Deformacije tal zaradi delovanja mraza
Ob 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 segajo 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 obstajajo 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 oblikujejo ledeni kristali, katerih povečanje prostornine za 9% ne povzroča 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, tako imenovano kristalizacijsko silo. Ko tako privabljena voda pride v stik z ledenimi kristali in tudi sama zmrzne, povečuje prostornino ledenih kristalov, ki postanejo ledene leče, katerih debelina je lahko okoli 0,1 do 10 mm. Nastale ledene leče povzročijo znatno deformacijo tal v času delovanja zmrzali, ki lahko v posebej neugodnih okoliščinah doseže do 30 in 50 cm.
Pojav in velikost deformacije tal zaradi delovanja zmrzali sta odvisna predvsem od naslednja 3 dejavnika:
-
Raven podtalnice
-
Trajanje zmrzali.
Ad 1) Po granulometrični sestavi je najmočnejši vpliv zmrzali pri drobnozrnatih tleh, katerih pore so dovolj majhne, da tvorijo ozke kapilarne cevi, hkrati pa imajo dovolj veliko prepustnost, ki omogoča hitro kroženje vode med delovanjem zmrzali. Takšna tla so najbolj občutljiva na zmrzal, 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 zrna velikosti < 0,002 mm imajo počasen kapilarni dvig, tako da lahko v obeh primerih med trajanjem zmrzali v območje delovanja zmrzali pride le manjša količina vode. Če ilovnato tla vsebujejo več kot 25% delcev velikosti < 0,002 mm, je prepustnost tal zelo majhna in kroženje vode v porah tako počasno, da ta v porah prej zmrzne, preden bi ledene leče lahko privabile vodo.
Ad 2) Poleg pogoja glede granulometrične sestave tal mora biti izpolnjen še en pogoj, da bi prišlo do zmrzalnih deformacij tal. To je, da obstaja možnost dovajanja vode v območje delovanja mraza. Če ta pogoj ne bi bil izpolnjen, tj. če kapilare tal ne bi bile v stiku z vodo, ki bo med delovanjem mraza neprestano tekla skozenj, do zmrzalnih deformacij ne bo prišlo, ne glede na granulometrično sestavo tal.
Če je nivo podzemne vode višji, toliko večja je možnost deformacij tal zaradi delovanja zmrzali. Če je nivo podzemne vode na večji globini, kot je višina kapilarnega dviganja vode pri danem tleh, so deformacije zaradi delovanja zmrzali neznatne.
Ad 3) Če je časovno obdobje neprekinjenega trajanja mraza daljše, tem večje so deformacije zaradi mraza, zaradi nastajanja večjih in številnejših leč. Močan in kratkotrajen mraz povzroči manjše deformacije, ker v tem primeru nastopi naglo zmrzovanje vode v porah in prekinitev kapilarnega toka vode. Nasprotno pa srednje močan in dolgotrajen mraz povzroči večje deformacije zaradi neovirane tvorbe ledenih leč.
Učinek razbremenitve
Pri odmrzovanju najprej odtajajo ledene leče v zgornjem delu površinske zemlje, takoj pod njimi pa ostane zamrznjena in s tem tudi neprepustna plast. Ker odtajane ledene leče oddajo veliko količino vode, ki ne more ponikniti skozi zamrznjeno nižjo plast, ta povečana količina vode v površinski plasti tla prenasiči in iz njih ustvari tekočo maso, ki nima nikakršne trdnosti, temveč se pod pritiskom bočno iztiska. Deformacije tal zaradi delovanja odmrzovanja so lahko znatne in v nekaterih primerih nevarne. Te deformacije so pogoste pri usekih na železniških progah in cestah, kjer spomladi prihaja do delnega zdrsa brežin zaradi prenasičenosti tal z vodo od odtajanih ledenih leč, pa tudi na cestah, katerih vozišča se pod prometom deformirajo na tleh, ki so zaradi prenasičenosti z vodo izgubila nosilnost.
Kriterij za ocenjevanje vpliva zmrzali na tla
S proučevanjem delovanja zmrzali na različne vrste tal je bilo ugotovljeno, da je glede obnašanja na zmrzal treba razlikovati dve vrsti tal: varna in nevarna za zmrzal.
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 njihovih porah in do nastajanja ledenih kristalov, z neznatnimi deformacijami pri delovanju zmrzali. V to skupino spadajo gramoz, pesek in podobna tla.
Tla, nevarna zaradi zmrzali, so tista, pri katerih nastajajo ledene leče, zaradi česar lahko nastanejo večje deformacije. Nakopičena voda v površinski plasti v obliki ledenih leč med delovanjem zmrzali povzroča tudi učinek odmrzovanja. V to skupino spadajo nekatere meljasto-glinaste in zlasti meljaste zemlje.
Obstaja več meril za oceno odpornosti tal proti zmrzali, med katerimi sta najbolj znani merili Arthurja Casagrandeja in Ruklia, ki ju bomo tu opisali.
Kriterij A. Casagrandeja
Ta kriterij temelji na granulometrični sestavi tal in se glasi:
a) Pri tleh enotne sestave, katerih stopnja neenakomernosti U < 5, so tla izpostavljena zmrzali, če vsebujejo več kot 10% delcev velikosti pod 0,02 mm.
b) Pri tleh neenotne sestave, katerih stopnja neenotnosti U > 15, so tla nevarna zaradi zmrzali, če vsebujejo več kot 3% zrn velikosti pod 0,02 mm.
Čeprav se je ta kriterij dolgo uporabljal in je vedno dajal zanesljive rezultate, je njegova pomanjkljivost v tem, da temelji samo na granulaciji tal in ne upošteva tudi drugih dejavnikov, ki vplivajo na delovanje zmrzali v tleh. Zato danes velja, da je ta kriterij preveč strog in neekonomičen.
Rukliev kriterij
Po tej metodi se tla delijo v dve frakciji glede na drobljivost trdnih delcev, in sicer v grobozrnato frakcijo, zrna premera d > 2 mm, in drobnozrnato frakcijo, zrna premera d < 2 mm. Za ocenjevanje odpornosti tal proti zmrzali se vzpostavi odvisnost količine drobnozrnate frakcije od količine grobozrnate frakcije in ta odvisnost je podana z zgornjo in spodnjo mejo (sl. 1).
Spodnja meja predstavlja največji dovoljeni odstotek trdnih delcev premera d < 0,02 mm glede na suho težo nasutja, tj. frakcije 0-2 mm, pri katerem pri neugodnih razmerah, kot so visoka gladina podzemne vode, neugodne podnebne razmere (dolgotrajne zmrzali) in velika naravna vlažnost tal, ne nastanejo praktično 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 razmerah, kot so nizka raven podzemne vode, ugodne podnebne razmere (kratkotrajne pozebe) in majhna naravna vlažnost tal, praktično ne nastanejo nobene škode zaradi zmrzali.
Sl. 1 Spodnja in zgornja meja za oceno nevarnosti zmrzovanja tal 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, temeljenjene na globini, enaki ali večji od 1,0 m, ne bodo izpostavljene delovanju zmrzali.
Plitvo temeljenje konstrukcij, kot so vozišča na cestah, je izpostavljeno vplivu zmrzali, ki lahko povzroči večje deformacije in poškodbe vozišča, tako pri zmrzovanju kot pri odtajanju. Zato je pri izdelavi vozišč na cestah in vzletno-pristajalnih stez na letališčih treba preizkusiti tla glede vpliva zmrzali in v primeru, ko je temeljna tla nevarna zaradi zmrzali, je treba sprejeti zaščitne ukrepe. Pri voziščih na cestah in letališčih je najučinkovitejši ukrep izdelava 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. Navadno je debelina tamponskega sloja 0,30 m pod voziščem zadostna zaščita pred vplivom zmrzali.
Material za izdelavo tamponskega sloja je navadno pesek ali peščeni prod, ki mora izpolnjevati naslednje pogoje:
Plastični indeks IP < 5
Vsebnost frakcije d < 0,02 mm manjša od 3%
Stopnja neenakomernosti U > 7.
Zgornji del tamponirne plasti v debelini 20 cm ne sme biti enoten in drobnozrnat pesek zaradi nezadostne zbitosti in omejene nosilnosti. V tem delu mora biti tamponirna plast peščeni gramoz z 30-70% zrn velikosti 2-30 mm. Zrna, večja od 30 mm, niso priporočljiva.
Plitvo temeljeni ograjni zidovi so prav tako pod vplivom zmrzali v tleh, zaradi česar se nagibajo, ob ponavljajočem se delovanju zmrzali skozi čas pa to vodi do njihovega prevračanja in porušitve. Zato je treba te zidove temeljiti na 1,0 m globine, če je tla izpostavljena zmrzali.