ผลของน้ำค้างแข็งต่อดิน

การเสียรูปของดินอันเนื่องมาจากน้ำค้างแข็ง

ภายใต้อิทธิพลของน้ำค้างแข็ง น้ำอิสระที่ไม่มีการไหลจะแข็งตัวที่ 0°C และขยายตัวเป็น 9% ของปริมาตรของมัน อย่างไรก็ตาม น้ำในท่อแคปิลลารีแคบ ๆ ไม่แข็งตัวที่ 0°C แต่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งอยู่ในช่วงตั้งแต่ -1°C ถึง -78°C อุณหภูมิการแข็งตัวสุดท้ายนี้ได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการในอเมริกา ยิ่งท่อแคปิลลารีแคบเท่าไร อุณหภูมิการแข็งตัวก็ยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ในดินมีรูพรุนที่เชื่อมต่อกันทุกทิศทางและก่อให้เกิดท่อแคปิลลารี ในทราย รูพรุนมีขนาดใหญ่และก่อให้เกิดท่อแคปิลลารีที่กว้าง ซึ่งน้ำจะแข็งตัวที่ 0°C หรือที่อุณหภูมิต่ำกว่านี้เล็กน้อย น้ำจะแข็งตัวอย่างสม่ำเสมอ โดยเกิดผลึกน้ำแข็งในรูพรุน การเพิ่มปริมาตรของผลึกดังกล่าวถึง 9% ไม่ก่อให้เกิดการเสียรูปของดินที่มีนัยสำคัญ ดินที่มีองค์ประกอบเม็ดละเอียดจะมีรูพรุนเล็กกว่าและก่อให้เกิดท่อแคบ ๆ ที่น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C อย่างไรก็ตาม ในชั้นผิวดิน ดินจะร่วนซุยกว่าเสมอและมีรูพรุนใหญ่กว่า ซึ่งน้ำจะแข็งตัวที่ 0°C และก่อให้เกิดผลึกน้ำแข็ง ผลึกเหล่านี้จะดึงน้ำที่เย็นจัดจากรูพรุนแคบ ๆ เข้ามาหาตนด้วยแรงมาก เรียกว่า แรงการตกผลึก เมื่อมีน้ำที่ถูกดึงเข้ามานั้นสัมผัสกับผลึกน้ำแข็งและแข็งตัวเอง โดยเพิ่มปริมาตรของผลึกน้ำแข็งซึ่งกลายเป็นเลนส์น้ำแข็ง ความหนาของเลนส์อาจอยู่ประมาณ 0,1 ถึง 10 mm เลนส์น้ำแข็งที่ก่อตัวขึ้นจะทำให้ดินเสียรูปอย่างมากในช่วงที่เกิดน้ำค้างแข็ง และภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเป็นพิเศษ อาจสูงถึง 30 และ 50 cm

การเกิดและขนาดของการเปลี่ยนรูปของดินอันเนื่องมาจากผลของน้ำค้างแข็งขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 ต่อไปนี้เป็นหลัก:

1. องค์ประกอบเชิงเม็ดของดิน

2. ระดับน้ำใต้ดิน

3. ระยะเวลาที่น้ำค้างแข็งคงอยู่

Ad 1) เมื่อพิจารณาในแง่ขององค์ประกอบการคละ ขนาดเม็ดที่ทำให้เกิดผลของน้ำค้างแข็งมากที่สุดคือดินเม็ดละเอียด ซึ่งมีรูพรุนเล็กพอที่จะก่อให้เกิดท่อแคปิลลารีแคบ และในขณะเดียวกันมีการซึมผ่านสูงพอที่จะเอื้อต่อการหมุนเวียนของน้ำอย่างรวดเร็วในช่วงที่เกิดน้ำค้างแข็ง ดินชนิดนี้ไวต่อน้ำค้างแข็งมากที่สุด ทั้งในแง่ของความเร็วในการเกิดและขนาดของการเปลี่ยนรูป นั่นคือดินตะกอนฝุ่น ซึ่งประกอบด้วยเม็ดขนาด 0,02-0,002 mm เป็นหลัก เม็ดขนาด >0,02 mm มีความสูงการไต่ระดับแคปิลลารีต่ำ ขณะที่เม็ดขนาด < 0,002 mm มีการไต่ระดับแคปิลลารีช้า ดังนั้นในทั้งสองกรณี ระหว่างช่วงที่มีน้ำค้างแข็ง จะมีน้ำเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่เข้าสู่เขตที่ได้รับผลจากน้ำค้างแข็ง หากดินเหนียวมีอนุภาคขนาด < 25% มากกว่า 0,002 mm การซึมผ่านของดินจะต่ำมาก และการหมุนเวียนของน้ำในรูพรุนจะช้ามาก จนน้ำในรูพรุนแข็งตัวก่อนที่เลนส์น้ำแข็งจะดึงดูดเข้ามาได้

Ad 2) นอกจากเงื่อนไขเกี่ยวกับองค์ประกอบเชิงเม็ดของดินแล้ว ยังต้องมีเงื่อนไขอีกประการหนึ่งจึงจะเกิดการเสียรูปของดินจากน้ำค้างแข็งได้ นั่นคือ ต้องมีความเป็นไปได้ที่น้ำจะเข้ามาเติมในเขตที่เกิดผลของน้ำค้างแข็ง หากเงื่อนไขนี้ไม่เป็นจริง กล่าวคือ หากคาพิลลารีของดินไม่ได้เชื่อมกับน้ำซึ่งจะไหลผ่านมันอย่างต่อเนื่องในช่วงที่เกิดน้ำค้างแข็ง ก็จะไม่เกิดการเสียรูปจากน้ำค้างแข็ง ไม่ว่าองค์ประกอบเชิงเม็ดของดินจะเป็นอย่างไรก็ตาม

ยิ่งระดับน้ำใต้ดินสูงเท่าใด โอกาสที่ดินจะเกิดการเสียรูปเนื่องจากอิทธิพลของน้ำค้างแข็งก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากระดับน้ำใต้ดินอยู่ลึกกว่าความสูงของการไต่ขึ้นแบบคาปิลลารีของน้ำในดินชนิดนั้น การเสียรูปจากน้ำค้างแข็งจะมีน้อยมาก

Ad 3) หากระยะเวลาที่น้ำค้างแข็งต่อเนื่องยาวนานกว่า การเปลี่ยนรูปเนื่องจากน้ำค้างแข็งก็จะมากขึ้น เพราะเกิดเลนส์น้ำแข็งที่มีขนาดใหญ่และจำนวนมาก น้ำค้างแข็งจัดที่เกิดขึ้นช่วงสั้น ๆ ทำให้การเปลี่ยนรูปน้อยกว่า เพราะในกรณีนั้นน้ำในรูพรุนจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วและการไหลของน้ำในเส้นเลือดฝอยจะหยุดลง ในทางตรงกันข้าม น้ำค้างแข็งปานกลางและยาวนานทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปมากกว่า เนื่องจากการก่อตัวของเลนส์น้ำแข็งเกิดขึ้นได้อย่างไม่ถูกรบกวน

ผลของการเปิดซิ้ง

ในระหว่างการละลายจากน้ำแข็ง เลนส์น้ำแข็งในส่วนบนของชั้นดินผิวจะละลายก่อน ขณะที่ชั้นที่อยู่ถัดลงไปโดยตรงยังคงเป็นชั้นที่แข็งตัว และดังนั้นจึงไม่ยอมให้น้ำซึมผ่านได้ เนื่องจากเลนส์น้ำแข็งที่ละลายแล้วให้น้ำปริมาณมาก ซึ่งไม่สามารถซึมผ่านชั้นล่างที่แข็งตัวได้ ปริมาณน้ำที่เพิ่มขึ้นในชั้นผิวจึงทำให้ดินอิ่มตัวเกินไปและเปลี่ยนเป็นมวลเหลวที่ไม่มีความแข็งแรงใด ๆ แต่จะถูกบีบออกทางด้านข้างภายใต้แรงกด การเสียรูปของดินอันเกิดจากการละลายจากน้ำแข็งอาจมีมาก และในบางกรณีอาจเป็นอันตราย การเสียรูปเหล่านี้พบได้บ่อยในทางตัดของทางรถไฟและถนน ซึ่งในฤดูใบไม้ผลิจะเกิดการเลื่อนไหลบางส่วนของลาดชันเนื่องจากดินอิ่มตัวด้วยน้ำจากเลนส์น้ำแข็งที่ละลายแล้ว รวมทั้งบนถนนซึ่งพื้นทางจะเสียรูปภายใต้การจราจรบนดินที่สูญเสียความสามารถในการรับน้ำหนักเพราะอิ่มตัวด้วยน้ำ

เกณฑ์สำหรับประเมินผลกระทบของน้ำค้างแข็งต่อดิน

จากการศึกษาผลของน้ำค้างแข็งต่อดินชนิดต่าง ๆ สรุปได้ว่า ในแง่ของพฤติกรรมต่อความเย็นจัดต้องแยกดินออกเป็นสองประเภท: ปลอดภัย และอันตรายเมื่อถูกน้ำค้างแข็ง.

ดินที่ปลอดภัยต่อความเย็นจัด คือดินที่ไม่เกิดเลนส์น้ำแข็ง ไม่ว่าระยะเวลาที่มีน้ำค้างแข็งจะยาวนานเพียงใด ในดินชนิดนี้มีเพียงน้ำในรูพรุนที่แข็งตัวและเกิดผลึกน้ำแข็ง โดยมีการเสียรูปเล็กน้อยเมื่อถูกความเย็นจัด ดินในกลุ่มนี้ได้แก่ กรวด ทราย และดินลักษณะคล้ายกัน

ดินที่ไวต่อการเกิดน้ำค้างแข็ง คือดินที่มีการก่อตัวของเลนส์น้ำแข็ง ซึ่งอาจก่อให้เกิดการเสียรูปขนาดใหญ่ได้เช่นกัน น้ำที่สะสมอยู่ในชั้นผิวดินในรูปของเลนส์น้ำแข็งเมื่อเกิดน้ำค้างแข็ง ยังให้ผลของการละลายของดินด้วย ดินในกลุ่มนี้ได้แก่ดินร่วนปนดินเหนียวบางชนิด และโดยเฉพาะอย่างยิ่งดินร่วน_

มีเกณฑ์หลายอย่างสำหรับการประเมินความคงทนของดินต่อการเกิดน้ำค้างแข็ง โดยเกณฑ์ที่รู้จักกันดีที่สุดคือเกณฑ์ของ Arthur Casagrande และ Ruklia ซึ่งเราจะอธิบายไว้ที่นี่

เกณฑ์ A ของ Casagrande

เกณฑ์นี้อาศัยองค์ประกอบเชิงเม็ดของดินและมีข้อความดังนี้:

a) ในกรณีของดินที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอ ซึ่งระดับความไม่สม่ำเสมอ U < 5 ดินจะไวต่อน้ำค้างแข็งหากมีเม็ดที่มีขนาดเล็กกว่า 10% มากกว่า 0,02 mm.

b) สำหรับดินที่มีองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอ ซึ่งระดับความไม่สม่ำเสมอ U > 15 ดินจะเสี่ยงต่อความเสียหายจากน้ำค้างแข็ง หากมีเม็ดที่มีขนาดต่ำกว่า 3% มากกว่า 0,02 mm.

แม้ว่าหลักเกณฑ์นี้จะถูกนำมาใช้เป็นเวลานานและให้ผลที่เชื่อถือได้เสมอ ข้อบกพร่องของมันคืออาศัยเพียงการกระจายขนาดเม็ดของดินเท่านั้น และไม่คำนึงถึงปัจจัยอื่นที่มีผลต่อการเกิดน้ำค้างแข็งในดิน ด้วยเหตุนี้ ปัจจุบันจึงถือว่าหลักเกณฑ์นี้เข้มงวดเกินไปและไม่ประหยัด

เกณฑ์รูคลีเยฟ

ตามวิธีนี้ ดินจะแบ่งออกเป็นสองเศษส่วนตามความแข็งของอนุภาคแข็ง ได้แก่ เศษส่วนเม็ดหยาบ เม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d > 2 mm และเศษส่วนเม็ดละเอียด เม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d < 2 mm สำหรับการประเมินความทนทานต่อการเกิดน้ำค้างแข็งของดิน จะกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของเศษส่วนเม็ดละเอียดกับปริมาณของเศษส่วนเม็ดหยาบ และความสัมพันธ์นี้แสดงด้วยขอบเขตล่างและขอบเขตบน (รูป 1)

ขีดจำกัดล่างหมายถึงสัดส่วนสูงสุดที่อนุญาตของอนุภาคแข็งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d < 0,02 mm จากน้ำหนักแห้งของวัสดุถม กล่าวคือส่วนคละ 0-2 mm ซึ่งแทบไม่ก่อให้เกิดความเสียหายจากน้ำค้างแข็งภายใต้สภาวะไม่เหมาะสม เช่น ระดับน้ำใต้ดินสูง สภาพภูมิอากาศไม่เอื้ออำนวย (น้ำค้างแข็งยาวนาน) และความชื้นตามธรรมชาติของดินสูง

ขอบเขตบนหมายถึงเปอร์เซ็นต์สูงสุดที่อนุญาตของอนุภาค d < 0,02 mm ของน้ำหนักแห้งของส่วนที่มีเม็ดละเอียด ซึ่งจะไม่เกิดความเสียหายจากน้ำค้างแข็งอย่างมีนัยสำคัญภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม เช่น ระดับน้ำใต้ดินต่ำ สภาพภูมิอากาศที่เอื้ออำนวย (น้ำค้างแข็งช่วงสั้น) และความชื้นตามธรรมชาติของดินต่ำ

รูป 1 ขอบเขตล่างและขอบเขตบนสำหรับการประเมินอันตรายจากน้ำค้างแข็งต่อดินตามเกณฑ์ของ Rukliew

การป้องกันผลกระทบจากน้ำค้างแข็งในดิน

ความลึกของอิทธิพลน้ำค้างแข็งในดินขึ้นอยู่กับสภาพภูมิอากาศของพื้นที่ ในประเทศของเราโดยทั่วไปอยู่ที่ 0,8 ถึง 1,0 m เมตรใต้ผิวดิน ดังนั้นโครงสร้างที่มีฐานรากลึกเท่ากับหรือมากกว่า 1,0 m จะไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลของน้ำค้างแข็ง

โครงสร้างที่มีฐานรากตื้น เช่น ผิวทางถนน จะถูกกระทบจากน้ำค้างแข็ง ซึ่งอาจก่อให้เกิดการเสียรูปและความเสียหายต่อผิวทางมากขึ้น ทั้งในช่วงการแข็งตัวและช่วงการละลาย ดังนั้น ในการทำผิวทางถนนและทางวิ่งขึ้นลงของสนามบิน จำเป็นต้องตรวจสอบดินในด้านผลกระทบจากน้ำค้างแข็ง และหากดินฐานรากมีความเสี่ยงต่อการเกิดน้ำค้างแข็ง ต้องดำเนินมาตรการป้องกัน สำหรับผิวทางถนนและสนามบิน มาตรการที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการทำชั้นรองรับ ซึ่งความหนาจะกำหนดให้ความหนารวมของผิวทางและชั้นรองรับเท่ากับ 0,80 m สำหรับการจราจรหนัก ถึง 0,60 m สำหรับการจราจรเบา โดยทั่วไปความหนาของชั้นรองรับ 0,30 m ใต้ผิวทางก็เพียงพอสำหรับการป้องกันผลของน้ำค้างแข็ง

วัสดุสำหรับทำชั้นรองโดยทั่วไปคือทรายหรือกรวดปนทราย ซึ่งต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

ดัชนีพลาสติก IP < 5

ปริมาณของเศษส่วน d < 0,02 mm น้อยกว่า 3%

ระดับความไม่สม่ำเสมอ U > 7.

ส่วนบนของชั้นรองรับความหนา 20 cm ไม่ควรเป็นทรายเนื้อเดียวและเม็ดละเอียด เนื่องจากการบดอัดไม่เพียงพอและความสามารถรับน้ำหนักจำกัด ในส่วนนี้ชั้นรองรับควรเป็นกรวดทรายที่มีเม็ด 30-70% ขนาด 2-30 mm ไม่แนะนำให้ใช้เม็ดที่ใหญ่กว่า 30 mm

ผนังกั้นที่มีฐานรากตื้นยังถูกกระทบจากน้ำค้างแข็งในดินด้วย ทำให้เอียง ซึ่งเมื่อเกิดซ้ำ ๆ เป็นเวลานานจะนำไปสู่การคว่ำและพังทลาย ดังนั้นผนังเหล่านี้ควรทำฐานรากลึก 1,0 m หากดินมีอันตรายจากน้ำค้างแข็ง