Deformacje gruntu wskutek działania mrozu
Pod wpływem mrozu woda wolna bez przepływu zamarza przy 0°C i przy tym zwiększa swoją objętość o 9%%. Natomiast woda w wąskich rurkach kapilarnych nie zamarza przy 0°C, lecz w niższych temperaturach, wynoszących od -1°C do -78°C. Ta ostatnia temperatura zamarzania została ustalona w badaniach laboratoryjnych w Ameryce. Im węższa rurka kapilarna, tym niższa temperatura zamarzania.
W gruncie występują pory połączone ze sobą we wszystkich kierunkach i tworzące kapilarne kanaliki. W piasku pory są duże i tworzą szerokie kanaliki kapilarne, w których woda zamarza w temperaturze 0°C lub nieco niższej. Woda zamarza równomiernie, przy czym w porach tworzą się kryształy lodu, których zwiększenie objętości o 9% nie powoduje żadnych istotniejszych deformacji gruntu. W gruncie drobnoziarnistym pory są mniejsze i tworzą wąskie kanaliki kapilarne, w których woda zamarza w temperaturach niższych od 0°C. Jednak w warstwie przypowierzchniowej grunt jest zawsze bardziej luźny, z większymi porami, w których woda zamarza w 0°C i tworzy kryształy lodu. Kryształy te przyciągają do siebie wychłodzoną wodę z wąskich porów z wielką siłą, tzw. siłą krystalizacji. Gdy tak przyciągnięta woda zetknie się z kryształami lodu i sama zamarznie, zwiększając objętość kryształów lodu, które stają się soczewkami lodowymi, ich grubość może wynosić około 0,1 do 10 mm. Powstałe soczewki lodowe powodują znaczne odkształcenie gruntu podczas działania mrozu, które w szczególnie niekorzystnych warunkach może sięgać 30 i 50 cm.
Występowanie i wielkość odkształcenia gruntu wskutek działania mrozu zależy głównie od następujących 3 czynników:
-
Poziom wód gruntowych
-
Czas trwania mrozu.
Ad 1) Pod względem składu granulometrycznego największe działanie mrozu występuje w gruncie drobnoziarnistym, którego pory są dostatecznie małe, aby tworzyć wąskie kapilarne kanaliki, a jednocześnie ma on dostatecznie dużą przepuszczalność, umożliwiającą szybką cyrkulację wody podczas działania mrozu. Taki grunt jest najbardziej wrażliwy na mróz, zarówno pod względem szybkości występowania, jak i wielkości odkształceń. Są to grunty pylaste, składające się głównie z ziaren o wielkości 0,02-0,002 mm. Ziarna o wielkości >0,02 mm mają małą wysokość podciągania kapilarnego, natomiast ziarna o wielkości < 0,002 mm mają powolne podciąganie kapilarne, tak że w obu przypadkach w czasie trwania mrozu może dotrzeć do strefy działania mrozu tylko niewielka ilość wody. Jeżeli grunt gliniasty zawiera ponad 25% cząstek o wielkości < 0,002 mm, przepuszczalność gruntu jest bardzo mała, a cyrkulacja wody w porach tak powolna, że zamarza ona w porach wcześniej, niż mogą zostać przyciągnięte soczewki lodowe.
Ad 2) Oprócz warunku dotyczącego składu granulometrycznego gruntu musi być spełniony jeszcze jeden warunek, aby doszło do deformacji gruntu podczas mrozu. Jest nim możliwość dopływu wody do strefy działania mrozu. Jeśli warunek ten nie byłby spełniony, tzn. jeśli kapilary gruntu nie byłyby połączone z wodą, która będzie przez nie stale przepływać w czasie działania mrozu, nie dojdzie do deformacji mrozowych, niezależnie od składu granulometrycznego gruntu.
Im wyższy poziom wód gruntowych, tym większa jest możliwość deformacji gruntu wskutek działania mrozu. Jeżeli poziom wód gruntowych znajduje się na większej głębokości niż wysokość podciągania kapilarnego wody danego gruntu, deformacje wskutek działania mrozu są nieznaczne.
Ad 3) Jeżeli okres nieprzerwanego trwania mrozu jest dłuższy, tym większe są odkształcenia spowodowane mrozem, wskutek tworzenia się większych i liczniejszych soczewek lodowych. Silny i krótkotrwały mróz powoduje mniejsze odkształcenia, ponieważ w takim przypadku następuje gwałtowne zamarzanie wody w porach i przerwanie kapilarnego przepływu wody. Natomiast średni i długotrwały mróz powoduje większe odkształcenia wskutek swobodnego tworzenia się soczewek lodowych.
Wpływ odkrowienia
Podczas rozmrażania najpierw topnieją soczewki lodowe w górnej części gruntu powierzchniowego, natomiast bezpośrednio pod nim pozostaje warstwa zmarznięta, a więc nieprzepuszczalna. Ponieważ stopione soczewki lodowe dają dużą ilość wody, która nie może wsiąkać przez zmarzniętą dolną warstwę, zwiększona ilość wody w warstwie powierzchniowej przesyca grunt i tworzy z niego masę płynną, która nie ma żadnej wytrzymałości, lecz pod naciskiem jest bocznie wyciskana. Odkształcenia gruntu wskutek działania rozmrażania mogą być znaczne i w pewnych przypadkach niebezpieczne. Odkształcenia te są częste w wykopach na liniach kolejowych i drogach, gdzie wiosną dochodzi do częściowego osuwania się skarp wskutek przesycenia gruntu wodą z roztopionych soczewek lodowych, a także na drogach, których nawierzchnie pod wpływem ruchu odkształcają się na gruncie, który utracił nośność wskutek przesycenia wodą.
KRYTERIUM OCENY DZIAŁANIA MROZU NA GRUNT
Badając wpływ mrozu na różne rodzaje gruntu, stwierdzono, że ze względu na zachowanie przy mrozie należy rozróżniać dwa rodzaje gruntu: bezpieczne i niebezpieczne na mróz.
Gleby niewrażliwe na mróz to takie, w których nie tworzą się soczewki lodowe, niezależnie od tego, jak długi jest okres mrozów. W tego rodzaju gruntach zachodzi jedynie zamarzanie wody w ich porach i tworzenie kryształów lodu, z nieznacznymi odkształceniami pod wpływem mrozu. Do tej grupy należą żwir, piasek i podobne grunty.
Grunty niebezpieczne na mróz to takie, w których tworzą się soczewki lodowe, w wyniku czego mogą powstawać większe odkształcenia. Nagromadzona woda w warstwie powierzchniowej w postaci soczewek lodowych podczas działania mrozu wywołuje również efekt odmarzania. Do tej grupy należą niektóre grunty pylasto-gliniaste, a zwłaszcza grunty pylaste.
Istnieje kilka kryteriów oceny odporności gruntu na mróz, spośród których najbardziej znane są kryteria Arthura Casagrande’a i Ruklia, które tutaj opiszemy.
Kryterium A. Casagrande’a
Kryterium to opiera się na składzie granulometrycznym gruntu i brzmi:
a) W przypadku gruntu o jednorodnym składzie, którego stopień niejednorodności U < 5, grunt jest wrażliwy na mróz, jeżeli zawiera więcej niż 10% ziaren o wielkości poniżej 0,02 mm.
b) W przypadku gruntu o niejednorodnym składzie, którego stopień niejednorodności U > 15, grunt jest wrażliwy na mróz, jeżeli zawiera więcej niż 3% ziaren o wielkości poniżej 0,02 mm.
Chociaż kryterium to było przez długi czas stosowane i zawsze dawało pewne wyniki, jego wadą jest to, że opiera się wyłącznie na uziarnieniu gruntu i nie uwzględnia innych czynników wpływających na działanie mrozu w gruncie. Dlatego obecnie uważa się, że kryterium to jest zbyt surowe i nieekonomiczne.
Kryterium Rukliewa
Według tej metody grunt dzieli się na dwie frakcje według sztywności cząstek stałych, a mianowicie na frakcję gruboziarnistą, ziarna o średnicy d > 2 mm oraz frakcję drobnoziarnistą, ziarna o średnicy d < 2 mm. Do oceny odporności gruntu na mróz ustala się zależność ilości frakcji drobnoziarnistej od ilości frakcji gruboziarnistej i zależność ta jest podana dolną i górną granicą (rys. 1).
Dolna granica oznacza największy dopuszczalny procent cząstek stałych o średnicy d < 0,02 mm w stosunku do suchej masy zasypki, tj. frakcji 0-2 mm, przy którym nie powstają praktycznie żadne szkody mrozowe w niekorzystnych warunkach, takich jak wysoki poziom wód gruntowych, niekorzystne warunki klimatyczne (długotrwałe mrozy) oraz duża naturalna wilgotność gruntu.
Górna granica stanowi największy dopuszczalny procent cząstek d < 0,02 mm w suchej masie frakcji drobnoziarnistej, przy którym przy sprzyjających warunkach, takich jak niski poziom wód gruntowych, korzystne warunki klimatyczne (krótkotrwałe mrozy) i mała naturalna wilgotność gruntu, praktycznie nie występują żadne szkody spowodowane mrozem.
Rys. 1 Dolna i górna granica do oceny zagrożenia gruntu przemarzaniem według kryterium Rukliego
Ochrona przed działaniem mrozu w gruncie
Głębokość działania mrozu w gruncie zależy od warunków klimatycznych obszaru. W naszym kraju wynosi ona przeważnie 0,8 do 1,0 m poniżej powierzchni terenu. W związku z tym konstrukcje posadowione na głębokości równej lub większej od 1,0 m nie będą pod działaniem mrozu.
Konstrukcje płytko posadowione, takie jak nawierzchnie dróg, są narażone na działanie mrozu, które może powodować większe odkształcenia i uszkodzenia nawierzchni, zarówno podczas zamarzania, jak i podczas rozmarzania. Dlatego przy wykonywaniu nawierzchni drogowych i pasów startowych na lotniskach konieczne jest zbadanie gruntu pod kątem działania mrozu, a w przypadku gdy podłoże jest wrażliwe na mróz, należy podjąć środki ochronne. W przypadku nawierzchni dróg i lotnisk najskuteczniejszym środkiem jest wykonanie warstwy podbudowy, której grubość określa się tak, aby łączna grubość nawierzchni i warstwy podbudowy wynosiła 0,80 m dla ruchu ciężkiego do 0,60 m dla ruchu lekkiego. Najczęściej grubość warstwy podbudowy 0,30 m pod nawierzchnią jest wystarczającą ochroną przed działaniem mrozu.
Materiał do wykonania warstwy podbudowy stanowi zwykle piasek lub żwir piaszczysty, który powinien spełniać następujące warunki:
Wskaźnik plastyczności IP < 5
Zawartość frakcji d < 0,02 mm mniejsza niż 3%
Stopień niejednorodności U > 7.
Górna część warstwy podsypki o grubości 20 cm nie może być jednorodnym, drobnoziarnistym piaskiem ze względu na niewystarczające zagęszczenie i ograniczoną nośność. W tej części warstwa podsypki powinna być żwirowo-piaszczysta z 30-70% ziarnami o wielkości 2-30 mm. Ziarna większe niż 30 mm nie są zalecane.
Płytko posadowione mury ogrodzeniowe również są pod wpływem mrozu w gruncie, przez co się przechylają, co przy powtarzającym się działaniu mrozu z czasem prowadzi do ich przewrócenia i zniszczenia. Dlatego mury te należy posadowić na głębokości 1,0 m, jeśli grunt jest narażony na mróz.