Frostens virkning på jorden

Jorddeformasjoner som følge av frostpåvirkning

Ved frost fryser fritt vann uten bevegelse ved 0°C og utvider seg da med 9% av volumet sitt. Vann i smale kapillarrør fryser imidlertid ikke ved 0°C, men ved lavere temperaturer, som ligger fra -1°C til -78°C. Denne siste frysetemperaturen ble fastslått ved laboratorieforsøk i Amerika. Jo smalere kapillarrøret er, desto lavere er frysetemperaturen.

I jorden finnes det porer som er forbundet med hverandre i alle retninger og danner kapillarrør. I sand er porene store og danner brede kapillarrør, der vannet fryser ved 0°C eller ved noe lavere temperatur. Vannet fryser jevnt, og det dannes iskrystaller i porene, hvis volumøkning på 9% ikke forårsaker noen vesentlige deformasjoner av jorden. I jord med finkornet sammensetning er porene mindre og danner smale kapillarrør der vannet fryser ved temperaturer lavere enn 0°C. I overflatelaget er jorden imidlertid alltid løsere, med større porer, der vannet fryser ved 0°C og danner iskrystaller. Disse krystallene trekker til seg avkjølt vann fra smale porer med stor kraft, den såkalte krystallisasjonskraften. Når vann som er tiltrukket på denne måten kommer i kontakt med iskrystallene og selv fryser, øker volumet av iskrystallene, som blir til islinser, hvis tykkelse kan være omkring 0,1 til 10 mm. De dannede islinsene forårsaker betydelig deformasjon av jorden under frostpåvirkning, som under særlig ugunstige forhold kan nå 30 og 50 cm.

Forekomsten og størrelsen på jorddeformasjon som følge av frostvirkning avhenger hovedsakelig av følgende 3 faktorer:

1. [Granulometrisk sammensetning av jord

2. Grunnvannsnivå

3. Varighet av frostperioden.

Ad 1) Når det gjelder den granulometriske sammensetningen, er frosten mest virkningsfull i finskornet jord, hvis porer er små nok til å danne smale kapillarrør, og som samtidig har tilstrekkelig høy permeabilitet til å muliggjøre rask vannbevegelse under frostpåvirkning. Slik jord er mest frostfølsom, både med hensyn til hvor raskt fenomenet opptrer og hvor store deformasjonene blir. Det er siltjord, som hovedsakelig består av korn med størrelse 0,02-0,002 mm. Korn med størrelse >0,02 mm har liten kapillær stigehøyde, mens korn med størrelse < 0,002 mm har langsom kapillær oppstigning, slik at bare en mindre mengde vann kan nå frostsonen i løpet av frostperioden i begge tilfeller. Hvis leirjord inneholder over 25% partikler med størrelse < 0,002 mm, er jordens permeabilitet svært liten og vanntransporten i porene så langsom at vannet i porene fryser før islinser kan trekkes til seg.

Ad 2) I tillegg til kravet til jordas granulometriske sammensetning må enda ett vilkår være oppfylt for at det skal oppstå teledeformasjoner i jorda. Det er at det finnes mulighet for tilførsel av vann til telepåvirkningssonen. Hvis dette vilkåret ikke var oppfylt, dvs. hvis jordas kapillærer ikke var i forbindelse med vann som hele tiden ville strømme gjennom dem under televirkningen, vil det ikke oppstå teledeformasjoner, uansett jordas granulometriske sammensetning.

Jo høyere grunnvannsnivået er, desto større er muligheten for deformasjoner i jorden som følge av frostpåvirkning. Hvis grunnvannsnivået ligger dypere enn høyden som vannet kan stige kapillært i den aktuelle jorda, er deformasjonene som skyldes frostpåvirkning ubetydelige.

Ad 3) Hvis tidsperioden med sammenhengende tele er lengre, desto større blir deformasjonene på grunn av tele, fordi det dannes større og flere linser. Sterk og kortvarig tele gir mindre deformasjoner, fordi vannet i porene da fryser brått og den kapillære vannstrømmen brytes. Derimot gir moderat og langvarig tele større deformasjoner på grunn av uforstyrret dannelse av islinser.

Avskallingseffekt

Ved opptining smelter først islinser i den øvre delen av overflatejorden, mens et frossent, og dermed også ugjennomtrengelig, lag blir liggende rett under. Siden de smeltede islinsene gir fra seg en stor mengde vann, som ikke kan trenge ned gjennom det frosne underliggende laget, blir denne økte vannmengden i overflatelaget overmettet jord og danner en flytende masse som ikke har noen fasthet, men som presses ut til sidene under trykk. Deformasjoner i jorda som følge av opptining kan være betydelige og i enkelte tilfeller farlige. Disse deformasjonene er vanlige i skjæringer på jernbanelinjer og veier, der det om våren oppstår delvis glidning av skråninger som følge av at jorda blir vannmettet av smeltede islinser, samt på veier der kjørebaneunderlaget deformeres under trafikk på grunn av jord som har mistet bæreevnen som følge av vannmetning.

Kriterium for vurdering av frostens virkning på jord

Ved å studere frostens virkning på ulike jordarter kom man til den konklusjon at det med hensyn til frostpåvirkning må skilles mellom to typer jord: sikker og frostfarlig.

Frostsikre jordarter er de der det ikke dannes islinser, uansett hvor lenge frostperioden varer. Hos denne typen jord skjer det bare at vannet i porene fryser og at det dannes iskrystaller, med ubetydelige deformasjoner under frostpåvirkning. Til denne gruppen hører grus, sand og lignende jordarter.

Frostutsatte jordarter er slike der det dannes islinser, som kan medføre større deformasjoner. Oppsamlet vann i overflatesjiktet i form av islinser under frostpåvirkning virker også telehivende. Til denne gruppen hører visse siltige leirjordarter og særlig siltrike jordarter.

Det finnes flere kriterier for å vurdere jordens frostbestandighet, blant hvilke de mest kjente er kriteriene til Arthur Casagrande og Rukla, som vi skal beskrive her.

Casagrandes kriterium A

Dette kriteriet bygger på jordas kornfordelingssammensetning og lyder:

a) Ved jord med jevn sammensetning, der graden av ujevnhet U < 5, er jorda frostfarlig dersom den inneholder mer enn 10% korn med størrelse under 0,02 mm.

b) For jord med ujevn sammensetning, der graden av ujevnhet U > 15, er jorden utsatt for frostskader dersom den inneholder mer enn 3% korn av størrelse under 0,02 mm.

Selv om dette kriteriet har vært brukt lenge og alltid har gitt pålitelige resultater, er svakheten at det bare bygger på jordens kornfordeling og ikke tar hensyn til andre faktorer som påvirker frosteffekten i jorden. Derfor anses dette kriteriet i dag som for strengt og lite økonomisk.

Ruklievs kriterium

Etter denne metoden deles jorden i to fraksjoner etter fastheten til de faste partiklene, nemlig i en grovkornet fraksjon, korn med diameter d > 2 mm og en finkornet fraksjon, korn med diameter d < 2 mm. For å vurdere jordens frostbestandighet oppstilles sammenhengen mellom mengden finkornet fraksjon og mengden grovkornet fraksjon, og denne sammenhengen er gitt ved en nedre og en øvre grense (fig. 1).

Nedre grense angir den største tillatte andelen faste partikler med diameter d < 0,02 mm av fyllmassens tørrvekt, dvs. fraksjonen 0-2 mm, der det praktisk talt ikke oppstår noen skader som følge av frost under ugunstige forhold, som høy vannstand i grunnvannet, ugunstige klimatiske forhold (langvarig frost) og høy naturlig jordfuktighet.

Den øvre grensen angir den største tillatte prosentandelen av partikler d < 0,02 mm av tørrvekten til den finkornede fraksjonen, der det praktisk talt ikke oppstår noen frostskader under gunstige forhold, som lavt grunnvannsnivå, gunstige klimatiske forhold (kortvarige frostperioder) og lav naturlig fuktighet i jorden.

Fig. 1 Nedre og øvre grense for vurdering av jordens frostfare etter Ruklies kriterium

Beskyttelse mot frosts virkning i jord

Dybden av frostvirkningen i jorden avhenger av områdets klimatiske forhold. I vårt land er den som regel 0,8 til 1,0 m under terrengoverflaten. Derfor vil konstruksjoner fundamentert på en dybde lik eller større enn 1,0 m ikke bli påvirket av frost.

Konstruksjoner med grunn lagdybde, som veibaner på veier, er utsatt for frostpåvirkning, som kan gi større deformasjoner og skader på veibanen, både ved frysing og ved opptining. Derfor må jorden undersøkes med hensyn til frostvirkning ved bygging av veibaner på veier og start- og landingsbaner på flyplasser, og dersom undergrunnen er frostfarlig, må det iverksettes beskyttende tiltak. For veibaner på veier og flyplasser er det mest effektive tiltaket å etablere et forsterkningslag, der tykkelsen bestemmes slik at den samlede tykkelsen av veibanen og forsterkningslaget blir 0,80 m for tung trafikk til 0,60 m for lett trafikk. Vanligvis er en tykkelse på forsterkningslaget på 0,30 m under veibanen tilstrekkelig beskyttelse mot frostpåvirkning.

Materialet til utførelse av bærelaget er vanligvis sand eller sandholdig grus, som skal oppfylle følgende krav:

Plastisitetsindeks IP < 5

Andelen av fraksjonen d < 0,02 mm er mindre enn 3%

Ujevnhetsgrad U > 7.

Den øvre delen av bærelaget, med en tykkelse på 20 cm, må ikke bestå av ensartet og finkornet sand på grunn av utilstrekkelig komprimering og begrenset bæreevne. I denne delen bør bærelaget være sandholdig grus med 30-70% kornstørrelse 2-30 mm. Korn større enn 30 mm anbefales ikke.

Grunne fundamenterte gjerdevegger påvirkes også av frost i grunnen, som får dem til å helle, noe som ved gjentatt frosts påvirkning over tid fører til at de velter og rives ned. Derfor bør disse veggene fundamenteres til en dybde på 1,0 m, dersom grunnen er frostfarlig.