Vervormingen van de grond door invloed van vorst
Bij vorst bevriest stilstaand vrij water bij 0°C en zet daarbij uit met 9% van zijn volume. Water in smalle capillaire buizen bevriest echter niet bij 0°C, maar bij lagere temperaturen, die variëren van -1°C tot -78°C. Deze laatste vriestemperatuur is vastgesteld door laboratoriumproeven in Amerika. Hoe smaller de capillaire buis, des te lager de vriestemperatuur.
In de grond zijn poriën aanwezig die onderling in alle richtingen verbonden zijn en capillaire buisjes vormen. In zand zijn de poriën groot en vormen ze brede capillaire buisjes, waarin het water bevriest bij 0°C of bij iets lagere temperatuur. Het water bevriest gelijkmatig, waarbij zich in de poriën ijskristallen vormen, waarvan de volumetoename van 9% geen noemenswaardige vervormingen van de grond veroorzaakt. In grond met een fijnkorrelige samenstelling zijn de poriën kleiner en vormen ze smalle capillaire buisjes waarin het water bevriest bij temperaturen lager dan 0°C. In de oppervlaktelaag is de grond echter altijd losser, met grotere poriën, waarin het water bevriest bij 0°C en ijskristallen vormt. Deze kristallen trekken met grote kracht gekoeld water uit de smalle poriën naar zich toe, de zogenoemde kristallisatiekracht. Wanneer dit aangetrokken water in contact komt met de ijskristallen en zelf bevriest, neemt het volume van de ijskristallen toe, waardoor ijslenzen ontstaan, waarvan de dikte ongeveer 0,1 tot 10 mm kan bedragen. De gevormde ijslenzen veroorzaken aanzienlijke vervorming van de grond tijdens vorstwerking, die onder bijzonder ongunstige omstandigheden kan oplopen tot 30 en 50 cm.
Het ontstaan en de grootte van de bodemvervorming door vorst hangen voornamelijk af van de volgende 3 factoren:
-
Grondwaterstand
-
Duur van de vorstperiode.
Ad 1) Wat de korrelverdeling betreft, is de grootste vorstwerking bij fijnkorrelige grond, waarvan de poriën voldoende klein zijn om smalle capillaire buisjes te vormen, terwijl zij tegelijk een voldoende hoge doorlatendheid heeft, die een snelle watercirculatie tijdens de vorstwerking mogelijk maakt. Dergelijke grond is het meest gevoelig voor vorst, zowel wat betreft de snelheid van optreden als wat betreft de grootte van de vervormingen. Dit zijn slibrijke gronden, die voornamelijk bestaan uit korrels met een grootte van 0,02-0,002 mm. Korrels met een grootte >0,02 mm hebben een geringe capillaire opstijgingshoogte, terwijl korrels met een grootte < 0,002 mm een trage capillaire opstijging hebben, zodat in beide gevallen gedurende de vorstperiode slechts een kleinere hoeveelheid water in de vorstzone kan doordringen. Als kleigrond meer dan 25% deeltjes met een grootte < 0,002 mm bevat, is de doorlatendheid van de grond zeer klein en is de watercirculatie in de poriën zo traag dat het water in de poriën eerder bevriest dan dat ijslenzen kunnen worden aangezogen.
Ad 2) Naast de voorwaarden met betrekking tot de korrelsamenstelling van de grond moet nog aan een andere voorwaarde worden voldaan om vorstvervormingen van de grond te laten optreden. Dat is dat er een mogelijkheid bestaat om water aan te voeren naar de zone van vorstinwerking. Als aan deze voorwaarde niet zou zijn voldaan, d.w.z. als de capillairen van de grond niet in verbinding zouden staan met water dat tijdens de vorstwerking voortdurend door hen zou stromen, zullen er geen vorstvervormingen optreden, ongeacht de korrelsamenstelling van de grond.
Hoe hoger het grondwaterniveau, des te groter is de kans op bodemdeformaties als gevolg van vorst. Als het grondwaterniveau op een grotere diepte ligt dan de capillaire opstijghoogte van water in de betreffende bodem, zijn de vervormingen door vorstwerking verwaarloosbaar.
Ad 3) Hoe langer de periode van ononderbroken vorst duurt, des te groter zijn de vervormingen door vorst, door de vorming van grotere en talrijkere lensjes. Strenge en kortdurende vorst veroorzaakt kleinere vervormingen, omdat in dat geval het water in de poriën plotseling bevriest en de capillaire waterstroming wordt onderbroken. Daarentegen veroorzaakt matige en langdurige vorst grotere vervormingen door de onbelemmerde vorming van ijslensjes.
Werking van ontgloeiing
Bij het ontdooien smelten eerst de ijslensjes in het bovenste deel van de oppervlakkige grond, terwijl direct daaronder de bevroren en dus ondoorlatende laag blijft bestaan. Omdat de gesmolten ijslensjes een grote hoeveelheid water opleveren, die niet door de bevroren onderste laag kan wegzakken, verzadigt deze verhoogde hoeveelheid water in de oppervlaktelaag de bodem overmatig en vormt er een vloeibare massa van, die geen enkele stevigheid heeft, maar onder druk zijwaarts wordt uitgeperst. Vervormingen van de bodem als gevolg van ontdooien kunnen aanzienlijk zijn en in bepaalde gevallen gevaarlijk. Deze vervormingen komen vaak voor bij uitgravingen langs spoorlijnen en wegen, waar in het voorjaar gedeeltelijk afglijden van taluds optreedt door oververzadiging van de bodem met water afkomstig van gesmolten ijslensjes, evenals op wegen waarvan de verharding onder verkeer vervormt op grond die zijn draagvermogen heeft verloren door waterverzadiging.
Criteria voor de beoordeling van de werking van vorst op de grond
Door de werking van vorst op verschillende grondsoorten te bestuderen, is men tot de conclusie gekomen dat wat het gedrag bij vorst betreft, twee soorten grond moeten worden onderscheiden: vorstbestendige en vorstgevoelige.
Vorstveilige gronden zijn die gronden waarbij geen ijslinsen ontstaan, hoe lang de vorstperiode ook duurt. Bij dit soort gronden bevriest alleen het water in de poriën en ontstaan ijskristallen, met geringe vervormingen onder invloed van vorst. Tot deze groep behoren grind, zand en dergelijke gronden.
Vorstgevoelige gronden zijn die waarin ijslenzen ontstaan, waardoor grotere vervormingen kunnen optreden. Opgehoopt water in de oppervlaktelaag in de vorm van ijslenzen veroorzaakt tijdens de werking van vorst eveneens een ontdooiend effect. Tot deze groep behoren bepaalde silt-kleiige en vooral siltige gronden.
Er bestaan meerdere criteria voor de beoordeling van de vorstbestendigheid van de grond, waarvan de bekendste de criteria van Arthur Casagrande en Rukli zijn, die wij hier zullen beschrijven.
Casagrande’s criterium
Dit criterium is gebaseerd op de granulometrische samenstelling van de bodem en luidt:
a) Bij grond van een uniforme samenstelling, waarvan de mate van ongelijkmatigheid U < 5, is de grond vorstgevoelig als zij meer dan 10% korrels bevat met een grootte onder 0,02 mm.
b) Bij grond van onregelmatige samenstelling, waarvan de ongelijkmatigheidsgraad U > 15 is, is de grond vorstgevoelig als zij meer dan 3% korrels bevat met een grootte kleiner dan 0,02 mm.
Hoewel dit criterium lange tijd werd toegepast en steeds betrouwbare resultaten opleverde, is het nadeel ervan dat het uitsluitend is gebaseerd op de korrelverdeling van de grond en geen rekening houdt met andere factoren die van invloed zijn op de werking van vorst in de grond. Daarom wordt tegenwoordig aangenomen dat dit criterium te streng en oneconomisch is.
Rukliev-criterium
Volgens deze methode wordt de grond in twee fracties verdeeld op basis van de stijfheid van de vaste deeltjes, namelijk in een grofkorrelige fractie, korrels met diameter d > 2 mm en een fijnkorrelige fractie, korrels met diameter d < 2 mm. Voor de beoordeling van de vorstbestendigheid van de grond wordt de afhankelijkheid van de hoeveelheid fijnkorrelige fractie van de hoeveelheid grofkorrelige fractie vastgesteld en deze afhankelijkheid wordt weergegeven door de onder- en bovengrens (afb. 1).
De ondergrens vormt het maximaal toegestane percentage vaste deeltjes met diameter d < 0,02 mm van het droge gewicht van de aanvulling, d.w.z. de fractie 0-2 mm, waarbij onder ongunstige omstandigheden, zoals een hoge stand van het grondwater, ongunstige klimaatomstandigheden (langdurige vorst) en een hoge natuurlijke vochtigheid van de grond, praktisch geen vorstschade optreedt.
De bovengrens vormt het maximale toegestane percentage deeltjes d < 0,02 mm van het droge gewicht van de fijnkorrelige fractie waarbij bij gunstige omstandigheden, zoals een lage grondwaterstand, gunstige klimatologische omstandigheden (korte vorstperioden) en een lage natuurlijke vochtigheid van de grond, praktisch geen vorstschade optreedt.
Afb. 1 Onder- en bovengrens voor de beoordeling van de vorstgevoeligheid van de grond volgens het criterium van Ruklie
Bescherming tegen de werking van vorst in de grond
De diepte van de vorstwerking in de grond hangt af van de klimatologische omstandigheden van het gebied. In ons land bedraagt deze voornamelijk 0,8 tot 1,0 m onder het maaiveld. Dienovereenkomstig zullen constructies die op een diepte gelijk aan of groter dan 1,0 m zijn gefundeerd niet aan vorstwerking blootstaan.
Ondiep gefundeerde constructies zoals wegverhardingen zijn blootgesteld aan vorst, die zowel bij het bevriezen als bij het ontdooien grotere vervormingen en schade aan het wegdek kan veroorzaken. Daarom moet bij de aanleg van wegverhardingen en start- en landingsbanen op luchthavens de grond worden onderzocht op vorstinvloed en, indien de ondergrond vorstgevoelig is, moeten beschermende maatregelen worden getroffen. Bij wegverhardingen en luchthavens is de meest doeltreffende maatregel de aanleg van een funderingslaag, waarvan de dikte zo wordt bepaald dat de totale dikte van de verharding en de funderingslaag 0,80 m voor zwaar verkeer tot 0,60 m voor licht verkeer bedraagt. Meestal is een dikte van de funderingslaag van 0,30 m onder de verharding voldoende bescherming tegen vorstinvloed.
Het materiaal voor de aanleg van de funderingslaag is gewoonlijk zand of zandig grind, dat aan de volgende eisen moet voldoen:
Plasticiteitsindex IP < 5
Het aandeel van de fractie d < 0,02 mm kleiner dan 3%
Mate van ongelijkmatigheid U > 7.
Het bovenste deel van de funderingslaag met een dikte van 20 cm mag geen uniforme, fijnkorrelige zand zijn vanwege onvoldoende verdichting en beperkte draagkracht. In dit deel moet de funderingslaag bestaan uit zandig grind met 30-70% korrelgrootte van 2-30 mm. Korrels groter dan 30 mm worden niet aanbevolen.
Ook ondiep gefundeerde keerwanden staan onder invloed van vorst in de grond, waardoor zij gaan hellen, wat bij herhaalde vorstwerking in de loop van de tijd tot omkanteling en instorting leidt. Daarom moeten deze wanden op een diepte van 1,0 m worden gefundeerd, als de bodem vorstgevoelig is.