Deformacije tal zaradi delovanja mraza
Pri delovanju zmrzali prosta voda brez toka zmrzne pri 0°C in se pri tem razširi za 9% svoje prostornine. Voda v ozkih kapilarnih ceveh pa ne zmrzne pri 0°C, temveč pri nižjih temperaturah, ki se gibljejo od -1°C do -78°C. Ta zadnja temperatura zmrzovanja je bila ugotovljena z laboratorijskimi preizkusi v Ameriki. Čim ožja je kapilarna cev, tem nižja je temperatura zmrzovanja.
V tleh so pore, ki so med seboj povezane v vseh smereh in tvorijo kapilarne cevi. V pesku so pore velike in tvorijo široke kapilarne cevi, v katerih voda zmrzne pri 0°C ali pri nekoliko nižji temperaturi. Voda zmrzuje enakomerno, pri čemer se v porah tvorijo ledeni kristali, katerih povečanje prostornine za 9% ne povzroči nobenih pomembnejših deformacij tal. V tleh drobnozrnate sestave so pore manjše in tvorijo ozke kapilarne cevi, v katerih voda zmrzne pri temperaturah, nižjih od 0°C. V površinski plasti pa je tla vedno bolj rahla z večjimi porami, v katerih voda zmrzne pri 0°C in tvori ledene kristale. Ti kristali z veliko silo privlačijo ohlajeno vodo iz ozkih por, t. i. kristalizacijsko silo. Ko tako privabljena voda pride v stik z ledenimi kristali in tudi sama zmrzne ter poveča prostornino ledenih kristalov, ki postanejo ledene leče, je lahko njihova debelina približno 0,1 do 10 mm. Nastale ledene leče povzročijo znatno deformacijo tal med delovanjem mraza, ki lahko v posebej neugodnih okoliščinah doseže 30 in 50 cm.
Vznik a veľkosť deformácie pôdy v dôsledku pôsobenia mrazu závisí najmä od nasledujúcich 3 faktorov:
-
Raven podzemne vode
-
Trajanje zmrzali.
Ad 1) Glede granulometrične sestave je največji učinek zmrzali pri drobnozrnatih tleh, katerih pore so dovolj drobne, da tvorijo ozke kapilarne cevi, hkrati pa imajo dovolj veliko prepustnost, ki omogoča hitro kroženje vode med delovanjem zmrzali. Takšna tla so na zmrzal najobčutljivejša, tako glede hitrosti pojava kot glede velikosti deformacij. To so meljasta tla, ki so sestavljena pretežno iz zrn velikosti 0,02-0,002 mm. Zrna velikosti >0,02 mm imajo majhno višino kapilarnega dviga, medtem ko imajo zrna velikosti < 0,002 mm počasen kapilarni dvig, tako da lahko v obeh primerih med trajanjem zmrzali v območje delovanja zmrzali prispe le manjša količina vode. Če ilovnata tla vsebujejo več kot 25% delcev velikosti < 0,002 mm, je prepustnost tal zelo majhna in kroženje vode v porah tako počasno, da v porah prej zmrzne, kot pa se lahko privlečejo ledene leče.
Ad 2) Okrem podmienky týkajúcej sa granulometrického zloženia pôdy musí byť splnená ešte jedna podmienka, aby došlo k deformáciám pôdy pri mraze. Tou je možnosť prísunu vody do zóny pôsobenia mrazu. Ak by táto podmienka nebola splnená, t. j. ak by kapiláry pôdy neboli v spojení s vodou, ktorá by nimi počas pôsobenia mrazu neustále prúdila, k deformáciám pri mraze nedôjde, nech je granulometrické zloženie pôdy akékoľvek.
Če je gladina podzemne vode višja, toliko večja je možnost deformacij tal zaradi vpliva zmrzali. Če je gladina podzemne vode na večji globini, kot je višina kapilarnega dviganja vode v danih tleh, so deformacije zaradi vpliva zmrzali neznatne.
Ad 3) Ak je časové obdobie nepretrvávajúceho trvania mrazu dlhšie, tým väčšie sú deformácie spôsobené mrazom, v dôsledku tvorby väčších a početnejších šošoviek. Silný a krátkodobý mráz spôsobuje menšie deformácie, pretože v tomto prípade dochádza k náhlemu zamrznutiu vody v póroch a k prerušeniu kapilárneho prúdenia vody. Naopak, stredný a dlhodobý mráz vyvoláva väčšie deformácie v dôsledku nerušeného vytvárania ľadových šošoviek.
Učinek odtrošenja
Pri odtajevanju se najprej stalijo ledene leče v zgornjem delu površinskega tal, tik pod njimi pa ostane zamrznjena in zato tudi neprepustna plast. Ker staljene ledene leče dajejo veliko količino vode, ki ne more prodreti skozi zamrznjeno spodnjo plast, ta povečana količina vode v površinski plasti tla prenasiči in iz njih ustvari tekočo maso, ki nima nobene trdnosti, temveč se pod pritiskom bočno iztiska. Deformacije tal zaradi delovanja odtajevanja so lahko znatne in v določenih primerih nevarne. Te deformacije so pogoste v usekih na železniških progah in cestah, kjer spomladi prihaja do delnega drsenja brežin zaradi prenasičenosti tal z vodo od staljenih ledenih leč, pa tudi na cestah, katerih vozišča se pod prometom deformirajo na tleh, ki so izgubila nosilnost zaradi prenasičenosti z vodo.
Kriterij za ocenjevanje vpliva zmrzali na tla
Štúdiom pôsobenia mrazu na rôzne druhy pôdy sa dospelo k záveru, že z hľadiska správania sa pri mraze treba rozlišovať dva druhy pôdy: bezpečnú a na mráz citlivú.
Tla, varna pred zmrzaljo, so tista, pri katerih se ne tvorijo ledene leče, ne glede na to, kako dolgo traja zmrzal. Pri tej vrsti tal pride le do zmrzovanja vode v njenih porah in tvorbe ledenih kristalov, z neznatnimi deformacijami pri delovanju zmrzali. V to skupino spadajo prod, pesek in podobna tla.
Pôdy nebezpečné na mráz sú tie, pri ktorých sa vytvárajú ľadové šošovky, v dôsledku čoho môžu vzniknúť väčšie deformácie. Nahromadená voda v povrchovej vrstve vo forme ľadových šošoviek počas pôsobenia mrazu vyvoláva aj účinok odmršťovania. Do tejto skupiny patria niektoré prachovito-hlinité, a najmä prachovité pôdy.
Obstaja več kriterijev za oceno odpornosti tal proti zmrzovanju, med katerimi sta najbolj znana kriterija Arthura Casagrandea in Ruklia, ki ju bomo tu opisali.
Kritérium A. Casagrandea
To merilo temelji na granulometrični sestavi tal in se glasi:
a) Pri pôde rovnomerného zloženia, ktorej stupeň nerovnomernosti U < 5, je pôda ohrozená mrazom, ak obsahuje viac než 10% zŕn s veľkosťou menšou ako 0,02 mm.
b) Pri tleh neenotne sestave, katerih stopnja neenotnosti U > 15, so tla nevarna za zmrzal, če vsebujejo več kot 3% zrn velikosti pod 0,02 mm.
Čeprav se je to merilo dolgo časa uporabljalo in vedno dajalo zanesljive rezultate, je njegova pomanjkljivost v tem, da temelji samo na granulaciji tal in ne upošteva drugih dejavnikov, ki vplivajo na delovanje zmrzali v tleh. Zato se danes šteje, da je to merilo preveč strogo in neekonomično.
Rukliev kritérium
Po tej metodi se tla delijo v dve frakciji po trdnosti trdnih delcev, in sicer v grobozrnato frakcijo, zrna premera d > 2 mm, in finozrnato frakcijo, zrna premera d < 2 mm. Za ocenjevanje odpornosti tal proti zmrzali se postavi odvisnost količine finozrnate frakcije od količine grobozrnate frakcije, ta odvisnost pa je prikazana z spodnjo in zgornjo mejo (sl. 1).
Spodnja meja predstavlja največji dovoljeni odstotek trdnih delcev premera d < 0,02 mm glede na suho težo nasipa, tj. frakcije 0-2 mm, pri kateri ob neugodnih razmerah, kot so visoka gladina podtalnice, neugodne podnebne razmere (dolgotrajne zmrzali) in velika naravna vlažnost tal, praktično ne nastanejo nobene škode zaradi zmrzali.
Zgornja meja predstavlja največji dovoljeni odstotek delcev d < 0,02 mm glede na suho težo drobnozrnate frakcije, pri katerem pri ugodnih pogojih, kot so nizka gladina podzemne vode, ugodne klimatske razmere (kratkotrajne zmrzali) in majhna naravna vlažnost tal, praktično ne nastane nobena škoda zaradi zmrzali.
Sl. 1 Spodnja in zgornja meja za oceno nevarnosti tal zaradi zmrzali po Ruklijevem kriteriju
Zaščita pred delovanjem zmrzali v tleh
Globina delovanja zmrzali v tleh je odvisna od podnebnih razmer območja. Pri nas je pretežno 0,8 do 1,0 m pod površino terena. Zato konstrukcije, fundirane na globini, enaki ali večji od 1,0 m, ne bodo izpostavljene delovanju zmrzali.
Plitvo temeljenih konstrukcij, kot so vozišča na cestah, je izpostavljeno delovanju zmrzali, ki lahko povzroči večje deformacije in poškodbe vozišča, tako pri zmrzovanju kot pri odtaljevanju. Zato je pri izdelavi vozišč na cestah in vzletno-pristajalnih stez na letališčih treba preizkusiti tla glede vpliva zmrzali in v primeru, ko je temeljno tla nevarno na zmrzal, je treba sprejeti zaščitne ukrepe. Pri voziščih na cestah in letališčih je najučinkovitejši ukrep izvedba tamponskega sloja, katerega debelina se določi tako, da je skupna debelina vozišča in tamponskega sloja 0,80 m za težek promet do 0,60 m za lahek promet. Najpogosteje je debelina tamponskega sloja 0,30 m pod voziščem zadostna zaščita pred delovanjem zmrzali.
Material za izdelavo tamponske plasti je običajno pesek ali peščeni gramoz, ki mora izpolnjevati naslednje pogoje:
Indeks plastičnosti IP je < 5
Vsebnost frakcije d < 0,02 mm manjša od 3%
Stopnja neenakomernosti U > 7.
Vrchná časť vyrovnávacej vrstvy v hrúbke 20 cm nesmie byť jednotný a jemnozrnný piesok pre nedostatočné zhutnenie a obmedzenú nosnosť. V tejto časti má byť vyrovnávacia vrstva piesčitý štrk s 30-70% zŕn veľkosti 2-30 mm. Zrna väčšie ako 30 mm sa neodporúčajú.
Plytko založené ohradené múry sú takisto vystavené účinku mrazu v pôde, v dôsledku čoho sa nakláňajú, čo pri opakovanom pôsobení mrazu časom vedie k ich prevráteniu a zrúteniu. Preto treba tieto múry zakladať do hĺbky 1,0 m, ak je pôda mrazovo nebezpečná.