Деформации на тлото поради дејството на мразот
При дејство на мраз слободната вода без проток замрзнува на 0°C и при тоа се шири за 9% од својот волумен. Меѓутоа водата во тесни капиларни цевчиња не замрзнува на 0°C, туку на пониски температури, кои се движат од -1°C до -78°C. Оваа последна температура на смрзнување е утврдена со лабораториски испитувања во Америка. Колку е капиларната цевка потесна, толку е температурата на смрзнување пониска.
Во почвата постојат пори што меѓусебно се поврзани во сите насоки и образуваат капиларни цевчиња. Во песокот порите се крупни и образуваат широки капиларни цевчиња, во кои водата замрзнува на 0°C или на нешто пониска температура. Водата замрзнува рамномерно, при што во порите се образуваат ледени кристали, чие зголемување на волуменот од 9% не предизвикува никакви позначајни деформации на почвата. Во почва со ситнозрнест состав порите се поситни и образуваат тесни капиларни цевчиња во кои водата замрзнува на температури пониски од 0°C. Меѓутоа, во површинскиот слој почвата е секогаш порохава со покрупни пори, во кои водата замрзнува на 0°C и образува ледени кристали. Овие кристали привлекуваат кон себе оладена вода од тесните пори со голема сила, т.н. кристализациска сила. Кога така привлечената вода ќе дојде во допир со ледените кристали и самата ќе замрзне, зголемувајќи го волуменот на ледените кристали, кои стануваат ледени леќи, чија дебелина може да биде околу 0,1 до 10 mm. Формираните ледени леќи предизвикуваат значајна деформација на почвата за време на дејството на мразот, која при особено неповолни околности може да достигне до 30 и 50 cm.
Појавата и големината на деформацијата на почвата под дејство на мраз главно зависи од следните 3 фактори:
-
Ниво на подземна вода
-
Vremetraenjeto na mrazot.
Ad 1) Во поглед на гранулометрискиот состав, најголемо дејство на мразот има кај ситнозрнестото тло, чии пори се доволно ситни за да образуваат тесни капиларни цевчиња, а истовремено има доволно голема пропустливост, што овозможува брза циркулација на вода за време на дејството на мразот. Таквото тло е најчувствително на мраз, и во поглед на брзината на појава и во поглед на големината на деформациите. Тоа се прашнести тла, кои се состојат претежно од зрна со големина 0,02-0,002 mm. Зрната со големина >0,02 mm имаат мала висина на капиларно искачување, додека зрната со големина < 0,002 mm имаат бавно капиларно искачување, така што во двата случаи за време на траењето на мразот може да доспее само помало количество вода во зоната на дејство на мразот. Ако глинестото тло содржи над 25% честички со големина < 0,002 mm, пропустливоста на тлото е многу мала и циркулацијата на вода во порите е толку бавна, што таа во порите се смрзнува порано отколку што ледените леќи можат да се привлечат.
Ad 2) Покрај условот во поглед на гранулометрискиот состав на почвата мора да биде исполнет уште еден услов за да дојде до деформации на почвата при мраз. Тоа е да постои можност за допсување на вода во зоната на дејство на мразот. Ако овој услов не би бил исполнет, односно ако капиларите на почвата не би биле во врска со водата што ќе струи низ нив за време на дејството на мразот, нема да дојде до деформации при мраз, каков и да е гранулометрискиот состав на почвата.
Доколку нивото на подземната вода е повисоко, толку е поголема можноста за деформации на почвата поради дејството на мразот. Ако нивото на подземната вода е на поголема длабочина отколку висината на капиларното искачување на водата на дадената почва, деформациите поради дејството на мразот се незначителни.
Ад 3) Колку е подолг временскиот период на непрекинато траење на мразот, толку се поголеми деформациите поради мраз, заради создавање на поголеми и побројни леќи. Силен и краткотраен мраз предизвикува помали деформации, бидејќи во тој случај настанува нагло замрзнување на водата во порите и прекин на капиларното струење на водата. Напротив, среден и долготраен мраз предизвикува поголеми деформации поради непречено создавање на ледени леќи.
Дејство на откравување
При одмрзнувањето, најпрво се топат ледени леќи во горниот дел на површинската почва, додека веднаш под него останува замрзнат, па според тоа и непропустлив слој. Бидејќи стопените ледени леќи даваат голема количина вода, која не може да се впие низ замрзнатиот понизок слој, оваа зголемена количина вода во површинскиот слој ја презаситува почвата и од неа создава течна маса, која нема никаква цврстина, туку се истиснува странично под притисок. Деформациите на почвата поради дејството на одмрзнувањето можат да бидат значителни и во одредени случаи опасни. Овие деформации се чести кај насипи на железнички пруги и патишта, каде што во пролет доаѓа до делумно лизгање на косините поради презаситеноста на почвата со вода од стопените ледени леќи, како и на патишта, чии коловози под сообраќај се деформираат на почва што ја изгубила носивоста поради презаситеност со вода.
Критериум за оценување на дејството на мразот врз почвата
Со проучување на дејството на мразот врз разни видови почва се дошло до заклучок дека, во поглед на однесувањето при мраз, треба да се разликуваат два вида почва: безбедна и опасна на мраз.
Почви безбедни на мраз се оние кај кои не се создаваат ледени леќи, без оглед колку долго трае мразот. Кај овој вид почви постои само замрзнување на водата во нивните пори и образување на ледени кристали, со незначителни деформации при дејство на мраз. Во оваа група спаѓаат чакал, песок и слични почви.
Тла опасни од мраз се оние кај кои се создаваат ледени леќи, поради што можат да настанат поголеми деформации. Насобраната вода во површинскиот слој во вид на ледени леќи за време на дејството на мразот произведува и дејство на одмрзнување. Во оваа група спаѓаат извесни прашинасто-глинести, а особено прашинасти тла.
Постојат повеќе критериуми за оценување на постојаноста на почвата на мраз, меѓу кои најпознати се критериумите на Артур Казагранде и Руклија, кои овде ќе ги опишеме.
Критериум A. Casagrandea
Овој критериум се заснова на гранулометрискиот состав на почвата и гласи:
a) Кај тло со рамномерен состав, чиј степен на нерамномерност U < 5, тлото е опасно од мраз ако содржи повеќе од 10% зрна со големина под 0,02 mm.
б) Кај почва со нерамномерен состав, чиј степен на нерамномерност U > 15, почвата е опасна од мраз ако содржи повеќе од 3% зрна со големина под 0,02 mm.
Иако овој критериум долго време се применувал и секогаш давал сигурни резултати, негов недостаток е што се заснова само на гранулацијата на почвата и не ги зема предвид и другите фактори што влијаат на дејството на мразот во почвата. Затоа денес се смета дека овој критериум е премногу строг и неекономичен.
Руклиев критериум
Според оваа метода почвата се дели на две фракции според цврстината на цврстите честички и тоа на крупнозрнеста фракција, зрна со пречник d > 2 mm и ситнозрнеста фракција, зрна со пречник d < 2 mm. За оценување на отпорноста на почвата на мраз се поставува зависноста на количината на ситнозрнеста фракција од количината на крупнозрнеста фракција и оваа зависност е дадена со долната и горната граница (сл. 1).
Долната граница претставува најголем дозволен процент на цврсти честички со пречник d < 0,02 mm од сувата тежина на насипот, односно фракцијата 0-2 mm, при која не настануваат практично никакви штети од мраз при неповолни услови, како што се висок водостој на подземната вода, неповолни климатски услови (долготрајни мразеви) и голема природна влажност на тлото.
Горната граница претставува најголем дозволен процент на честички d < 0,02 mm од сувата тежина на ситнозрнестата фракција при кој практично не настануваат никакви штети од мраз при поволни услови, како што се низок ниво на подземна вода, поволни климатски услови (краткотрајни мразеви) и мала природна влажност на почвата.
Сл. 1 Долната и горната граница за оценка на опасноста на почвата од мраз според Руклиевиот критериум
Заштита од дејството на мразот во почвата
Длабочината на дејството на мразот во почвата зависи од климатските услови на пределот. Во нашата земја таа е претежно 0,8 до 1,0 m под површината на теренот. Според тоа, конструкции фундирани на длабочина еднаква или поголема од 1,0 m нема да бидат под дејство на мраз.
Плитко фундираните конструкции, како што се коловозите на патиштата, се изложени на дејството на мразот, кое може да предизвика поголеми деформации и штети на коловозот, како при замрзнување така и при одмрзнување. Затоа, при изработка на коловози на патиштата и полетно-слетни писти на аеродромите, потребно е да се испита почвата во поглед на дејството на мразот и, во случај кога темелната почва е чувствителна на мраз, да се преземат заштитни мерки. Кај коловозите на патиштата и аеродромите најефикасна мерка е изработка на тампонски слој, чија дебелина се одредува така што вкупната дебелина на коловозот и тампонскиот слој да биде 0,80 m за тежок сообраќај до 0,60 m за лесен сообраќај. Најчесто дебелината на тампонскиот слој 0,30 m под коловозот е доволна заштита од дејството на мразот.
Материјалот за изработка на тампонскиот слој обично е песок или песочен чакал, кој треба да ги задоволи следните услови:
Индекс на пластичност IP < 5
Содржината на фракцијата d < 0,02 mm помала од 3%
Степен на нерамномерност U > 7.
Горниот дел на тампонскиот слој во дебелина од 20 cm не смее да биде еднороден и ситнозрнест песок поради недоволна збиеност и ограничена носивост. Во овој дел тампонскиот слој треба да биде песочен чакал со 30-70% зрна со големина 2-30 mm. Зрна поголеми од 30 mm не се препорачуваат.
Плитко фундираните оградни ѕидови се исто така под дејство на мразот во почвата, поради што се навалуваат, што при повторувано дејство на мразот со текот на времето води до нивно превртување и уривање. Затоа овие ѕидови треба да се фундираат на длабочина од 1,0 m, ако почвата е опасна од мраз.