Deformațiile solului sub acțiunea înghețului
La acțiunea gerului, apa liberă fără curgere îngheață la 0°C și, în acest proces, își mărește volumul cu 9%. Totuși, apa din tuburile capilare înguste nu îngheață la 0°C, ci la temperaturi mai scăzute, care variază de la -1°C până la -78°C. Această din urmă temperatură de îngheț a fost stabilită prin încercări de laborator în America. Cu cât tubul capilar este mai îngust, cu atât temperatura de îngheț este mai scăzută.
În sol există pori care sunt conectați între ei în toate direcțiile și formează tuburi capilare. În nisip, porii sunt mari și formează tuburi capilare largi, în care apa îngheață la 0°C sau la o temperatură puțin mai scăzută. Apa îngheață uniform, formându-se în pori cristale de gheață, a căror creștere în volum de 9% nu provoacă deformări semnificative ale solului. În solurile cu granulație fină, porii sunt mai mici și formează tuburi capilare înguste în care apa îngheață la temperaturi mai mici de 0°C. Totuși, în stratul de suprafață solul este întotdeauna mai afânat, cu pori mai mari, în care apa îngheață la 0°C și formează cristale de gheață. Aceste cristale atrag spre ele apa răcită din porii îngusti cu o forță mare, așa-numita forță de cristalizare. Când apa astfel atrasă intră în contact cu cristalele de gheață și îngheață la rândul ei, mărind volumul cristalelor de gheață, acestea devin lentile de gheață, a căror grosime poate fi de aproximativ 0,1 până la 10 mm. Lentilele de gheață formate provoacă deformări semnificative ale solului în timpul acțiunii înghețului, care în condiții deosebit de nefavorabile pot ajunge până la 30 și 50 cm.
Apariția și mărimea deformării terenului cauzate de acțiunea înghețului depind în principal de următorii 3 factori:
-
Nivelul apei subterane
-
Durata gerului.
Ad 1) În ceea ce privește compoziția granulometrică, cel mai puternic efect al înghețului se manifestă la solurile fine, ale căror pori sunt suficient de mici pentru a forma tuburi capilare înguste, iar în același timp au o permeabilitate suficient de mare, care permite o circulație rapidă a apei în timpul acțiunii înghețului. Un asemenea sol este cel mai sensibil la îngheț, atât în privința vitezei de apariție, cât și a mărimii deformărilor. Acestea sunt solurile prăfoase, care se compun preponderent din granule de mărime 0,02-0,002 mm. Granulele de mărime >0,02 mm au o înălțime mică de ascensiune capilară, în timp ce granulele de mărime < 0,002 mm au o ascensiune capilară lentă, astfel încât, în ambele cazuri, pe durata înghețului poate ajunge în zona de acțiune a înghețului doar o cantitate mai mică de apă. Dacă solul argilos conține peste 25% particule de mărime < 0,002 mm, permeabilitatea solului este foarte mică și circulația apei în pori este atât de lentă, încât aceasta îngheață în pori înainte ca lentilele de gheață să o poată atrage.
Ad 2) Pe lângă condiția privind compoziția granulometrică a solului, trebuie îndeplinită încă o condiție pentru ca să apară deformări ale solului la îngheț. Aceasta este posibilitatea de alimentare cu apă a zonei de acțiune a înghețului. Dacă această condiție nu ar fi îndeplinită, adică dacă capilarele solului nu ar fi în legătură cu apa care va circula permanent prin ele în timpul acțiunii înghețului, nu vor apărea deformări la îngheț, indiferent de compoziția granulometrică a solului.
Cu cât nivelul apei subterane este mai ridicat, cu atât este mai mare posibilitatea de deformare a solului din cauza acțiunii înghețului. Dacă nivelul apei subterane se află la o adâncime mai mare decât înălțimea de urcare capilară a apei din solul dat, deformările datorate acțiunii înghețului sunt neînsemnate.
Ad 3) Dacă perioada de timp în care înghețul durează neîntrerupt este mai lungă, cu atât deformările datorate înghețului sunt mai mari, din cauza formării unor lentile mai mari și mai numeroase. Înghețul puternic și de scurtă durată provoacă deformări mai mici, deoarece în acest caz are loc înghețarea bruscă a apei din pori și întreruperea curgerii capilare a apei. Dimpotrivă, înghețul moderat și de lungă durată provoacă deformări mai mari din cauza formării neîmpiedicate a lentilelor de gheață.
Efectul de decornare
La dezgheț, mai întâi se topesc lentilele de gheață din partea superioară a solului de suprafață, în timp ce imediat sub acesta rămâne stratul înghețat și, prin urmare, impermeabil. Deoarece lentilele de gheață topite dau o cantitate mare de apă, care nu poate pătrunde prin stratul inferior înghețat, această cantitate mărită de apă din stratul de suprafață suprasaturează solul și îl transformă într-o masă lichidă, care nu are nicio rezistență, ci este împinsă lateral sub presiune. Deformațiile solului datorate acțiunii dezghețului pot fi considerabile și, în anumite cazuri, periculoase. Aceste deformații sunt frecvente la tăieturile de pe liniile feroviare și drumuri, unde primăvara apare alunecarea parțială a taluzurilor din cauza suprasaturării solului cu apă provenită din lentilele de gheață topite, precum și pe drumuri, ale căror carosabile se deformează sub trafic pe un teren care și-a pierdut capacitatea portantă din cauza suprasaturării cu apă.
Criteriul pentru evaluarea acțiunii înghețului asupra solului
Studiind acțiunea gerului asupra diferitelor tipuri de sol s-a ajuns la concluzia că, din punctul de vedere al comportării la îngheț, trebuie deosebite două tipuri de sol: sigur și periculos la îngheț.
Solurile sigure la îngheț sunt acelea la care nu se formează lentile de gheață, oricât de lungă ar fi durata înghețului. La acest tip de sol are loc doar înghețarea apei din porii săi și formarea cristalelor de gheață, cu deformări neînsemnate sub acțiunea înghețului. În această grupă intră pietrișul, nisipul și soluri similare.
Solurile periculoase la îngheț sunt acelea în care se formează lentile de gheață, din cauza cărora pot apărea deformări mai mari. Apa acumulată în stratul superficial sub formă de lentile de gheață, în timpul acțiunii înghețului, produce de asemenea și efectul de dezghețare. În acest grup intră anumite soluri prăfo-argiloase, iar în special solurile prăfoase.
Există mai multe criterii pentru aprecierea rezistenței solului la îngheț, dintre care cele mai cunoscute sunt criteriile lui Arthur Casagrande și Rukli, pe care le vom descrie aici.
Criteriul A. Casagrande
Acest criteriu se bazează pe compoziția granulometrică a solului și este următorul:
a) La solurile cu compoziție uniformă, al căror grad de neuniformitate U < 5, solul este sensibil la îngheț dacă conține mai mult de 10% particule cu dimensiuni sub 0,02 mm.
b) La solurile cu compoziție neuniformă, al căror grad de neuniformitate U > 15, solul este periculos la îngheț dacă conține mai mult de 3% granule cu dimensiunea sub 0,02 mm.
Deși acest criteriu a fost aplicat mult timp și a dat întotdeauna rezultate fiabile, neajunsul lui este că se bazează numai pe granulometria solului și nu ia în considerare și alți factori care influențează acțiunea înghețului în sol. Din acest motiv, astăzi se consideră că acest criteriu este prea sever și neeconomic.
Criteriul lui Rukliev
Potrivit acestei metode, solul se împarte în două fracții în funcție de granulația particulelor solide, și anume în fracția cu granulație mare, cu granule de diametru d > 2 mm și fracția cu granulație fină, cu granule de diametru d < 2 mm. Pentru aprecierea stabilității la îngheț a solului se stabilește dependența cantității fracției fine de cantitatea fracției grosiere, iar această dependență este dată prin limita inferioară și limita superioară (fig. 1).
Limita inferioară reprezintă procentul maxim admis al particulelor solide cu diametrul d < 0,02 mm din greutatea uscată a umpluturii, adică fracția 0-2 mm, la care practic nu apar daune cauzate de îngheț în condiții nefavorabile, cum sunt nivelul ridicat al apei subterane, condițiile climatice nefavorabile (înghețuri de lungă durată) și umiditatea naturală mare a solului.
Limita superioară reprezintă procentul maxim admis de particule d < 0,02 mm din greutatea uscată a fracțiunii fine, la care nu apar practic pagube din cauza înghețului în condiții favorabile, cum ar fi un nivel scăzut al apei subterane, condiții climatice favorabile (înghețuri de scurtă durată) și o umiditate naturală redusă a solului.
Fig. 1 Limita inferioară și superioară pentru aprecierea pericolului de îngheț al solului după criteriul lui Ruklie
Protecția împotriva acțiunii înghețului în sol
Adâncimea de acțiune a înghețului în sol depinde de condițiile climatice ale regiunii. În țara noastră ea este, în principal, de 0,8 până la 1,0 m sub suprafața terenului. Prin urmare, construcțiile fundate la o adâncime egală sau mai mare decât 1,0 m nu vor fi afectate de îngheț.
Construcțiile cu fundație superficială, cum sunt carosabilele drumurilor, sunt expuse acțiunii înghețului, care poate produce deformări mai mari și deteriorări ale carosabilului, atât la înghețare, cât și la dezghețare. De aceea, la executarea carosabilelor pe drumuri și a pistelor de decolare și aterizare din aeroporturi, este necesară examinarea solului din punctul de vedere al acțiunii înghețului, iar în cazul în care terenul de fundare este sensibil la îngheț, trebuie luate măsuri de protecție. La carosabilele de pe drumuri și aeroporturi, cea mai eficientă măsură este realizarea stratului de bază, a cărui grosime se stabilește astfel încât grosimea totală a carosabilului și a stratului de bază să fie 0,80 m pentru trafic greu până la 0,60 m pentru trafic ușor. Cel mai adesea, grosimea stratului de bază de 0,30 m sub carosabil reprezintă o protecție suficientă împotriva acțiunii înghețului.
Materialul pentru realizarea stratului tampon este, de obicei, nisipul sau balastul nisipos, care trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
Indicele de plasticitate IP < 5
Conținutul fracției d < 0,02 mm mai mic de 3%
Gradul de neuniformitate U > 7.
Partea superioară a stratului tampon, pe o grosime de 20 cm, nu trebuie să fie formată din nisip uniform și cu granulație fină, din cauza compactării insuficiente și a capacității portante limitate. În această zonă, stratul tampon trebuie să fie un pietriș nisipos cu 30-70% granule de dimensiunea 2-30 mm. Nu se recomandă granule mai mari de 30 mm.
Zidurile de împrejmuire cu fundație superficială sunt de asemenea supuse acțiunii înghețului din sol, din cauza căreia se înclină, ceea ce, la acțiunea repetată a înghețului în timp, duce la răsturnarea și prăbușirea lor. De aceea, aceste ziduri trebuie fundate la o adâncime de 1,0 m, dacă terenul este expus la îngheț.