中にそれらを通じて絶えず流れる水と連結していない場合、土の粒度組成がどのようであっても、霜による変形は生じません。
地下水位が高いほど、霜の作用による土の変形の可能性は大きくなる。地下水位が、その土の毛管上昇高さよりも深い場合、霜の作用による変形はわずかである。
Ad 3) 霜の連続期間が長いほど、より大きく多数のレンズが形成されるため、霜による変形は大きくなる。強く短時間の霜は、孔隙水が急速に凍結し、毛細管水の流れが途絶えるため、変形は小さい。これに対して、中程度かつ長期の霜は、氷レンズが妨げられずに形成されるため、より大きな変形を引き起こす。
脱樹脂の作用
融解の際には、まず表層土の上部にある氷レンズが溶けるが、その直下には凍結した、したがって不透水の層が残る。溶けた氷レンズは大量の水を生じるが、それは凍結した下層を通って浸透できないため、表層の水分量は増加して土を過飽和にし、強度を持たない流体状の塊に変えてしまい、圧力により横方向へ押し出される。融解作用による地盤変形は大きく、場合によっては危険である。これらの変形は、鉄道や道路の切土でしばしば見られ、春には、溶けた氷レンズによる土の過飽和のために法面が部分的にすべることがある。また、路盤が交通荷重の下で、含水過多により支持力を失った地盤上で変形する道路でも同様である。
土に対する霜の作用を評価するための基準
さまざまな土壌に対する霜の作用を研究した結果、霜に対する挙動の面から、土壌は 安全な もの と 霜に危険なもの の2種類に区別すべきであるという結論に至りました。
霜害に対して安全な土 とは、霜の継続時間がどれほど長くても、氷レンズが形成されない土をいう。この種の土では、単に孔隙内の水が凍結し、氷結晶が形成されるだけで、霜作用による変形はわずかである。この समूहには、砂利、砂、およびこれに類する土が含まれる。
_凍上の危険がある土_とは、氷レンズが形成され、その結果として大きな変形が生じうる土をいう。凍結作用の間、表層に氷レンズの形で蓄えられた水は、融解作用も及ぼす。この समूहには、ある種のシルト質粘土土、とりわけシルト質土が含まれる。
地盤の霜に対する安定性を評価するための基準はいくつかあり、その中でも最もよく知られているのは、ここで説明するアーサー・カザグランデとルクリアの基準である。
A. Casagrande の基準
この基準は、土の粒度組成に基づいており、次のとおりである：
a) 均一な組成の土で、不均一係数 U < 5 の場合、10% を超える、0,02 mm 未満の粒径を含むと、その土は凍上危険土である。
b) 不均質な粒度構成の土で、その不均一係数 U > 15 の場合、3% より多くの、0,02 mm 未満の粒径の粒子を含むと、その土は凍上のおそれがあります。
この基準は長い間適用され、常に信頼できる結果を与えてきたが、その欠点は、土の粒度のみに基づき、土中における霜の作用に影響する他の要因を考慮していない点にある。そのため、今日ではこの基準は厳しすぎて非経済的であると考えられている。
Rukliev 基準
この方法では、土を固体粒子の硬さにより二つのフラクションに分ける。すなわち、粒径 d > 2 mm の粗粒分と、粒径 d < 2 mm の細粒分である。土の耐凍性を評価するため、細粒分の量と粗粒分の量の関係を設定し、この関係は下限と上限で示される（図 1）。
下限とは、乾燥盛土重量に対する粒径 d < 0,02 mm の固体粒子、すなわち 0-2 mm mm の画分の最大許容割合を示し、この値以下であれば、高地下水位、不利な気候条件（長期の霜）および土の大きな自然含水率のような不利条件下でも、霜による実質的な損傷は生じない。
上限とは、細粒分の乾燥重量に対する粒径 d < 0,02 mm の最大許容割合であり、地下水位が低い、気候条件が良好である（霜の期間が短い）、土の自然含水量が小さいといった好条件のもとで、凍害が実質的にまったく生じない限度をいう。
図 1 Ruklie の基準による凍上に対する土の危険度評価の下限および上限
土中における凍結作用に対する防護
地中における凍結の作用深さは、その地域の気候条件に左右される。我が国では、主として地表から 0,8 から 1,0 m 下である。したがって、基礎底を 1,0 m 以上の深さに設けた構造物は、凍結の影響を受けない。
道路舗装のような浅い基礎の構造物は、凍結の作用を受け、凍結時および融解時の双方で、舗装に大きな変形と損傷を生じさせることがある。したがって、道路および空港の滑走路を施工する際には、凍結作用の観点から地盤を調査する必要があり、基礎地盤が凍上のおそれのある場合には、保護措置を講じなければならない。道路および空港の舗装では、最も効果的な対策は基層を設けることであり、その厚さは、舗装全体と基層の合計厚さが、重交通用で 0,80 m、軽交通用で 0,60 m となるように定める。多くの場合、舗装の下に 0,30 m の基層厚で、凍結作用に対する十分な保護となる。
路盤層の材料は通常、砂または砂質砂利であり、次の条件を満たさなければならない：
塑性指数 IP < 5
d < 0,02 mm の画分含有量は 3% 未満
不均一性の度合い U > 7。
バッファ層の上部、厚さ20 cmの部分は、締固めが不十分で支持力が限られるため、均質で細粒の砂であってはなりません。この部分では、バッファ層は粒径30-70%、粒径2-30 mmの砂利混じり砂でなければなりません。30 mmを超える粒は推奨されません。
浅く基礎を設けた囲い壁も、地盤中の霜の作用を受けるため傾き、これが凍結作用の繰り返しにより、やがて転倒や崩壊を招く。したがって、地盤が凍上危険地である場合には、これらの壁は 1,0 m の深さに基礎を設けなければならない。