Аяз әсерінен топырақтың деформациялары
Аяз әсер еткенде ағынсыз бос су 0°C-де қатады және осы кезде өз көлемінің 9%-не дейін ұлғаяды. Алайда тар капиллярлық түтіктердегі су 0°C-де қатпайды, керісінше төменірек температураларда, яғни -1°C-ден -78°C-ге дейінгі аралықта қатады. Осы соңғы қату температурасы Америкада зертханалық сынақтармен анықталған. Капиллярлық түтік неғұрлым тар болса, қату температурасы соғұрлым төмен болады.
Топырақта өзара барлық бағытта байланысқан, капиллярлық түтіктерді түзетін қуыстар болады. Құмда қуыстар ірі келеді және кең капиллярлық түтіктер түзеді, олардың ішінде су 0°C-де немесе одан сәл төмен температурада қатады. Су біркелкі қатады, бұл кезде қуыстарда мұз кристалдары түзіледі, олардың көлемінің 9%-ге артуы топырақтың елеулі деформациясын туғызбайды. Ұсақ түйірлі құрамдағы топырақта қуыстар ұсақтау болады және тар капиллярлық түтіктер түзеді, онда су 0°C-ден төмен температураларда қатады. Алайда беткі қабатта топырақ әрдайым борпылдақтау болып, қуыстары ірірек келеді; мұнда су 0°C-де қатып, мұз кристалдарын түзеді. Бұл кристалдар тар қуыстардан салқындаған суды үлкен күшпен өзіне тартады, бұл так деп аталатын кристалдану күші. Осындай тартылған су мұз кристалдарымен жанасып, өзі де қатады да, мұз кристалдарының көлемін ұлғайтады; олар мұз линзаларына айналады, олардың қалыңдығы шамамен 0,1-ден 10 mm-ге дейін болуы мүмкін. Түзілген мұз линзалары аяз әсері кезінде топырақтың едәуір деформациясын туғызады, ал аса қолайсыз жағдайларда ол 30 және 50 cm-ге дейін жетуі мүмкін.
Аяздың әсерінен топырақ деформациясының пайда болуы мен шамасы негізінен келесі 3 факторларға байланысты:
-
Жер асты суының деңгейі
-
Аяздың ұзақтығы.
Ad 1) Түйірлік құрам тұрғысынан аяздың ең үлкен әсері ұсақ түйірлі топырақта байқалады, оның қуыстары тар капиллярлық түтіктер түзетіндей ұсақ, әрі сонымен қатар аяз әсері кезінде судың тез айналымына мүмкіндік беретін жеткілікті жоғары өткізгіштігі бар. Мұндай топырақ аязға ең сезімтал, әрі пайда болу жылдамдығы, әрі деформациялар шамасы жағынан. Бұлар негізінен 0,02-0,002 mm өлшемді түйірлерден тұратын шаңды топырақтар. >0,02 mm өлшемді түйірлердің капиллярлық көтерілу биіктігі аз, ал < 0,002 mm өлшемді түйірлердің капиллярлық көтерілуі баяу, сондықтан аяз әсері кезінде екі жағдайда да аяз аймағына судың аз ғана мөлшері жете алады. Егер сазды топырақта < 0,002 mm өлшемді бөлшектердің үлесі 25%%-дан асса, топырақтың өткізгіштігі өте төмен болады және кеуектердегі судың айналымы соншалықты баяулайды, ол мұз линзалары тартып үлгергенше кеуектердің өзінде қатып қалады.
Ad 2) Топырақтың гранулометриялық құрамы жөніндегі шарттан басқа, топырақтың аяз әсерінен деформациялануы үшін тағы бір шарт орындалуы тиіс. Ол — аяз әсер ететін аймаққа судың келіп жету мүмкіндігі болуы. Егер бұл шарт орындалмаса, яғни топырақ капиллярлары аяз әсері кезінде олар арқылы үздіксіз ағатын сумен байланыста болмаса, топырақтың гранулометриялық құрамы қандай болғанына қарамастан, аяздық деформациялар болмайды.
Жер асты суының деңгейі неғұрлым жоғары болса, аяздың әсерінен топырақ деформацияларының мүмкіндігі соғұрлым жоғары болады. Егер жер асты суының деңгейі берілген топырақтағы судың капиллярлық көтерілу биіктігінен тереңірек орналасса, аяз әсерінен болатын деформациялар мардымсыз болады.
Ad 3) Аяздың үздіксіз созылатын уақыты неғұрлым ұзақ болса, соғұрлым аяздан болатын деформациялар да үлкен болады, өйткені ірі әрі көп мұз линзалары түзіледі. Қатты әрі қысқа мерзімді аяз аз деформация туғызады, өйткені бұл жағдайда поралардағы судың кенеттен қатуы және судың капиллярлық ағымының үзілуі болады. Керісінше, орташа және ұзақ мерзімді аяз мұз линзаларының кедергісіз түзілуі салдарынан үлкенірек деформациялар туғызады.
Ашуды реттеу әсері
Жібіту кезінде ең алдымен беткі топырақтың жоғарғы бөлігіндегі мұз линзалары ериді, ал оның дәл астында тоңған, демек су өткізбейтін қабат қалады. Еріген мұз линзалары көп мөлшерде су береді, ол төменгі тоңған қабат арқылы сіңе алмайтындықтан, беткі қабаттағы осы артық су топырақты шамадан тыс қанықтырып, одан сұйық масса түзеді; оның ешқандай беріктігі болмайды, керісінше қысым әсерінен бүйірге ығыстырылады. Жібіту әсерінен болатын топырақ деформациялары едәуір және кейбір жағдайларда қауіпті болуы мүмкін. Мұндай деформациялар теміржол және автомобиль жолдарындағы қазбаларда жиі кездеседі, мұнда көктемде еріген мұз линзаларынан топырақтың сумен шамадан тыс қанығуы салдарынан еңістердің ішінара сырғуы орын алады, сондай-ақ көлік қозғалысы әсерінен суға қанығу салдарынан көтергіштігін жоғалтқан топырақтағы жол жабындарының деформациясы байқалады.
Топыраққа аяз әсерін бағалау критерийі
Аяздың әртүрлі топырақ түрлеріне әсерін зерттеу нәтижесінде, аязға қатынасы бойынша топырақтың екі түрін ажырату керек деген қорытындыға келінді: қауіпсіз және аязға қауіпті.
Аязға төзімді топырақтар — аяздың ұзақтығы қанша болса да, оларда мұз линзалары түзілмейтін топырақтар. Мұндай топырақ түрінде тек оның кеуектеріндегі судың қатаюы және мұз кристалдарының түзілуі болады, аяз әсерінен деформациялары шамалы болады. Бұл топқа қиыршық тас, құм және соған ұқсас топырақтар жатады.
Аязға қауіпті топырақтар — мұз линзалары түзілетін, соның салдарынан едәуір деформациялар туындауы мүмкін топырақтар. Беткі қабатта жиналған су аяз әсері кезінде мұз линзалары түрінде сондай-ақ еріту әсерін де туғызады. Бұл топқа кейбір шаңды-саздақты, әсіресе шаңды топырақтар жатады.
Топырақтың аязға төзімділігін бағалаудың бірнеше критерийі бар, олардың ішінде ең белгілілері — мұнда сипатталатын Артур Касагранде мен Рукли критерийлері.
А. Касагранде критерийі
Бұл критерий топырақтың гранулометриялық құрамына негізделеді және былай тұжырымдалады:
a) Құрамы біркелкі топырақта, оның біркелкі еместік дәрежесі U < 5 болғанда, егер ол 10%-ден артық өлшемі 0,02 mm-ден кіші түйірлерді қамтыса, топырақ аязға қауіпті болады.
b) Біркелкі емес құрамды топырақта, оның біркелкі еместік дәрежесі U > 15 болса, топырақта 3%-ден астам, өлшемі 0,02 mm-ден кіші түйірлер болса, ол аязға қауіпті.
Бұл критерий ұзақ уақыт бойы қолданылып, әрдайым сенімді нәтижелер бергенімен, оның кемшілігі — тек топырақтың түйіршіктілік құрамына ғана сүйеніп, топырақтағы аяз әсеріне ықпал ететін басқа факторларды есепке алмайды. Сондықтан бүгінде бұл критерий тым қатаң әрі экономикалық тұрғыдан тиімсіз деп саналады.
Рукльев критерийі
Осы әдіс бойынша топырақ қатты бөлшектерінің ірілігіне қарай екі фракцияға бөлінеді, атап айтқанда, диаметрі d > 2 mm болатын ірі түйірлі фракция және диаметрі d < 2 mm болатын ұсақ түйірлі фракция. Топырақтың тоңға төзімділігін бағалау үшін ұсақ түйірлі фракция мөлшерінің ірі түйірлі фракция мөлшеріне тәуелділігі белгіленеді, және бұл тәуелділік төменгі және жоғарғы шектермен берілген (сур. 1).
Төменгі шек — қоспаның құрғақ салмағына шаққанда d < 0,02 mm болатын қатты бөлшектердің, яғни 0-2 mm фракциясының рұқсат етілетін ең жоғары пайыздық мөлшері; бұл кезде қолайсыз жағдайларда, мысалы, жерасты суы деңгейінің жоғары болуы, қолайсыз климаттық жағдайлар (ұзаққа созылған аяздар) және топырақтың жоғары табиғи ылғалдылығы кезінде аяздан іс жүзінде ешқандай зақым келмейді.
Жоғарғы шек құрғақ салмақтағы ұсақ түйіршікті фракциядағы d < 0,02 mm бөлшектерінің ең көп рұқсат етілген пайызын білдіреді, бұл кезде қолайлы жағдайларда, мысалы, жерасты суының деңгейі төмен болғанда, климаттық жағдайлар қолайлы (қысқа мерзімді аяздар) және топырақтың табиғи ылғалдылығы аз болғанда, аяз салдарынан іс жүзінде ешқандай зақым болмайды.
1-сур. Руклие критерийі бойынша топырақтың аязға қауіптілігін бағалаудың төменгі және жоғарғы шектері
Топырақтағы аяз әсерінен қорғау
Топырақтағы аяз әсерінің тереңдігі өңірдің климаттық жағдайларына байланысты. Біздің елімізде ол негізінен жер бетінің астында 0,8-дан 1,0 m-ға дейін. Сондықтан іргетасы 1,0 m-ға тең немесе одан үлкен тереңдікте салынған құрылымдар аяз әсеріне ұшырамайды.
Жолдардағы жабындар сияқты таяз іргетасты конструкциялар, тоң әсеріне ұшырайды; бұл әсер мұздау кезінде де, жібіген кезде де жабында үлкен деформациялар мен зақымдар тудыруы мүмкін. Сондықтан жолдар мен әуежайлардың ұшып-қону жолақтарын салғанда, топырақты тоң әсері тұрғысынан тексеру қажет, ал негіз топырағы тоңға қауіпті болса, қорғаныш шараларын қолдану керек. Жол және әуежай жабындарында ең тиімді шара — төсем қабатын жасау, оның қалыңдығы осылай анықталады: жабын мен төсем қабатының жалпы қалыңдығы ауыр қозғалыс үшін 0,80 m-ден жеңіл қозғалыс үшін 0,60 m-ге дейін болуы керек. Көбіне жабынның астындағы 0,30 m төсем қабатының қалыңдығы тоң әсерінен жеткілікті қорғаныс береді.
Тампон қабатын жасауға арналған материал әдетте құм немесе құмды қиыршықтас болады, ол мына шарттарға сай болуы керек:
Икемділік индексі IP < 5
d < 0,02 mm фракциясының мөлшері 3%-ден аз
Біркелкі еместік дәрежесі U > 7.
Демпферлік қабаттың жоғарғы бөлігі 20 cm қалыңдықта біркелкі және ұсақ түйіршікті құм болмауы тиіс, себебі оның тығыздалуы жеткіліксіз және көтергіштігі шектеулі. Бұл бөлікте демпферлік қабат 30-70% түйіршіктері бар 2-30 mm өлшемді құмды қиыршық тас болуы керек. 30 mm-ден үлкен түйіршіктер ұсынылмайды.
Жер бетіне таяз салынған қоршау қабырғалары да топырақтағы аяз әсеріне ұшырайды, соның салдарынан олар қисаяды, ал аяздың қайталанған әсері уақыт өте келе олардың аударылып құлауына және бұзылуына әкеледі. Сондықтан, егер топырақ аязға қауіпті болса, бұл қабырғаларды 1,0 m тереңдікке іргетастау керек.