ყინვის მოქმედება ნიადაგზე

ნიადაგის დეფორმაციები ყინვის მოქმედების შედეგად

ყინვის მოქმედებისას უძრავი თავისუფალი წყალი იყინება 0°C-ზე და ამ დროს თავისი მოცულობის 9%-ით ფართოვდება. თუმცა ვიწრო კაპილარულ მილებში წყალი არ იყინება 0°C-ზე, არამედ უფრო დაბალ ტემპერატურებზე, რომლებიც მერყეობს -1°C-დან -78°C-მდე. ეს უკანასკნელი გაყინვის ტემპერატურა ამერიკაში ლაბორატორიული ცდებით დადგინდა. რაც უფრო ვიწროა კაპილარული მილი, მით უფრო დაბალია გაყინვის ტემპერატურა.

ნიადაგში არსებობს ფორები, რომლებიც ერთმანეთთან ყველა მიმართულებით არის დაკავშირებული და კაპილარულ მილებს ქმნის. ქვიშაში ფორები დიდია და ქმნის ფართო კაპილარულ მილებს, რომლებშიც წყალი იყინება 0°C-ზე ან ოდნავ დაბალ ტემპერატურაზე. წყალი თანაბრად იყინება, რის შედეგადაც ფორებში ყალიბდება ყინულის კრისტალები, რომელთა მოცულობის ზრდა 9%-დან ნიადაგის მნიშვნელოვან დეფორმაციებს არ იწვევს. წვრილმარცვლოვან ნიადაგში ფორები უფრო წვრილია და ქმნის ვიწრო კაპილარულ მილებს, რომლებშიც წყალი იყინება 0°C-ზე დაბალ ტემპერატურებზე. თუმცა ზედაპირულ ფენაში ნიადაგი ყოველთვის უფრო ფხვიერია, უფრო მსხვილი ფორებით, რომლებშიც წყალი იყინება 0°C-ზე და წარმოქმნის ყინულის კრისტალებს. ეს კრისტალები დიდი ძალით იზიდავს თავისკენ გაცივებულ წყალს ვიწრო ფორებიდან, ე.წ. კრისტალიზაციის ძალით. როდესაც ასე მოზიდული წყალი კონტაქტში შედის ყინულის კრისტალებთან და თვითონაც იყინება, ზრდის რა ყინულის კრისტალების მოცულობას, რომლებიც ყინულის ლინზებად იქცევიან, რომელთა სისქე შეიძლება იყოს დაახლოებით 0,1-დან 10 mm-მდე. წარმოქმნილი ყინულის ლინზები ყინვის მოქმედებისას ნიადაგის მნიშვნელოვან დეფორმაციას იწვევს, რაც განსაკუთრებით არახელსაყრელ პირობებში შეიძლება აღწევდეს 30 და 50 cm.

მიწის დეფორმაციის წარმოქმნა და სიდიდე ყინვის მოქმედების შედეგად ძირითადად დამოკიდებულია შემდეგ 3 ფაქტორზე:

1. ნიადაგის გრანულომეტრიული შემადგენლობა

2. მიწისქვეშა წყლის დონე

3. ყინვის ხანგრძლივობა.

Ad 1) მარცვლოვანი შემადგენლობის მხრივ ყინვის ყველაზე ძლიერი ზემოქმედება აქვს წვრილმარცვლოვან ნიადაგს, რომლის ფორებიც საკმარისად წვრილია, რომ შექმნას ვიწრო კაპილარული არხები, და ამავე დროს აქვს საკმარისად დიდი გამტარობა, რომელიც უზრუნველყოფს წყლის სწრაფ ცირკულაციას ყინვის მოქმედების დროს. ასეთი ნიადაგი ყინვის მიმართ ყველაზე მგრძნობიარეა როგორც გამოვლენის სიჩქარის, ისე დეფორმაციების სიდიდის თვალსაზრისით. ეს არის მტვროვანი ნიადაგები, რომლებიც ძირითადად შედგება ზომის 0,02-0,002 mm მარცვლებისგან. ზომის >0,02 mm მარცვლებს აქვთ კაპილარული ამოწევის მცირე სიმაღლე, ხოლო ზომის < 0,002 mm მარცვლებს — ნელი კაპილარული ამოწევა, ამიტომ ორივე შემთხვევაში ყინვის მოქმედების პერიოდში ზონაში მხოლოდ მცირე რაოდენობის წყალი შეიძლება მოხვდეს. თუ თიხოვანი ნიადაგი შეიცავს 25%-ზე მეტ ნაწილაკს ზომით < 0,002 mm, ნიადაგის გამტარობა ძალიან მცირეა და ფორებში წყლის ცირკულაცია იმდენად ნელია, რომ იქ წყალი უფრო ადრე იყინება, ვიდრე ყინულის ლინზები შეძლებენ წარმოქმნას.

Ad 2) ნიადაგის გრანულომეტრიული შედგენილობის პირობების გარდა საჭიროა კიდევ ერთი პირობის შესრულება, რათა მოხდეს ნიადაგის ყინვაზე დეფორმაცია. ეს არის წყლის მიწოდების შესაძლებლობა ყინვის მოქმედების ზონაში. თუ ეს პირობა არ იქნება შესრულებული, ანუ თუ ნიადაგის კაპილარები არ იქნება დაკავშირებული წყალთან, რომელიც ყინვის მოქმედების დროს მათში მუდმივად მიედინება, ყინვაზე დეფორმაციები არ წარმოიქმნება, როგორი გრანულომეტრიული შედგენილობისაც არ უნდა იყოს ნიადაგი.

რაც უფრო მაღალია მიწისქვეშა წყლის დონე, მით უფრო დიდია ნიადაგის დეფორმაციის შესაძლებლობა ყინვის ზემოქმედების გამო. თუ მიწისქვეშა წყლის დონე იმაზე უფრო დიდ სიღრმეზეა, ვიდრე მოცემული ნიადაგის წყლის კაპილარული ამაღლების სიმაღლე, ყინვის ზემოქმედებით გამოწვეული დეფორმაციები უმნიშვნელოა.

Ad 3) თუ უწყვეტი ყინვის პერიოდი უფრო ხანგრძლივია, მით უფრო დიდია ყინვით გამოწვეული დეფორმაციები, უფრო დიდი და მრავალრიცხოვანი ლინზების წარმოქმნის გამო. ძლიერი და ხანმოკლე ყინვა ნაკლებ დეფორმაციას იწვევს, რადგან ასეთ შემთხვევაში ფორებში წყალი სწრაფად იყინება და წყლის კაპილარული დინება წყდება. პირიქით, ზომიერი და ხანგრძლივი ყინვა უფრო დიდ დეფორმაციებს იწვევს ყინულის ლინზების შეუფერხებელი წარმოქმნის გამო.

დაკოვრების მოქმედება

გალღობისას ჯერ დნება ყინულის ლინზები ზედაპირული ნიადაგის ზედა ნაწილში, ხოლო მის პირდაპირ ქვემოთ რჩება გაყინული და შესაბამისად გაუმტარი ფენა. რადგან გალღობილი ყინულის ლინზები დიდ რაოდენობით წყალს იძლევა, რომელიც ვერ აღწევს ქვედა გაყინულ ფენაში, ზედაპირულ ფენაში წყლის ეს გაზრდილი რაოდენობა ნიადაგს ზესაქმებულად აქცევს და მასგან ქმნის თხევად მასას, რომელსაც არავითარი სიმტკიცე არ გააჩნია და წნევის ქვეშ გვერდულად გამოიწურება. გალღობის მოქმედებით გამოწვეული ნიადაგის დეფორმაციები შეიძლება მნიშვნელოვანი და ზოგიერთ შემთხვევაში სახიფათოც იყოს. ეს დეფორმაციები ხშირია რკინიგზისა და გზების ჭრილებში, სადაც გაზაფხულზე ფერდობების ნაწილობრივი ჩამოცურება ხდება გალღობილი ყინულის ლინზებისგან წყლით ნიადაგის ზესაქმულობის გამო, ასევე გზებზე, რომელთა სავალი ნაწილი მოძრაობის შედეგად დეფორმირდება იმ ნიადაგზე, რომელმაც წყალით ზესაქმულობის გამო მატარებლობა დაკარგა.

ნიადაგზე ყინვის ზემოქმედების შეფასების კრიტერიუმი

ყინვის მოქმედების სხვადასხვა ტიპის ნიადაგზე შესწავლის შედეგად დაასკვნეს, რომ ყინვასთან მიმართებით ქცევის მიხედვით უნდა განვასხვაოთ ნიადაგის ორი სახეობა: უსაფრთხო და ყინვაზე საშიში.

ყინვაგამძლე ნიადაგებია ის ნიადაგები, რომლებშიც ყინულის ლინზები არ წარმოიქმნება, რამდენადაც არ უნდა იყოს ხანგრძლივი ყინვის პერიოდი. ამ ტიპის ნიადაგებში მხოლოდ წყლის გაყინვა ხდება მათ ფორებში და ყინულის კრისტალების წარმოქმნა, ყინვის ზემოქმედებისას უმნიშვნელო დეფორმაციებით. ამ ჯგუფს მიეკუთვნება ხრეში, ქვიშა და მსგავსი ნიადაგები.

ყინვაზე საშიში ნიადაგები არის ის ნიადაგები, რომლებშიც წარმოიქმნება ყინულის ლინზები, რის შედეგადაც შეიძლება უფრო დიდი დეფორმაციები განვითარდეს. ზედაპირულ ფენაში დაგროვილი წყალი ყინულის ლინზების სახით ყინვის მოქმედების დროს ასევე იწვევს გათბობის ეფექტსაც. ამ ჯგუფს მიეკუთვნება ზოგიერთი მტვრისებრ-თიხოვანი და განსაკუთრებით მტვრისებრი ნიადაგები.

ნიადაგის ყინვაგამძლეობის შეფასებისთვის არსებობს რამდენიმე კრიტერიუმი, რომელთაგან ყველაზე ცნობილია არტურ კასაგრანდესა და რუკლის კრიტერიუმები, რომელთაც აქ აღვწერთ.

A. Casagrande-ს კრიტერიუმი

ეს კრიტერიუმი ეფუძნება ნიადაგის გრანულომეტრიულ შემადგენლობას და ასე ფორმულირდება:

a) ერთგვაროვანი შემადგენლობის ნიადაგის შემთხვევაში, რომლის არათანაბრობის ხარისხი U < 5, ნიადაგი ყინვადია, თუ იგი შეიცავს 10%-ზე მეტ მარცვალს, რომელთა ზომა ნაკლებია 0,02 mm-ზე.

b) არაერთგვაროვანი შედგენილობის ნიადაგის შემთხვევაში, რომლის არაერთგვაროვნების ხარისხი U > 15, ნიადაგი ყინვისადმი საშიშია, თუ შეიცავს 3%-ზე მეტ მარცვალს 0,02 mm-ზე მცირე ზომით.

თუმცა ეს კრიტერიუმი დიდი ხნის განმავლობაში გამოიყენებოდა და ყოველთვის საიმედო შედეგებს იძლეოდა, მისი ნაკლი ისაა, რომ იგი მხოლოდ ნიადაგის გრანულაციაზეა დაფუძნებული და არ ითვალისწინებს სხვა ფაქტორებსაც, რომლებიც ნიადაგში ყინვის მოქმედებაზე გავლენას ახდენს. ამიტომ დღეს მიიჩნევა, რომ ეს კრიტერიუმი მეტისმეტად მკაცრი და არაეკონომიურია.

რუკლიევის კრიტერიუმი

ამ მეთოდის მიხედვით ნიადაგი იყოფა ორ ფრაქციად მყარი ნაწილაკების სიმკვრივის მიხედვით, კერძოდ, მსხვილმარცვლოვან ფრაქციად, მარცვლები დიამეტრით d > 2 mm და წვრილმარცვლოვან ფრაქციად, მარცვლები დიამეტრით d < 2 mm. ნიადაგის ყინვაგამძლეობის შესაფასებლად დგინდება წვრილმარცვლოვანი ფრაქციის რაოდენობის დამოკიდებულება მსხვილმარცვლოვანი ფრაქციის რაოდენობაზე და ეს დამოკიდებულება მოცემულია ქვედა და ზედა საზღვრებით (სურ. 1).

ქვედა ზღვარი წარმოადგენს მყარ ნაწილაკთა დასაშვებ მაქსიმალურ პროცენტს, რომელთა დიამეტრია d < 0,02 mm შევსების მშრალი წონისგან, ანუ ფრაქცია 0-2 mm, რომლის დროსაც პრაქტიკულად არ წარმოიშობა არანაირი ზიანი ყინვის შედეგად არახელსაყრელ პირობებში, როგორიცაა მიწისქვეშა წყლის მაღალი დონე, არასასურველი კლიმატური პირობები (ხანგრძლივი ყინვები) და ნიადაგის მაღალი ბუნებრივი ტენიანობა.

ზედა ზღვარი წარმოადგენს ნაწილაკების d < 0,02 mm მაქსიმალურ დასაშვებ პროცენტულ შემცველობას წვრილმარცვლოვანი ფრაქციის მშრალი წონისგან, რომლის დროსაც ხელსაყრელ პირობებში პრაქტიკულად არანაირი ზიანი არ ჩნდება ყინვის გამო, მაგალითად, როცა მიწისქვეშა წყლების დონე დაბალია, კლიმატური პირობები ხელსაყრელია (მოკლეხნიანი ყინვები) და ნიადაგის ბუნებრივი ტენიანობა მცირეა.

სურ. 1 ნიადაგის ყინვაზე საშიშროების შეფასების ქვედა და ზედა ზღვარი რუკლიეს კრიტერიუმის მიხედვით

ნიადაგში ყინვის ზემოქმედებისგან დაცვა

ყინვის მოქმედების სიღრმე ნიადაგში დამოკიდებულია მხარის კლიმატურ პირობებზე. ჩვენს ქვეყანაში იგი უმეტესად 0,8-დან 1,0 m-მდეა მიწის ზედაპირიდან ქვემოთ. შესაბამისად, ისეთი ნაგებობები, რომელთა საფუძვლის სიღრმე ტოლია ან აღემატება 1,0 m-ს, ყინვის ზემოქმედების ქვეშ არ იქნება.

ზედაპირულად დაფუძნებული კონსტრუქციები, როგორიცაა გზის სავალი ნაწილი, განიცდის ყინვის ზემოქმედებას, რაც შეიძლება გამოიწვიოს დიდი დეფორმაციები და ზიანი სავალი ნაწილისათვის როგორც გაყინვის, ისე გალღობის დროს. ამიტომ გზებზე და აეროდრომების აფრენა-დაშვების ზოლებზე სავალი ნაწილის მოწყობისას საჭიროა ნიადაგის გამოკვლევა ყინვის ზემოქმედების მიმართ და იმ შემთხვევაში, თუ საფუძვლოვანი ნიადაგი ყინვით საფრთხის ქვეშაა, უნდა გატარდეს დამცავი ზომები. გზისა და აეროდრომის სავალ ნაწილებში ყველაზე ეფექტიანი ზომაა ბალიშური ფენის მოწყობა, რომლის სისქე განისაზღვრება ისე, რომ სავალი ნაწილისა და ბალიშური ფენის საერთო სისქე იყოს 0,80 m მძიმე მოძრაობისთვის და 0,60 m მსუბუქი მოძრაობისთვის. უმეტესად ბალიშური ფენის 0,30 m სისქე სავალი ნაწილის ქვეშ საკმარისი დაცვაა ყინვის ზემოქმედებისგან.

ბალასტური ფენის მოსაწყობი მასალა, ჩვეულებრივ, არის ქვიშა ან ქვიშიანი ხრეში, რომელიც უნდა აკმაყოფილებდეს შემდეგ პირობებს:

პლასტიკურობის ინდექსი IP < 5

ფრაქციის d შემცველობა < 0,02 mm < 3%-ზე ნაკლები

არათანაბრობის ხარისხი U > 7.

ბალიშის ფენის ზედა ნაწილი 20 cm სისქით არ უნდა იყოს ერთგვაროვანი და წვრილმარცვლოვანი ქვიშა არასაკმარისი დატკეპნისა და შეზღუდული მზიდუნარიანობის გამო. ამ ნაწილში ბალიშის ფენა უნდა იყოს ქვიშიანი ხრეში 30-70% ზომის მარცვლებით 2-30 mm. 30 mm-ზე დიდი მარცვლები რეკომენდებული არ არის.

დაბალად ფუნდირებული შემოღობვის კედლებიც ასევე ექვემდებარება ნიადაგში ყინვის ზემოქმედებას, რის გამოც ისინი იხრება, ხოლო ყინვის განმეორებითი ზემოქმედებისას დროთა განმავლობაში ხდება მათი გადაბრუნება და ნგრევა. ამიტომ ეს კედლები, თუ ნიადაგი ყინვადამღუპველია, უნდა ფუნდირდეს 1,0 m სიღრმეზე.