Effectus frigoris in solum

Deformationes soli ob actionem gelu

Sub actione frigoris aqua libera sine fluxu congelatur ad 0°C et eo tempore expanditur usque ad 9% sui voluminis. Aqua autem in tubis capillaribus angustiis non congelatur ad 0°C, sed ad temperaturas inferiores, quae variant ab -1°C ad -78°C. Haec ultima temperatura congelationis experimentis laboratoriis in America comprobata est. Quo angustior tubus capillaris, eo humilior temperatura congelationis.

In solo pori sunt, qui inter se omnibus in partibus conectuntur et tubos capillares formant. In arena pori magni sunt et latas fistulas capillares formant, in quibus aqua congelatur ad 0°C vel ad paulo inferiorem temperaturam. Aqua aequaliter congelatur, quo fit ut in poris crystalli glaciales formantur, quorum incrementum voluminis ad 9% nullas deformationes soli significantes efficit. In solo granulatione tenui pori tenuiores sunt et angustos tubos capillares formant, in quibus aqua congelatur ad temperaturas inferiores quam 0°C. In strato tamen superficiali solum semper laxius est cum poris maioribus, in quibus aqua congelatur ad 0°C et crystalla glacialis format. Haec crystalla aquam refrigeratam ex poris angustis magna vi ad se alliciunt, sic dicta vi crystallizationis. Cum aqua ita attracta cum crystallis glacialis contactum facit et ipsa congelat, volumen crystallorum glacialis augens, quae in lenticulas glaciales fiunt, quarum crassitudo esse potest circiter 0,1 ad 10 mm. Formatae lenticulae glaciales magnam deformationem soli tempore actionis frigoris efficiunt, quae sub condicionibus praecipue adversis ad 30 et 50 cm pervenire potest.

Apparitio et magnitudo deformationis soli ob effectum gelu praecipue a sequentia 3 factorum dependet:

1. Compositio granulometrica soli

2. Nivus aquae subterraneae

3. Tempus durandi pruinae.

Ad 1) Quod ad compositionem granulometricam attinet, maxima actio gelu est in solo tenui-granoso, cuius pori satis minuti sunt ut canales capillares angustos formare possint, simul autem sufficientem permeabilitatem habet, quae rapidam circulationem aquae tempore actionis gelus permittit. Tale solum maxime sensibile est gelu, tam quoad celeritatem apparitionis quam quoad magnitudinem deformationum. Haec sunt solum limosa, quae praecipue constant ex granis magnitudinis 0,02-0,002 mm. Grana magnitudinis >0,02 mm parvam altitudinem ascensus capillaris habent, dum grana magnitudinis < 0,002 mm tardum ascensum capillarem habent, ita ut utroque in casu tempore durationis gelus tantum parva quantitas aquae in zonam actionis gelus pervenire possit. Si solum argillosum plus quam 25% particulas magnitudinis < 0,002 mm continet, permeabilitas soli valde parva est et circulatio aquae in poris tam tarda est, ut in poris prius congelatur quam lenticulae glaciales attrahi possint.

Ad 2) Pored uslova u pogledu granulometrijskog sastava tla mora biti ispunjen još jedan uslov da bi došlo do deformacija tla na mrazu. To je da postoji mogućnost dospevanja vode u zonu dejstva mraza. Ako ovaj uslov ne bi bio ispunjen, tj. ako kapilari tla ne bi bili u vezi sa vodom koja će stalno strujati kroz njih za vreme dejstva mraza, neće doći do deformacija na mrazu, ma kakav da je granulometrijski sastav tla.

Quo altior est gradus aquae subterraneae, eo maior est possibilitas deformationum soli ob actionem gelu. Si gradus aquae subterraneae in maiore profunditate est quam altitudo ascensus capillaris aquae solii dati, deformationes ob actionem gelu sunt exiguas.

Ad 3) Ukoliko je vremenski period neprekidnog trajanja mraza duži, utoliko su deformacije usled mraza veće, zbog stvaranja većih i mnogobrojnih sočiva. Jaki i kratkotrajni mraz izaziva manje deformacije, jer u tom slučaju nastaje naglo smrzavanje vode u porama i prekid kapilarnog strujanja vode. Naprotiv, srednji i dugotrajni mraz izaziva veće deformacije zbog nesmetanog stvaranja ledenih sočiva.

Effectus deglutinationis

Prilikom otkravljivanja, najpre se otope ledena sočiva u gornjem delu površinskog tla, dok odmah ispod njega ostaje smrznuti, pa prema tome i nepropusni sloj. Pošto otopljena ledena sočiva daju veliku količinu vode, koja ne može da ponire kroz smrznuti donji sloj, ova povećana količina vode u površinskom sloju prezasićuje tlo i stvara od njega tečnu masu, koja nema nikakvu čvrstoću, već se pod pritiskom bočno istiskuje. Deformacije tla usled dejstva otkravljivanja mogu biti znatne i u izvesnim slučajevima opasne. Ove deformacije su česte kod useka na železničkim prugama i putevima, gde u proleće dolazi do delimičnog klizanja kosina usled prezasićenosti tla vodom od otopljenih ledenih sočiva, kao i na putevima, čiji se kolovozi pod saobraćajem deformišu na tlu koje je izgubilo nosivost usled prezasićenosti vodom.

Criterium ad aestimandum effectum gelu in solum

Per studium effectus gelu in varias terrae species ad conclusionem perventum est, quod, quoad se gerunt sub gelu, duo genera soli distinguenda sunt: tutae et gelu periculosae.

Solum gelu securum est illud in quo lenticulae glaciales non formantur, quamvis longum sit gelu temporis spatium. In hoc genere soli tantum aqua in poris eius congelatur et crystalli glaciales formantur, cum exiguis deformationibus sub actione frigoris. In hanc classem pertinent glarea, arena et similia sola.

Soila gelu periculosa ea sunt, in quibus lenticulae glaciales formantur, ex quo maiores deformationes oriri possunt. Aqua in strato superficiali congesta in forma lenticularum glaciarum tempore actionis gelu etiam effectum thawing efficit. In hanc classem quaedam terrae limoso-argillaceae atque praesertim limosae numerantur.

Sunt flere criteria ad aestimandam resistentiam soli ad gelu, inter quae notissima sunt criteria Arthuri Casagrande et Ruklii, quae hic describemus.

Criterion A. Casagrandae

Hoc criterion in compositione granulometrica soli fundatur et sic sonat:

a) Kod tla ravnomernog sastava, čiji je stepen neravnomernosti U < 5, tlo je osetljivo na mraz ako sadrži više od 10% zrna veličine ispod 0,02 mm.

b) In solo inaequali compositionis, cuius gradus inaequalitatis U > 15, solum periculo gelu obnoxium est, si continet plus quam 3% granorum magnitudine infra 0,02 mm.

Quamvis hic criterium per longum tempus adhibitum sit et semper resultados fideles dederit, eius vitium est quod tantum in granularitate soli innititur neque etiam ceteros factores qui in effectum frigoris in solo influunt considerat. Quapropter hodie existimatur hunc criterium nimis severum et inaeconomicum esse.

Rukliev criterium

Hac methodo solum in duas fractiones secundum duritiem particularum solidarum dividitur, scilicet in fractionem crassam, granula diametri d > 2 mm et fractionem tenuem, granula diametri d < 2 mm. Ad aestimandam stabilitatem soli contra gelu, dependentia quantitatis fractionis tenuis a quantitate fractionis crassae ponitur, et haec dependentia datur limite inferiore et superiore (fig. 1).

Terminus inferior maximam admittit proportionem partium solidarum diametro d < 0,02 mm ad pondus siccum repletionis, id est fractionis 0-2 mm, qua fere nulla damna a gelu sub condicionibus adversis oriuntur, quales sunt aqua subterranea alta, condiciones climaticas infaustae (gelu diuturnum) et magna naturalis humiditas soli.

Limen superius maximum permisum est centesima particularum d < 0,02 mm ponderis sicci fractionis tenuigranosae, apud quod fere nulla damna ob gelu eveniunt sub condicionibus favorabilibus, ut sunt humilis gradus aquarum subterraneorum, condiciones climaticae favorabiles (gelus brevis durationis) et parva naturalis humiditas soli.

Fig. 1 Limites inferiores et superiores ad aestimationem periculi soli a gelu secundum criterium Ruklievum

Protectio adversus effectum gelu in solo

Profunditas actionis gelu in solo a condicionibus climaticis regionis pendet. In patria nostra plerumque est 0,8 ad 1,0 m sub superficie terrae. Itaque structurae in profunditate aequali vel maiore quam 1,0 m fundatae sub actione gelu non erunt.

Constructiones parum fundatae, ut sunt strata viarum, actioni gelu exponuntur, quae maiores deformationes et damna in strato viae efficere potest, tam in congelatione quam in thawing. Quam ob rem, in confectione stratorum viarum et viarum ad volatus take-off et landing in aeroportibus, solum quoad actionem gelu examinari oportet, et si solum fundamentale gelu periculosum est, mensurae tutelares adhibendae sunt. In stratis viarum et aeroportuum efficacissima mensura est strati tamponis constructio, cuius crassitudo ita determinatur, ut tota crassitudo strati viae et strati tamponis sit 0,80 m ad gravem vehiculationem usque ad 0,60 m ad levem vehiculationem. Saepe crassitudo strati tamponis 0,30 m sub strato viae satis est tutela contra actionem gelu.

Materia ad stratum tamponis conficiendum plerumque est arena aut glarea arenosa, quae haec sequentia postulata implere debet:

Index plasticitatis IP < 5

Contentum fractionis d < 0,02 mm minus quam 3%

Gradus inaequalitatis U > 7.

Pars superior strati tamponis, crassitudine 20 cm, non debet esse arena uniformis et tenuiter granulata ob insufficientem compactionem et capacitatem oneris limitatam. In hac parte stratum tamponis esse debet glarea arenosa cum 30-70% granis magnitudinis 2-30 mm. Grana maiora quam 30 mm non commendantur.

Parietes sepimentales leviter fundati etiam vi gelu in solo afficiuntur, unde inclinantur, quod sub repetita actione gelu per tempus ad eorum deiectionem et ruinam ducit. Quam ob rem hi parietes ad profunditatem 1,0 m fundandi sunt, si solum gelu periculosum est.