Grunto deformacijos dėl šalčio poveikio
Veikiant šalčiui, stovintis laisvas vanduo užšąla prie 0°C ir dėl to išsiplečia 9% savo tūrio. Tačiau vanduo siauruose kapiliariniuose vamzdeliuose neužšąla prie 0°C, o tik žemesnėse temperatūrose, kurios svyruoja nuo -1°C iki -78°C. Ši paskutinė užšalimo temperatūra nustatyta laboratoriniais bandymais Amerikoje. Kuo kapiliarinis vamzdelis siauresnis, tuo užšalimo temperatūra žemesnė.
Grunte yra porų, tarpusavyje sujungtų visomis kryptimis ir sudarančių kapiliarinius vamzdelius. Smėlyje poros yra stambios ir sudaro plačius kapiliarinius vamzdelius, kuriuose vanduo užšąla ties 0°C arba kiek žemesnėje temperatūroje. Vanduo užšąla tolygiai, porose susidaro ledo kristalai, kurių tūrio padidėjimas nuo 9% nesukelia jokių reikšmingesnių grunto deformacijų. Smulkiagrūdžio sudėties grunte poros yra smulkesnės ir sudaro siaurus kapiliarinius vamzdelius, kuriuose vanduo užšąla žemesnėse nei 0°C temperatūrose. Tačiau paviršiniame sluoksnyje gruntas visada yra puresnis, su stambesnėmis poromis, kuriose vanduo užšąla ties 0°C ir sudaro ledo kristalus. Šie kristalai stipria jėga, vadinamąja kristalizacine jėga, pritraukia į save atvėsusį vandenį iš siaurų porų. Kai taip pritrauktas vanduo susiliečia su ledo kristalais ir pats užšąla, didėja ledo kristalų tūris, jie virsta ledo lęšiais, kurių storis gali būti apie 0,1 iki 10 mm. Susidarę ledo lęšiai šalčio poveikio metu sukelia didelę grunto deformaciją, kuri ypač nepalankiomis sąlygomis gali siekti 30 ir 50 cm.
Grunto deformacijos atsiradimas ir dydis dėl šalčio poveikio daugiausia priklauso nuo šių 3 veiksnių:
-
Požeminio vandens lygis
-
Šalnos trukmė.
Ad 1) Granulometrinės sudėties požiūriu didžiausią šalčio poveikį patiria smulkiagrūdis gruntas, kurio poros pakankamai smulkios, kad sudarytų siaurus kapiliarinius vamzdelius, ir kartu jis turi pakankamai didelį laidumą, leidžiantį greitą vandens cirkuliaciją šalčio veikimo metu. Toks gruntas yra jautriausias šalčiui tiek pagal pasireiškimo greitį, tiek pagal deformacijų dydį. Tai dulkėti gruntai, kuriuos daugiausia sudaro 0,02-0,002 mm dydžio grūdeliai. >0,02 mm dydžio grūdelių kapilinis kilimas yra mažas, o 0,002 mm dydžio grūdelių kapilinis kilimas vyksta lėtai, todėl abiem atvejais šalčio veikimo metu į šalčio veikimo zoną gali patekti tik mažas vandens kiekis. Jei molingame grunte yra daugiau kaip 25% % 0,002 mm dydžio dalelių, grunto laidumas yra labai mažas ir vandens cirkuliacija porose tokia lėta, kad vanduo porose užšąla anksčiau, negu gali susidaryti ledo lęšiai.
Ad 2) Be sąlygos dėl dirvožemio granuliometrinės sudėties dar turi būti įvykdyta viena sąlyga, kad dirvožemyje dėl įšalo susidarytų deformacijos. Tai yra, turi būti galimybė vandeniui patekti į įšalo veikimo zoną. Jei ši sąlyga nebūtų įvykdyta, t. y. jei dirvožemio kapiliarai nebūtų susiję su vandeniu, kuris įšalo metu per juos nuolat tekėtų, deformacijų dėl įšalo nebus, nesvarbu, kokia būtų dirvožemio granuliometrinė sudėtis.
Kuo gruntinio vandens lygis aukštesnis, tuo didesnė grunto deformacijų dėl šalčio poveikio tikimybė. Jei gruntinio vandens lygis yra didesniame gylyje negu atitinkamo grunto vandens kapiliarinio kilimo aukštis, deformacijos dėl šalčio poveikio yra menkos.
Ad 3) Kuo ilgesnis nepertraukiamo įšalo laikotarpis, tuo didesnės deformacijos dėl įšalo, nes susidaro didesni ir gausesni lęšiai. Stiprus ir trumpalaikis įšalas sukelia mažesnes deformacijas, nes tokiu atveju porose vanduo staiga užšąla ir nutrūksta kapiliarinis vandens tekėjimas. Priešingai, vidutinis ir ilgalaikis įšalas sukelia didesnes deformacijas dėl netrukdomo ledo lęšių susidarymo.
Atšaldymo poveikis
Atšylant pirmiausia ištirpsta ledo lęšiai viršutinėje paviršinio grunto dalyje, o iš karto po ja lieka įšalęs, taigi ir nelaidus sluoksnis. Kadangi ištirpę ledo lęšiai duoda didelį vandens kiekį, kuris negali prasiskverbti pro įšalusį apatinį sluoksnį, šis padidėjęs vandens kiekis paviršiniame sluoksnyje persotina gruntą ir paverčia jį skysta mase, kuri neturi jokio tvirtumo, o veikiama slėgio yra išstumiama į šonus. Grunto deformacijos dėl atšilimo poveikio gali būti didelės ir tam tikrais atvejais pavojingos. Šios deformacijos dažnos geležinkelio ir kelių iškasose, kur pavasarį dalinai slysta šlaitai dėl grunto persotinimo vandeniu iš ištirpusių ledo lęšių, taip pat keliuose, kurių važiuojamoji dalis eismo veikiama deformuojasi ant grunto, praradusio laikomąją galią dėl persotinimo vandeniu.
Grunto šalčio poveikio vertinimo kriterijus
Tiriant šalčio poveikį įvairioms dirvožemio rūšims, prieita prie išvados, kad pagal elgesį šalčio atžvilgiu reikia skirti dvi dirvožemio rūšis: saugias ir pavojingas šalčiui.
Šalčiui atsparūs dirvožemiai yra tie, kuriuose nesusidaro ledo lęšiai, kad ir kiek ilgai truktų šalčio periodas. Šio tipo dirvožemyje vyksta tik vandens užšalimas jo porose ir ledo kristalų susidarymas, esant nežymiems deformacijoms šalčio poveikyje. Šiai grupei priklauso žvyras, smėlis ir panašūs dirvožemiai.
Šalčiui pavojingi gruntai yra tie, kuriuose susidaro ledo lęšiai, dėl ko gali atsirasti didesnių deformacijų. Susikaupęs vanduo paviršiniame sluoksnyje ledo lęšių pavidalu šalčio poveikio metu taip pat sukelia iškėlimo poveikį. Šiai grupei priskiriami kai kurie dulkingi molingi, o ypač dulkingi gruntai.
Yra keli dirvos atsparumo šalčiui vertinimo kriterijai, iš kurių žinomiausi yra Arthuro Casagrande’o ir Ruklijaus kriterijai, kuriuos čia ir aprašysime.
A. Casagrande kriterijus
Šis kriterijus pagrįstas grunto granuliometrine sudėtimi ir skamba taip:
a) Vienodos sudėties grunte, kurio nevienodumo laipsnis U < 5, gruntas yra jautrus šalčiui, jei jame yra daugiau kaip 10% dalelių, kurių dydis mažesnis nei 0,02 mm.
b) Esant nevienodos sudėties gruntui, kurio nevienodumo laipsnis U > 15, gruntas yra pavojingas šalčiui, jei jame yra daugiau kaip 3% dalelių, kurių dydis mažesnis nei 0,02 mm.
Nors šis kriterijus ilgą laiką buvo taikomas ir visada duodavo patikimus rezultatus, jo trūkumas yra tas, kad jis grindžiamas tik grunto granuliometrine sudėtimi ir neatsižvelgia į kitus veiksnius, turinčius įtakos šalčio poveikiui grunte. Todėl šiandien laikoma, kad šis kriterijus yra pernelyg griežtas ir neekonomiškas.
Ruklievo kriterijus
Pagal šį metodą gruntas pagal kietųjų dalelių stambumą skirstomas į dvi frakcijas: stambiagrūdę frakciją, kurios dalelių skersmuo d > 2 mm, ir smulkiagrūdę frakciją, kurios dalelių skersmuo d < 2 mm. Vertinant grunto atsparumą įšalui, nustatoma smulkiagrūdės frakcijos kiekio priklausomybė nuo stambiagrūdės frakcijos kiekio, o ši priklausomybė pateikta apatine ir viršutine ribomis (pav. 1).
Apatinė riba reiškia didžiausią leistiną kietųjų dalelių, kurių skersmuo d < 0,02 mm, procentą nuo užpildo sausojo svorio, t. y. frakcijos 0-2 mm, kuriai esant praktiškai nekyla jokių šalčio padarytų pažeidimų nepalankiomis sąlygomis, tokiomis kaip aukštas gruntinio vandens lygis, nepalankios klimato sąlygos (ilgalaikiai šalčiai) ir didelis natūralus grunto drėgnis.
Viršutinė riba reiškia didžiausią leistiną dalelių d < 0,02 mm procentą nuo smulkiagrūdės frakcijos sausosios masės, kuriam esant, esant palankioms sąlygoms, pavyzdžiui, žemam gruntinio vandens lygiui, palankioms klimato sąlygoms (trumpalaikėms šalnoms) ir mažam natūraliam grunto drėgnumui, praktiškai neatsiranda jokių šalčio padarytų pažeidimų.
Pav. 1 Apatinė ir viršutinė dirvožemio pavojingumo šalčiui vertinimo ribos pagal Ruklijevo kriterijų
Apsauga nuo šalčio poveikio grunte
Šalčio poveikio grunte gylis priklauso nuo vietovės klimato sąlygų. Mūsų šalyje jis daugiausia yra 0,8 iki 1,0 m po žemės paviršiumi. Taigi konstrukcijos, įrengtos 1,0 m gylyje arba didesniame gylyje, nebus veikiamos šalčio.
Negiliai įrengtoms konstrukcijoms, tokioms kaip kelių dangos, veikia įšalo poveikis, kuris gali sukelti didesnes deformacijas ir dangos pažeidimus tiek įšąlant, tiek atitirpstant. Todėl įrengiant kelių dangas ir aerodromų kilimo ir tūpimo takus būtina ištirti gruntą įšalo poveikio požiūriu ir, jei pagrindinis gruntas yra jautrus šalčiui, reikia imtis apsaugos priemonių. Kelių ir aerodromų dangoms veiksmingiausia priemonė yra pagrindo sluoksnio įrengimas, kurio storis parenkamas taip, kad bendras dangos ir pagrindo sluoksnio storis būtų 0,80 m sunkiam eismui iki 0,60 m lengvam eismui. Dažniausiai 0,30 m storio pagrindo sluoksnis po danga yra pakankama apsauga nuo įšalo poveikio.
Pagrindo sluoksniui įrengti paprastai naudojamas smėlis arba smėlingas žvyras, kurie turi atitikti šias sąlygas:
Plastiškumo indeksas IP < 5
Frakcijos d < 0,02 mm kiekis mažesnis už 3%
Netolygumo laipsnis U > 7.
Viršutinė pagalbinio sluoksnio dalis, kurios storis 20 cm, negali būti vienalytis ir smulkus smėlis dėl nepakankamo sutankinimo ir riboto laikomojo pajėgumo. Šioje dalyje pagalbinis sluoksnis turi būti smėlėtas žvyras su 30-70% dydžio grūdais 2-30 mm. Didesni nei 30 mm grūdai nerekomenduojami.
Negiliai įrengtos aptvarinės sienelės taip pat veikiamos grunto įšalo, todėl pasvyra, o pakartotinai veikiamos įšalo ilgainiui apsiverčia ir sugriūva. Dėl to šias sieneles reikia įrengti 1,0 m gylyje, jei gruntas yra pavojingas dėl šalčio.