Athari ya baridi kali kwenye udongo

Udeformishaji wa udongo kutokana na athari ya barafu

Chini ya athari ya baridi, maji ya bure yasiyo na mtiririko huganda kwenye 0°C na wakati huo hupanuka kwa 9% ya ujazo wake. Hata hivyo, maji katika mirija myembamba ya kapilari hayagandi kwenye 0°C, bali kwenye halijoto ya chini zaidi, zinazoanzia -1°C hadi -78°C. Halijoto hii ya mwisho ya kuganda ilibainishwa kwa majaribio ya maabara nchini Marekani. Kadiri bomba la kapilari linavyozidi kuwa nyembamba, ndivyo halijoto ya kuganda inavyoshuka zaidi.

Kwenye udongo kuna matundu ambayo yameunganishwa kati yao katika pande zote na kuunda mirija ya kapilari. Kwenye mchanga matundu ni makubwa na huunda mirija mipana ya kapilari, ambamo maji huganda katika 0°C au katika joto la chini kidogo. Maji huganda kwa usawa, huku fuwele za barafu zikiundwa kwenye matundu, na ongezeko lao la ujazo la 9% halisababishi mabadiliko yoyote makubwa ya udongo. Kwenye udongo wenye chembe ndogo matundu ni madogo zaidi na huunda mirija myembamba ya kapilari ambamo maji huganda katika halijoto iliyo chini ya 0°C. Hata hivyo, katika tabaka la juu la uso udongo huwa mlegevu zaidi kila wakati ukiwa na matundu makubwa zaidi, ambamo maji huganda katika 0°C na kuunda fuwele za barafu. Fuwele hizi huvuta maji yaliyopoa kutoka kwenye matundu myembamba kwa nguvu kubwa, inayoitwa nguvu ya kioo. Maji yanayovutwa hivyo yanapogusana na fuwele za barafu nayo yanaganda, yakiongeza ujazo wa fuwele za barafu, ambazo hugeuka kuwa lenzi za barafu, ambazo unene wake unaweza kuwa karibu 0,1 hadi 10 mm. Lenzi za barafu zilizoundwa husababisha mabadiliko makubwa ya udongo wakati wa athari ya baridi, ambayo katika hali zisizofaa sana inaweza kufikia 30 na 50 cm.

Kutokea na ukubwa wa mgeuko wa udongo kutokana na athari ya barafu hutegemea hasa vigezo vifuatavyo 3:

1. Muundo wa kiasili wa chembe wa udongo

2. Kiwango cha maji ya chini ya ardhi

3. Muda wa kudumu kwa baridi.

Ad 1) Kuhusiana na muundo wa ukubwa wa chembe, athari kubwa zaidi ya barafu hutokea katika udongo wenye chembe ndogo, ambao matundu yake ni madogo vya kutosha kuunda mirija nyembamba ya kapilari, na wakati huo huo una upitishaji wa kutosha, unaowezesha mzunguko wa haraka wa maji wakati wa athari ya barafu. Udongo kama huo ndio nyeti zaidi kwa barafu, kwa upande wa kasi ya kutokea na pia kwa ukubwa wa mabadiliko. Hizi ni udongo wa vumbi, ambao kwa kiasi kikubwa huundwa na chembe zenye ukubwa wa 0,02-0,002 mm. Chembe zenye ukubwa >0,02 mm zina urefu mdogo wa kupanda kwa kapilari, ilhali chembe zenye ukubwa < 0,002 mm zina kupanda kwa kapilari kwa taratibu, hivyo katika hali zote mbili wakati wa baridi ni kiasi kidogo tu cha maji kinaweza kufika katika eneo la athari ya barafu. Ikiwa udongo wa mfinyanzi una zaidi ya 25% ya chembe zenye ukubwa < 0,002 mm, upitishaji wa udongo ni mdogo sana na mzunguko wa maji kwenye matundu ni wa polepole sana, kiasi kwamba maji humo huganda kabla ya lenzi za barafu kuvutwa.

Ad 2) Mbali na sharti kuhusu muundo wa kianzio wa udongo, sharti jingine lazima litimizwe ili deformation ya udongo wakati wa baridi itokee. Hilo ni kwamba kuwe na uwezekano wa kuwasili kwa maji katika eneo la athari ya baridi. Ikiwa sharti hili halingetimizwa, yaani kama kapilari za udongo haziunganishwi na maji ambayo yangeendelea kutiririka kupitia humo wakati wa athari ya baridi, hakutakuwa na deformation wakati wa baridi, bila kujali muundo wa kianzio wa udongo.

Kadiri kiwango cha maji ya chini ya ardhi kinavyokuwa juu zaidi, ndivyo uwezekano wa mabadiliko ya udongo kutokana na athari ya baridi unavyokuwa mkubwa zaidi. Ikiwa kiwango cha maji ya chini ya ardhi kiko katika kina kikubwa zaidi kuliko urefu wa kupanda kwa kapilari wa maji wa udongo fulani, mabadiliko kutokana na athari ya baridi huwa madogo mno.

Ad 3) Kadiri kipindi cha muda cha baridi isiyo katikati kinavyokuwa kirefu, ndivyo deformesheni kutokana na baridi zinavyokuwa kubwa zaidi, kwa sababu ya kutokea kwa lenzi kubwa na nyingi zaidi. Baridi kali na ya muda mfupi husababisha deformesheni ndogo, kwa kuwa katika hali hiyo maji katika matundu huganda ghafla na mtiririko wa kapilari wa maji hukatika. Kinyume chake, baridi ya wastani na ya muda mrefu husababisha deformesheni kubwa zaidi kwa sababu ya kutokea bila kizuizi kwa lenzi za barafu.

Athari ya kupoa kwa ng’ombe

Prilikom otkravljivanja, najpre se otope ledena sočiva u gornjem delu površinskog tla, dok odmah ispod njega ostaje smrznuti, pa prema tome i nepropustljivi sloj. Pošto otopljena ledena sočiva daju veliku količinu vode, koja ne može da ponire kroz smrznuti niži sloj, to ova povećana količina vode u površinskom sloju prezasićuje tlo i stvara od njega tečnu masu, koja nema nikakvu čvrstoću, već se pod pritiskom bočno istiskuje. Deformacije tla usled dejstva otkravljivanja mogu biti znatne i u izvesnim slučajevima opasne. Ove deformacije su česte kod useka na železničkim prugama i putevima, gde u proleće dolazi do delimičnog klizanja kosina usled prezasićenosti tla vodom od otopljenih ledenih sočiva, kao i na putevima, čiji se kolovozi pod saobraćajem deformišu na tlu koje je izgubilo nosivost usled prezasićenosti vodom.

Kigezo cha kutathmini athari ya baridi kali kwenye udongo

Kwa kuchunguza athari ya baridi kali kwenye aina mbalimbali za udongo, ilihitimishwa kuwa kwa upande wa tabia kwenye baridi kali kuna aina mbili za udongo zinazopaswa kutofautishwa: salama na hatari kwenye baridi kali.

Udongo salama dhidi ya baridi kali ni ule ambao haoundi vitambaa vya barafu, haijalishi muda wa baridi ni mrefu kiasi gani. Katika aina hii ya udongo hutokea tu kuganda kwa maji katika mapengo yake na kutokea kwa fuwele za barafu, pamoja na mabadiliko madogo sana yanapotokea baridi kali. Kundi hili linajumuisha changarawe, mchanga na udongo unaofanana nao.

Udongo hatari kwa baridi ni ule ambao ndani yake hutokea lenzi za barafu, jambo ambalo linaweza kusababisha deformesheni kubwa zaidi. Maji yaliyokusanyika katika tabaka la juu la uso katika umbo la lenzi za barafu wakati wa athari ya baridi pia husababisha athari ya kuyeyusha barafu. Kundi hili linajumuisha baadhi ya udongo wa vumbi-udongo wa mfinyanzi na hasa udongo wa vumbi.

Kuna vigezo kadhaa vya kutathmini uthabiti wa udongo dhidi ya baridi, ambavyo maarufu zaidi ni vigezo vya Arthur Casagrande na Rukl, ambavyo tutavieleza hapa.

Kigezo A. cha Casagrande

Kigezo hiki kinatokana na muundo wa chembechembe wa udongo na ni kama ifuatavyo:

a) Kwa udongo wa muundo unaofanana, ambao kiwango cha kutofanana U < 5, udongo huwa hatarishi kwa baridi ikiwa una zaidi ya 10% ya chembe zenye ukubwa chini ya 0,02 mm.

b) Kwa udongo wa muundo usio sawa, ambao kiwango cha kutosawa U > 15, udongo ni hatari kwa baridi ikiwa una zaidi ya 3% ya chembe zenye ukubwa chini ya 0,02 mm.

Ingawa kigezo hiki kilitumika kwa muda mrefu na kilikuwa daima kikitoa matokeo ya kuaminika, upungufu wake ni kwamba kinategemea tu ugawanyaji wa chembe wa udongo na hakizingatii pia mambo mengine yanayoathiri utekelezaji wa baridi katika udongo. Ndiyo sababu leo hii kigezo hiki kinachukuliwa kuwa kali kupita kiasi na kisicho na uchumi.

Kigezo cha Rukliev

Kwa njia hii, udongo hugawanywa katika fraksheni mbili kulingana na ukakamavu wa chembe ngumu, yaani fraksheni ya chembe kubwa, chembe zenye kipenyo d > 2 mm na fraksheni ya chembe ndogo, chembe zenye kipenyo d < 2 mm. Kwa kutathmini ustahimilivu wa udongo dhidi ya baridi kali, huwekwa utegemezi wa kiasi cha fraksheni ya chembe ndogo dhidi ya kiasi cha fraksheni ya chembe kubwa na utegemezi huu umetolewa kwa mpaka wa chini na wa juu (mch. 1).

Kikomo cha chini kinawakilisha asilimia kubwa zaidi inayoruhusiwa ya chembe ngumu zenye kipenyo d < 0,02 mm ya uzito mkavu wa ujazo wa kujazia, yaani fraksheni ya 0-2 mm, ambamo kwa hali zisizofaa, kama vile kiwango cha juu cha maji ya chini ya ardhi, hali mbaya za tabianchi (baridi za muda mrefu) na unyevunyevu mkubwa wa asili wa udongo, hakuna uharibifu wa kweli unaotokea kutokana na barafu.

Kikomo cha juu kinawakilisha asilimia ya juu inayoruhusiwa ya chembe d < 0,02 mm ya uzito mkavu wa sehemu ya chembe ndogo zaidi ambayo hakuna madhara ya kimsingi kutokana na baridi yanayotokea chini ya hali nzuri, kama vile kiwango cha chini cha maji ya chini ya ardhi, hali nzuri za hali ya hewa (baridi za muda mfupi) na unyevu mdogo wa asili wa udongo.

Mch. 1 Kikomo cha chini na cha juu cha tathmini ya hatari ya udongo kutokana na barafu kwa mujibu wa kigezo cha Rukliev

Ulinzi dhidi ya athari ya baridi kali katika udongo

Kina cha athari ya baridi kali katika udongo hutegemea hali ya hewa ya eneo. Katika nchi yetu kwa kiasi kikubwa ni 0,8 hadi 1,0 m chini ya uso wa ardhi. Kwa hiyo, miundo iliyojengwa kwenye kina sawa na au kikubwa kuliko 1,0 m haitakuwa chini ya athari ya baridi kali.

Miundo yenye msingi wa kina kifupi kama vile barabara za lami, hukabiliwa na athari ya baridi kali, ambayo inaweza kusababisha mgeuko mkubwa na uharibifu wa lami, wakati wa kuganda na wakati wa kuyeyuka. Kwa hiyo, wakati wa kutengeneza barabara za lami na njia za kurukia na kutua kwenye viwanja vya ndege, ni lazima udongo uchunguzwe kuhusiana na athari ya baridi kali na, endapo udongo wa msingi uko hatarini kutokana na baridi kali, hatua za kinga zichukuliwe. Kwa barabara za lami na viwanja vya ndege, hatua yenye ufanisi zaidi ni kutengeneza tabaka la mchanga wa kuimarisha, ambalo unene wake huamuliwa kwa namna kwamba unene wa jumla wa lami na tabaka la mchanga wa kuimarisha uwe 0,80 m kwa trafiki nzito hadi 0,60 m kwa trafiki nyepesi. Mara nyingi unene wa tabaka la mchanga wa kuimarisha 0,30 m chini ya lami unatosha kulinda dhidi ya athari ya baridi kali.

Nyenzo ya kutengenezea tabaka la msingi kawaida ni mchanga au changarawe yenye mchanga, ambayo inapaswa kutimiza masharti yafuatayo:

Kielezo cha plastisiti IP < 5

Kiwango cha sehemu d < 0,02 mm ni kidogo kuliko 3%

Kiwango cha kutolingana U > 7.

Sehemu ya juu ya tabaka la mto wenye unene wa 20 cm haipaswi kuwa mchanga wa aina moja na chembe ndogo kwa sababu ya kubanika duni na uwezo mdogo wa kubeba mzigo. Katika sehemu hii, tabaka la mto linapaswa kuwa changarawe ya mchanga yenye asilimia 30-70% ya chembe za ukubwa 2-30 mm. Chembe kubwa kuliko 30 mm hazipendekezwi.

Kuta za uzio zilizo na msingi wa kina kifupi pia huathiriwa na barafu kwenye udongo, jambo linalozifanya ziinamie na hivyo, kwa athari ya kurudiwa kwa barafu baada ya muda, kusababisha kupinduka na kubomoka kwao. Kwa hiyo kuta hizi zinapaswa kuwekwa msingi katika kina cha 1,0 m, ikiwa udongo uko hatarini kwa barafu.