Jorddeformationer till följd av frostverkan
Vid frost fryser fritt, stillastående vatten vid 0°C och utvidgar sig då med 9% av sin volym. Däremot fryser vatten i smala kapillärrör inte vid 0°C, utan vid lägre temperaturer, som ligger mellan -1°C och -78°C. Den sistnämnda fryspunkten har fastställts genom laboratorieförsök i Amerika. Ju smalare kapillärröret är, desto lägre är fryspunkten.
I marken finns porer som är förbundna med varandra i alla riktningar och bildar kapillärrör. I sand är porerna grova och bildar breda kapillärrör, i vilka vattnet fryser vid 0°C eller vid något lägre temperatur. Vattnet fryser jämnt, varvid iskristaller bildas i porerna, och deras volymökning med 9% orsakar inga nämnvärda deformationer av marken. I jord med finkornig sammansättning är porerna mindre och bildar smala kapillärrör där vattnet fryser vid temperaturer lägre än 0°C. I det ytliga skiktet är marken emellertid alltid luckrare med grövre porer, i vilka vattnet fryser vid 0°C och bildar iskristaller. Dessa kristaller drar till sig avkylt vatten från de smala porerna med stor kraft, den så kallade kristallisationskraften. När vattnet som därigenom dragits till sig kommer i kontakt med iskristallerna fryser det själv och ökar iskristallernas volym, varigenom de blir islinsor, vars tjocklek kan vara omkring 0,1 till 10 mm. De bildade islinsorna orsakar betydande deformation av marken under frostverkan, vilket under särskilt ogynnsamma förhållanden kan uppgå till 30 och 50 cm.
Förekomsten och storleken av markdeformationer till följd av frostpåverkan beror huvudsakligen på följande 3 faktorer:
-
Grundvattennivå
-
Varaktigheten av frosten.
Ad 1) När det gäller kornfördelningen är frostverkan störst i finkornig jord, vars porer är tillräckligt små för att bilda smala kapillära kanaler, och som samtidigt har tillräckligt hög genomsläpplighet för att möjliggöra snabb vattencirkulation under frostens inverkan. Sådan jord är mest frostkänslig, både vad gäller hur snabbt den påverkas och hur stora deformationerna blir. Det är siltjordar, som huvudsakligen består av korn i storleken 0,02-0,002 mm. Korn med storleken >0,02 mm har liten kapillär stighöjd, medan korn med storleken < 0,002 mm har långsam kapillär stigning, så att endast en mindre mängd vatten kan nå frostzonen under frostperioden i båda fallen. Om lerjord innehåller mer än 25% partiklar med storleken < 0,002 mm, är jordens genomsläpplighet mycket liten och vattencirkulationen i porerna så långsam att vattnet fryser i porerna innan islinserna hinner bildas.
Ad 2) Utöver villkoret beträffande jordens granulometriska sammansättning måste ytterligare ett villkor vara uppfyllt för att jorddeformationer vid frost ska uppstå. Det är att det finns möjlighet till tillförsel av vatten till frostverkansområdet. Om detta villkor inte vore uppfyllt, dvs. om jordens kapillärer inte stod i förbindelse med vatten som ständigt skulle strömma genom dem under frosts inverkan, kommer inga deformationer vid frost att uppstå, oavsett jordens granulometriska sammansättning.
Ju högre grundvattennivån är, desto större är möjligheten till markdeformationer till följd av frostverkan. Om grundvattennivån ligger på ett större djup än höjden för jordens kapillära stigning är deformationer till följd av frostverkan obetydliga.
Ad 3) Om tidsperioden med oavbruten frost varar längre, desto större blir deformationerna på grund av frosten, eftersom större och talrikare linsbildningar uppstår. Stark och kortvarig frost orsakar mindre deformationer, eftersom vattnet i porerna då fryser snabbt och det kapillära vattenflödet avbryts. Däremot orsakar måttlig och långvarig frost större deformationer på grund av den ostörda bildningen av islinser.
Avtappningsverkan
Vid upptining smälter först islinserna i den övre delen av ytjorden, medan ett fruset och därför också ogenomsläppligt lager omedelbart under finns kvar. Eftersom de smälta islinserna ger ifrån sig en stor mängd vatten, som inte kan tränga ned genom det frusna underliggande lagret, mättar denna ökade vattenmängd i ytlagret jorden och gör den till en flytande massa som saknar all fasthet och i stället pressas ut i sidled under tryck. Deformationer av jorden till följd av upptining kan vara betydande och i vissa fall farliga. Dessa deformationer är vanliga i skärningar vid järnvägar och vägar, där slänter på våren delvis glider på grund av att jorden mättats med vatten från smälta islinser, liksom på vägar där körbanorna deformeras under trafiken på mark som förlorat sin bärförmåga till följd av vattenmättnad.
Kriterium för bedömning av frostens inverkan på jorden
Genom att studera frostens inverkan på olika jordarter har man kommit till slutsatsen att man beträffande frostbeteende måste skilja mellan två typer av jord: frostsäkra och frostkänsliga.
Frostsäkra jordar är sådana där inga isskivor bildas, oavsett hur lång frostperioden är. Hos denna typ av jord sker endast frysning av vattnet i dess porer och bildning av iskristaller, med obetydliga deformationer under frosts inverkan. Till denna grupp hör grus, sand och liknande jordar.
Frostkänsliga jordar är sådana där islinser bildas, varigenom större deformationer kan uppstå. Ansamlat vatten i ytlagret i form av islinser under frosts påverkan ger också upptiningseffekt. Till denna grupp hör vissa siltiga lerjordar och särskilt siltjordar.
Det finns flera kriterier för bedömning av jordens frostbeständighet, bland vilka de mest kända är Arthur Casagrandes och Ruklias kriterier, vilka vi här kommer att beskriva.
Kriterium A. Casagrande
Detta kriterium grundar sig på jordens granulometriska sammansättning och lyder:
a) För jord med enhetlig sammansättning, vars ojämnhetsgrad U < 5, är jorden frostfarlig om den innehåller mer än 10% korn med storlek under 0,02 mm.
b) För jord av ojämn sammansättning, vars ojämnhetsgrad U > 15, är jorden frostfarlig om den innehåller mer än 3% korn med storlek under 0,02 mm.
Även om detta kriterium länge har tillämpats och alltid gett tillförlitliga resultat, är dess nackdel att det enbart bygger på jordens granulering och inte tar hänsyn till andra faktorer som påverkar frostverkan i jorden. Därför anses detta kriterium i dag vara alltför strängt och oekonomiskt.
Ruklievs kriterium
Enligt denna metod delas jorden i två fraktioner efter de fasta partiklarnas grovhet, nämligen i den grovkorniga fraktionen, korn med diameter d > 2 mm, och den finkorniga fraktionen, korn med diameter d < 2 mm. För bedömning av jordens frostbeständighet ställs beroendet mellan mängden finkornig fraktion och mängden grovkornig fraktion upp, och detta beroende anges med en nedre och en övre gräns (fig. 1).
Den nedre gränsen utgör den största tillåtna andelen fasta partiklar med diameter d < 0,02 mm av fyllningens torrvikt, dvs. fraktionen 0-2 mm, vid vilken praktiskt taget inga frostskador uppstår under ogynnsamma förhållanden, såsom hög grundvattennivå, ogynnsamma klimatförhållanden (långvarig frost) och hög naturlig markfuktighet.
Den övre gränsen utgör den största tillåtna andelen partiklar d < 0,02 mm av torrvikten hos den finkorniga fraktionen, vid vilken praktiskt taget inga frostskador uppstår under gynnsamma förhållanden, såsom låg grundvattennivå, gynnsamma klimatförhållanden (kortvariga frostperioder) och låg naturlig markfuktighet.
Fig. 1 Nedre och övre gräns för bedömning av markens frostfara enligt Ruklievs kriterium
Skydd mot tjälverkan i marken
Frostens inträngningsdjup i marken beror på områdets klimatförhållanden. I vårt land är det i huvudsak 0,8 till 1,0 m under markytan. Därför kommer konstruktioner som grundläggs på ett djup lika med eller större än 1,0 m inte att påverkas av frost.
Grunda grundlagda konstruktioner, såsom vägbanor på vägar, utsätts för frostens inverkan, vilket kan orsaka större deformationer och skador på vägbanan, både vid frysning och vid upptining. Därför är det vid anläggning av vägbanor och start- och landningsbanor på flygplatser nödvändigt att undersöka marken med avseende på frostpåverkan, och i de fall då undergrunden är frostfarlig ska skyddsåtgärder vidtas. För vägbanor på vägar och flygplatser är den mest effektiva åtgärden att anordna ett bärlager, vars tjocklek bestäms så att den totala tjockleken för vägbanan och bärlagret blir 0,80 m för tung trafik till 0,60 m för lätt trafik. Vanligen ger ett bärlager med tjockleken 0,30 m under vägbanan tillräckligt skydd mot frostens inverkan.
Materialet för att utföra bärlagret är vanligtvis sand eller sandig grus, som ska uppfylla följande krav:
Plasticitetsindex IP < 5
Innehållet av fraktionen d < 0,02 mm är mindre än 3%
Ojämnhetsgraden U > 7.
Den övre delen av bärlagret, med en tjocklek på 20 cm, får inte bestå av enhetlig finkornig sand på grund av otillräcklig packning och begränsad bärförmåga. I denna del ska bärlagret utgöras av sandigt grus med 30-70% kornstorlek 2-30 mm. Korn större än 30 mm rekommenderas inte.
Ytligt grundlagda avskiljningsmurar påverkas också av frosten i marken, varigenom de lutar, vilket vid upprepade frostpåverkan över tiden leder till att de välter och rasar. Därför bör dessa murar grundläggas på 1,0 m djup, om marken är frostfarlig.