Grunts deformācijas sala ietekmē
Sala iedarbībā brīvais bezplūsmas ūdens sasalst pie 0°C un, sasalstot, palielinās par 9% sava tilpuma. Tomēr ūdens šaurās kapilārajās caurulēs nesasalst pie 0°C, bet gan zemākās temperatūrās, kas svārstās no -1°C līdz -78°C. Šī pēdējā sasalšanas temperatūra noteikta laboratorijas eksperimentos Amerikā. Jo šaurāka ir kapilārā caurule, jo zemāka ir sasalšanas temperatūra.
Augsnē pastāv poras, kas savā starpā ir saistītas visos virzienos un veido kapilārās caurules. Smiltīs poras ir lielas un veido platas kapilārās caurules, kurās ūdens sasalst pie 0°C vai nedaudz zemākas temperatūras. Ūdens sasalst vienmērīgi, porās veidojas ledus kristāli, kuru tilpuma palielināšanās par 9% neizraisa nekādas būtiskākas augsnes deformācijas. Smalkgraudainas augsnes gadījumā poras ir mazākas un veido šauras kapilārās caurules, kurās ūdens sasalst zemākā temperatūrā nekā 0°C. Tomēr virskārtā augsne vienmēr ir irdenāka ar lielākām porām, kurās ūdens sasalst pie 0°C un veido ledus kristālus. Šie kristāli pievelk pie sevis atdzesētu ūdeni no šaurajām porām ar lielu spēku, tā saukto kristalizācijas spēku. Kad šādi pievilktais ūdens nonāk saskarē ar ledus kristāliem un pats sasalst, palielinot ledus kristālu tilpumu, tie kļūst par ledus lēcām, kuru biezums var būt apmēram 0,1 līdz 10 mm. Izveidotās ledus lēcas salu iedarbības laikā izraisa ievērojamu augsnes deformāciju, kas īpaši nelabvēlīgos apstākļos var sasniegt 30 un 50 cm.
Grunts deformācijas rašanās un lielums sala iedarbības dēļ galvenokārt ir atkarīgs no šādiem 3 faktoriem:
-
Gruntsūdens līmenis
-
Sala ilgums.
Ad 1) Granulometriskā sastāva ziņā vislielākā sala iedarbība ir sīkgraudainai gruntij, kuras poras ir pietiekami sīkas, lai veidotu šauras kapilārās caurules, un vienlaikus tai ir pietiekami liela caurlaidība, kas nodrošina strauju ūdens cirkulāciju sala iedarbības laikā. Šāda grunts ir visjutīgākā pret salu gan parādīšanās ātruma, gan deformāciju lieluma ziņā. Tās ir putekļainas grunts, kas galvenokārt sastāv no graudiem ar izmēru 0,02-0,002 mm. Graudiem ar izmēru >0,02 mm ir neliels kapilārās pacelšanās augstums, bet graudiem ar izmēru < 0,002 mm kapilārā pacelšanās ir lēna, tāpēc abos gadījumos sala iedarbības laikā iedarbības zonā var nonākt tikai neliels ūdens daudzums. Ja mālainā gruntī ir vairāk nekā 25% daļiņu ar izmēru < 0,002 mm, grunts caurlaidība ir ļoti maza un ūdens cirkulācija porās ir tik lēna, ka ūdens porās sasalst ātrāk, nekā var tikt piesaistītas ledus lēcas.
Ad 2) Papildus nosacījumam attiecībā uz augsnes granulometrisko sastāvu, lai augsnē mraza iedarbības rezultātā rastos deformācijas, jāizpildās vēl vienam nosacījumam. Proti, jābūt iespējai ūdenim pieplūst sala iedarbības zonā. Ja šis nosacījums nebūtu izpildīts, t. i., ja augsnes kapilāri nebūtu saistīti ar ūdeni, kas sala iedarbības laikā caur tiem nepārtraukti plūstu, deformācijas sala ietekmē nerastos, lai kāds arī būtu augsnes granulometriskais sastāvs.
Jo augstāks ir pazemes ūdens līmenis, jo lielāka ir augsnes deformāciju iespējamība sala iedarbības dēļ. Ja pazemes ūdens līmenis atrodas lielākā dziļumā nekā dotās augsnes ūdens kapilārās pacelšanās augstums, deformācijas sala iedarbības dēļ ir nenozīmīgas.
Ad 3) Jo ilgāks ir nepārtrauktas sala perioda ilgums, jo lielākas ir sala izraisītās deformācijas, jo veidojas lielāki un daudzskaitlīgāki lēcasveida veidojumi. Spēcīgs un īslaicīgs sals izraisa mazākas deformācijas, jo šajā gadījumā notiek strauja ūdens sasalšana porās un kapilārās ūdens plūsmas pārtraukšanās. Savukārt mēreni stiprs un ilgstošs sals izraisa lielākas deformācijas, jo netraucēti veidojas ledus lēcas.
Atkaļķošanas iedarbība
Atkušņa laikā vispirms izkūst ledus lēcaiņu augšējā virspuses grunts daļā, bet tieši zem tās paliek sasalusi un tātad arī necaurlaidīga kārta. Tā kā izkusušās ledus lēcaiņas dod lielu ūdens daudzumu, kas nevar iesūkties caur sasalušo apakšējo slāni, šis palielinātais ūdens daudzums virskārtā pārsātina grunti un veido no tās šķidru masu, kurai nav nekādas stiprības, bet kura spiediena iedarbībā tiek izspiesta sāniski. Grunts deformācijas atkušņa iedarbības dēļ var būt ievērojamas un atsevišķos gadījumos bīstamas. Šīs deformācijas ir biežas dzelzceļa un autoceļu griezumos, kur pavasarī notiek daļēja nogāžu noslīdēšana grunts pārsātinājuma ar ūdeni dēļ no izkusušajām ledus lēcaiņām, kā arī uz ceļiem, kuru brauktuves satiksmes ietekmē deformējas gruntī, kas pārsātinājuma ar ūdeni dēļ ir zaudējusi nestspēju.
Kritērijs sala iedarbības uz grunti novērtēšanai
Pētījumi par sala iedarbību uz dažādām augsnēm ļāva secināt, ka attiecībā uz rīcību salā jānošķir divu veidu augsnes: drošas un sala bīstamas.
Augsnes, kas ir drošas pret salu, ir tās, kurās neveidojas ledus lēcas, lai cik ilgs būtu sala periods. Šāda veida augsnēs notiek tikai ūdens sasalšana to porās un ledus kristālu veidošanās ar nelielām deformācijām sala iedarbībā. Šajā grupā ietilpst grants, smiltis un līdzīgas augsnes.
Salai bīstamas augsnes ir tās, kurās veidojas ledus lēcas, kuru dēļ var rasties lielākas deformācijas. Uzkrātais ūdens virskārtā ledus lēcu veidā sala iedarbības laikā izraisa arī atkušņa iedarbību. Šajā grupā ietilpst noteiktas putekļainas māla augsnes, īpaši putekļainas augsnes.
Pastāv vairāki kritēriji grunts salizturības novērtēšanai, no kuriem pazīstamākie ir Arthura Casagrande un Ruklia kritēriji, kurus šeit aprakstīsim.
Casagrandes A kritērijs
Šis kritērijs ir balstīts uz grunts granulometrisko sastāvu un skan šādi:
a) Ja gruntij ir vienmērīgs sastāvs un tās nevienmērības pakāpe U < 5, grunts ir sala bīstama, ja tā satur vairāk nekā 10% graudu, kuru izmērs ir mazāks par 0,02 mm.
b) Nevienmērīga sastāva gruntīm, kuru nevienmērības pakāpe U > 15, grunts ir salizteikta, ja tā satur vairāk nekā 3% graudu, kuru izmērs ir mazāks par 0,02 mm.
Lai gan šis kritērijs ilgu laiku tika lietots un vienmēr deva uzticamus rezultātus, tā trūkums ir tas, ka tas balstās tikai uz augsnes granulāciju un neņem vērā arī citus faktorus, kas ietekmē sala iedarbību augsnē. Tāpēc mūsdienās uzskata, ka šis kritērijs ir pārāk stingrs un neekonomisks.
Rukļjeva kritērijs
Pēc šīs metodes augsni sadala divās frakcijās pēc cieto daļiņu stingrības, proti, rupjgraudainajā frakcijā, kur daļiņu diametrs d > 2 mm, un smalkgraudainajā frakcijā, kur daļiņu diametrs d < 2 mm. Lai novērtētu augsnes sala noturību, nosaka smalkgraudainās frakcijas daudzuma atkarību no rupjgraudainās frakcijas daudzuma, un šī atkarība dota ar apakšējo un augšējo robežu (att. 1).
Apakšējā robeža nosaka lielāko pieļaujamo cieto daļiņu procentuālo daudzumu ar diametru d < 0,02 mm no aizbēruma sausā svara, t. i., frakcijai 0-2 mm, pie kuras praktiski nerodas nekādi sala bojājumi nelabvēlīgos apstākļos, piemēram, pie augsta gruntsūdens līmeņa, nelabvēlīgiem klimatiskajiem apstākļiem (ilgstošiem saliem) un lielas grunts dabiskās mitruma pakāpes.
Augšējā robeža ir lielākais pieļaujamais daļiņu d < 0,02 mm procentuālais daudzums no smalkgraudainās frakcijas sausās masas, pie kura praktiski nav nekādu sala bojājumu labvēlīgos apstākļos, piemēram, zema gruntsūdeņu līmeņa, labvēlīgu klimatisko apstākļu (īslaicīgu salnu) un neliela dabiskā grunts mitruma gadījumā.
Att. 1 Grunts sala bīstamības novērtējuma apakšējā un augšējā robeža pēc Ruklija kritērija
Aizsardzība pret sala iedarbību gruntī
Sala iedarbības dziļums augsnē ir atkarīgs no apvidus klimatiskajiem apstākļiem. Mūsu valstī tas pārsvarā ir 0,8 līdz 1,0 m zem zemes virsmas. Tāpēc konstrukcijas, kas pamatos iedziļinātas vienā vai lielākā dziļumā nekā 1,0 m, nebūs pakļautas sala iedarbībai.
Sekli fundētas konstrukcijas, piemēram, ceļu brauktuves, ir pakļautas sala iedarbībai, kas var radīt lielākas deformācijas un bojājumus brauktuvei gan sasalšanas, gan atkušanas laikā. Tādēļ, izbūvējot brauktuves uz ceļiem un lidostu skrejceļus, nepieciešams izpētīt augsni attiecībā uz sala iedarbību, un gadījumā, ja pamatne ir sala ziņā bīstama, jāveic aizsardzības pasākumi. Ceļu un lidostu brauktuvēm visefektīvākais pasākums ir izlīdzinošā slāņa ierīkošana, kura biezumu nosaka tā, lai kopējais brauktuves un izlīdzinošā slāņa biezums būtu 0,80 m smagai satiksmei līdz 0,60 m vieglai satiksmei. Parasti izlīdzinošā slāņa biezums 0,30 m zem brauktuves ir pietiekama aizsardzība pret sala iedarbību.
Pamatslāņa izgatavošanas materiāls parasti ir smiltis vai smilšains grants, kam jāatbilst šādiem nosacījumiem:
Plastiskuma indekss IP < 5
Frakcijas d < 0,02 mm saturs, mazāks par 3%
Neravnomērīguma pakāpe U > 7.
Buferkārtas augšējā daļa ar biezumu 20 cm nedrīkst būt vienmērīgas un smalkgraudainas smiltis nepietiekamas sablīvētības un ierobežotas nestspējas dēļ. Šajā daļā buferkārtai jābūt smilšainam grantij ar 30-70% graudu izmēru 2-30 mm. Graudi, kas lielāki par 30 mm, nav ieteicami.
Sekli izbūvētām norobežojošām sienām iedarbojas arī sals augsnē, kā rezultātā tās sasveras, un tas, atkārtoti iedarbojoties salam laika gaitā, noved pie to apgāšanās un sagrūšanas. Tāpēc šīs sienas jābūvē 1,0 m dziļumā, ja grunts ir pakļauta sala iedarbībai.