Deformasi tanah akibat tindakan fros
Di bawah tindakan fros, air bebas yang tidak mengalir membeku pada 0°C dan pada masa yang sama mengembang sebanyak 9% daripada isipadunya. Namun air dalam tiub kapilari sempit tidak membeku pada 0°C, tetapi pada suhu yang lebih rendah, antara -1°C hingga -78°C. Suhu pembekuan terakhir ini ditentukan melalui ujian makmal di Amerika. Semakin sempit tiub kapilari, semakin rendah suhu pembekuannya.
Dalam tanah terdapat liang-liang yang saling bersambung ke semua arah dan membentuk saluran kapilari. Dalam pasir, liang-liangnya besar dan membentuk saluran kapilari yang luas, di mana air membeku pada 0°C atau pada suhu yang sedikit lebih rendah. Air membeku secara seragam, sambil membentuk hablur ais dalam liang-liang, dan pertambahan isipadunya sebanyak 9% tidak menyebabkan sebarang deformasi tanah yang ketara. Dalam tanah berbutir halus, liang-liangnya lebih kecil dan membentuk saluran kapilari yang sempit di mana air membeku pada suhu yang lebih rendah daripada 0°C. Namun, dalam lapisan permukaan tanah sentiasa lebih longgar dengan liang yang lebih besar, di mana air membeku pada 0°C dan membentuk hablur ais. Hablur ini menarik air yang telah disejukkan dari liang sempit dengan daya yang besar, yang disebut daya penghabluran. Apabila air yang tertarik itu bersentuhan dengan hablur ais dan turut membeku sambil menambah isipadu hablur ais, hablur itu menjadi lensa ais, yang ketebalannya boleh sekitar 0,1 hingga 10 mm. Lensa ais yang terbentuk menyebabkan deformasi tanah yang ketara semasa tindakan fros, yang dalam keadaan yang sangat tidak menguntungkan boleh mencapai 30 dan 50 cm.
Kemunculan dan magnitud ubah bentuk tanah akibat kesan fros bergantung terutamanya pada faktor-faktor berikut 3:
-
Paras air bawah tanah
-
Tempoh berlakunya fros.
Ad 1) Dari segi komposisi granulometri, kesan fros paling besar berlaku pada tanah berbutir halus, yang porinya cukup kecil untuk membentuk saluran kapilari sempit, dan pada masa yang sama mempunyai kebolehtelapan yang cukup besar, yang membolehkan peredaran air yang pantas semasa tindakan fros. Tanah sebegini paling sensitif terhadap fros, baik dari segi kelajuan berlakunya mahupun dari segi saiz ubah bentuk. Ini ialah tanah berkelodak, yang kebanyakannya terdiri daripada butiran bersaiz 0,02-0,002 mm. Butiran bersaiz >0,02 mm mempunyai ketinggian kenaikan kapilari yang rendah, manakala butiran bersaiz < 0,002 mm mempunyai kenaikan kapilari yang perlahan, sehingga dalam kedua-dua kes hanya sedikit air dapat sampai ke zon tindakan fros semasa fros berlangsung. Jika tanah liat mengandungi lebih daripada 25% zarah bersaiz < 0,002 mm, kebolehtelapan tanah adalah sangat rendah dan peredaran air dalam liang sangat perlahan, sehingga air di dalam liang membeku lebih awal daripada sempat menarik kanta ais.
Ad 2) Selain syarat mengenai komposisi granulometri tanah, satu syarat lagi mesti dipenuhi supaya berlaku deformasi tanah akibat fros. Iaitu perlu ada kemungkinan bekalan air ke zon tindakan fros. Jika syarat ini tidak dipenuhi, iaitu jika kapilari tanah tidak berhubung dengan air yang akan terus mengalir melaluinya semasa tindakan fros, maka deformasi akibat fros tidak akan berlaku, walau apa pun komposisi granulometri tanah.
Semakin tinggi paras air bawah tanah, semakin besar kemungkinan ubah bentuk tanah akibat kesan fros. Jika paras air bawah tanah berada pada kedalaman yang lebih besar daripada ketinggian kenaikan kapilari air bagi tanah tersebut, ubah bentuk akibat kesan fros adalah kecil.
Ad 3) Jika tempoh masa berterusan fros lebih lama, maka deformasi akibat fros menjadi lebih besar, disebabkan pembentukan lensa ais yang lebih besar dan lebih banyak. Fros yang kuat dan singkat menyebabkan deformasi yang lebih kecil, kerana dalam keadaan itu air dalam pori membeku secara mendadak dan aliran kapilari air terhenti. Sebaliknya, fros sederhana dan berpanjangan menyebabkan deformasi yang lebih besar kerana pembentukan lensa ais berlaku tanpa gangguan.
Kesan penggeladahan
Semasa proses pencairan, kanta ais di bahagian atas tanah permukaan mula-mula mencair, manakala tepat di bawahnya kekal lapisan beku, dan oleh itu juga tidak telap. Oleh sebab kanta ais yang cair menghasilkan sejumlah besar air, yang tidak dapat meresap melalui lapisan bawah yang beku, jumlah air yang meningkat ini dalam lapisan permukaan menjadikan tanah tepu dan membentuknya menjadi jisim cecair, yang tidak mempunyai keteguhan sama sekali, tetapi diperah keluar ke sisi di bawah tekanan. Ubah bentuk tanah akibat proses pencairan boleh menjadi ketara dan dalam keadaan tertentu berbahaya. Ubah bentuk ini sering berlaku pada potongan di landasan kereta api dan jalan raya, apabila pada musim bunga berlaku gelinciran sebahagian cerun akibat tanah menjadi tepu dengan air daripada kanta ais yang cair, serta pada jalan raya, apabila permukaannya berubah bentuk di bawah lalu lintas pada tanah yang telah kehilangan daya galas akibat ketepuan air.
Kriteria untuk menilai kesan fros pada tanah
Melalui kajian kesan fros ke atas pelbagai jenis tanah, telah disimpulkan bahawa dari segi tingkah laku terhadap fros, dua jenis tanah perlu dibezakan: selamat dan berbahaya terhadap fros.
Tanah tahan fros ialah tanah yang tidak membentuk kanta ais, walau berapa lama pun tempoh fros itu berlangsung. Dalam jenis tanah ini, hanya berlaku pembekuan air dalam pori-porinya dan pembentukan kristal ais, dengan ubah bentuk yang kecil semasa tindakan fros. Kumpulan ini merangkumi kerikil, pasir dan tanah yang serupa.
Tanah yang berbahaya terhadap fros ialah tanah yang membentuk kanta ais, sehingga boleh berlaku ubah bentuk yang lebih besar. Air yang terkumpul dalam lapisan permukaan dalam bentuk kanta ais semasa tindakan fros juga menghasilkan kesan pencairan fros. Kumpulan ini termasuk beberapa tanah berdebu-liat dan khususnya tanah berdebu.
Terdapat beberapa kriteria untuk menilai ketahanan tanah terhadap fros, antaranya yang paling terkenal ialah kriteria Arthur Casagrande dan Rukli, yang akan kami huraikan di sini.
Kriteria A. Casagrande
Kriteria ini berdasarkan komposisi granulometrik tanah dan berbunyi:
a) Bagi tanah dengan komposisi seragam, yang mempunyai darjah ketidakteraturan U < 5, tanah berisiko akibat fros jika mengandungi lebih daripada 10% butir dengan saiz di bawah 0,02 mm.
b) Bagi tanah dengan komposisi tidak seragam, yang tahap ketidakseragamannya U > 15, tanah itu berbahaya terhadap fros jika ia mengandungi lebih daripada 3% butiran bersaiz di bawah 0,02 mm.
Walaupun kriteria ini telah lama digunakan dan sentiasa memberikan keputusan yang boleh dipercayai, kekurangannya ialah ia hanya berdasarkan granulasi tanah dan tidak mengambil kira faktor lain yang mempengaruhi kesan fros dalam tanah. Oleh sebab itu, kini dianggap bahawa kriteria ini terlalu ketat dan tidak ekonomik.
Kriteria Rukliev
Menurut kaedah ini, tanah dibahagikan kepada dua fraksi mengikut kekasaran zarah pepejal, iaitu fraksi berbutir kasar, butiran berdiameter d > 2 mm dan fraksi berbutir halus, butiran berdiameter d < 2 mm. Bagi menilai ketahanan tanah terhadap fros, ditetapkan hubungan antara jumlah fraksi berbutir halus dengan jumlah fraksi berbutir kasar dan hubungan ini ditunjukkan oleh had bawah dan had atas (raj. 1).
Had bawah mewakili peratus maksimum zarah pepejal berdiameter d < 0,02 mm daripada berat kering timbunan, iaitu pecahan 0-2 mm, di mana hampir tiada kerosakan akibat fros berlaku dalam keadaan tidak baik, seperti paras air bawah tanah yang tinggi, keadaan iklim yang tidak menguntungkan (fros berpanjangan) dan kandungan lembapan semula jadi tanah yang tinggi.
Had atas mewakili peratus maksimum yang dibenarkan bagi zarah d < 0,02 mm daripada berat kering fraksi berbutir halus, di mana pada keadaan yang menguntungkan, seperti paras air bawah tanah yang rendah, keadaan iklim yang baik (fros yang singkat) dan kelembapan semula jadi tanah yang rendah, pada dasarnya tidak berlaku sebarang kerosakan akibat fros.
Raj. 1 Batas bawah dan atas untuk menilai bahaya tanah terhadap fros menurut kriteria Rukli
Perlindungan terhadap kesan fros dalam tanah
Kedalaman tindakan fros dalam tanah bergantung pada keadaan iklim kawasan tersebut. Di negara kita, ia kebanyakannya 0,8 hingga 1,0 m di bawah permukaan tanah. Oleh itu, struktur yang diasaskan pada kedalaman yang sama atau lebih besar daripada 1,0 m tidak akan terjejas oleh fros.
Struktur yang mempunyai asas cetek seperti turapan jalan terdedah kepada tindakan fros, yang boleh menyebabkan ubah bentuk dan kerosakan yang lebih besar pada turapan, baik semasa pembekuan mahupun semasa pencairan. Oleh itu, semasa membuat turapan di jalan raya dan landasan di lapangan terbang, tanah perlu diuji dari segi kesan fros dan jika tanah asas berbahaya terhadap fros, langkah perlindungan hendaklah diambil. Bagi turapan di jalan raya dan lapangan terbang, langkah paling berkesan ialah pembinaan lapisan penimbal, yang ketebalannya ditentukan supaya jumlah ketebalan turapan dan lapisan penimbal ialah 0,80 m untuk lalu lintas berat hingga 0,60 m untuk lalu lintas ringan. Lazimnya, ketebalan lapisan penimbal 0,30 m di bawah turapan sudah memadai sebagai perlindungan terhadap tindakan fros.
Bahan untuk membuat lapisan penimbal biasanya pasir atau kerikil berpasir, yang perlu memenuhi syarat-syarat berikut:
Indeks keplastikan IP < 5
Kandungan fraksi d < 0,02 mm kurang daripada 3%
Tahap ketidakteraturan U > 7.
Bahagian atas lapisan kusyen dengan ketebalan 20 cm tidak boleh terdiri daripada pasir yang seragam dan berbutir halus kerana pemadatan yang tidak mencukupi dan kapasiti menanggung beban yang terhad. Dalam bahagian ini, lapisan kusyen hendaklah terdiri daripada kerikil berpasir dengan 30-70% butiran bersaiz 2-30 mm. Butiran yang lebih besar daripada 30 mm tidak digalakkan.
Dinding pagar yang didirikan secara cetek juga terdedah kepada tindakan fros dalam tanah, yang menyebabkan ia condong sehingga, apabila fros berulang dari masa ke masa, ia tumbang dan runtuh. Oleh itu dinding ini hendaklah diasaskan pada kedalaman 1,0 m, jika tanah terdedah kepada fros.