Деформації ґрунту внаслідок дії морозу
Під дією морозу вільна вода без течії замерзає при 0°C і при цьому розширюється на 9% свого об’єму. Однак вода у вузьких капілярних трубках не замерзає при 0°C, а при нижчих температурах, що перебувають у межах від -1°C до -78°C. Ця остання температура замерзання була встановлена лабораторними дослідами в Америці. Чим вужча капілярна трубка, тим нижча температура замерзання.
У ґрунті є пори, які з’єднані між собою в усіх напрямках і утворюють капілярні трубки. У піску пори великі й утворюють широкі капілярні трубки, у яких вода замерзає при 0°C або при дещо нижчій температурі. Вода замерзає рівномірно, при цьому в порах утворюються кристали льоду, збільшення об’єму яких на 9% не спричиняє жодних істотніших деформацій ґрунту. У ґрунтах дрібнозернистого складу пори дрібніші й утворюють вузькі капілярні трубки, в яких вода замерзає за температур нижчих від 0°C. Однак у поверхневому шарі ґрунт завжди більш пухкий, з більшими порами, у яких вода замерзає при 0°C і утворює кристали льоду. Ці кристали притягують до себе охолоджену воду з вузьких пор великою силою, так званою кристалізаційною силою. Коли така притягнута вода приходить у зіткнення з кристалами льоду й сама замерзає, збільшуючи об’єм кристалів льоду, які стають льодовими лінзами, товщина яких може становити близько 0,1 до 10 mm. Утворені льодові лінзи спричиняють значну деформацію ґрунту під час дії морозу, яка за особливо несприятливих умов може сягати 30 і 50 cm.
Поява і величина деформації ґрунту внаслідок дії морозу залежать головним чином від таких 3 факторів:
-
Рівень ґрунтових вод
-
Тривалість морозу.
Ad 1) Щодо гранулометричного складу, найбільша дія морозу проявляється у дрібнозернистих ґрунтах, пори яких достатньо дрібні, щоб утворювати вузькі капілярні трубки, а водночас вони мають достатньо велику водопроникність, що забезпечує швидку циркуляцію води під час дії морозу. Такий ґрунт є найчутливішим до морозу як щодо швидкості прояву, так і щодо величини деформацій. Це пилуваті ґрунти, які переважно складаються із зерен розміру 0,02-0,002 mm. Зерна розміру >0,02 mm мають малу висоту капілярного підняття, тоді як зерна розміру < 0,002 mm мають повільне капілярне підняття, так що в обох випадках за час дії морозу в зону впливу морозу може потрапити лише менша кількість води. Якщо глинистий ґрунт містить понад 25% частинок розміром < 0,002 mm, водопроникність ґрунту дуже мала і циркуляція води в порах настільки повільна, що вона в порах замерзає раніше, ніж можуть утворитися крижані лінзи.
Ad 2) Окрім умови щодо гранулометричного складу ґрунту має бути виконана ще одна умова, щоб виникли деформації ґрунту під час морозу. Це — можливість підживлення водою зони дії морозу. Якщо ця умова не була б виконана, тобто якщо капіляри ґрунту не були б пов’язані з водою, яка постійно проходитиме через них під час дії морозу, то деформації під час морозу не виникнуть, яким би не був гранулометричний склад ґрунту.
Чим вищий рівень ґрунтових вод, тим більшою є можливість деформацій ґрунту внаслідок дії морозу. Якщо рівень ґрунтових вод залягає на більшій глибині, ніж висота капілярного підняття води в даному ґрунті, деформації внаслідок дії морозу є незначними.
Ad 3) Якщо період безперервної дії морозу довший, то деформації від морозу більші через утворення більших і численніших лінз. Сильний і короткочасний мороз спричиняє менші деформації, бо в цьому разі відбувається раптове замерзання води в порах і припинення капілярного руху води. Навпаки, середній і тривалий мороз спричиняє більші деформації через безперешкодне утворення крижаних лінз.
Дія розморожування
Під час відтаювання спочатку тануть крижані лінзи у верхній частині поверхневого ґрунту, тоді як безпосередньо під ним залишається мерзлий, а отже й водонепроникний шар. Оскільки розтанулі крижані лінзи дають велику кількість води, яка не може проникнути крізь мерзлий нижній шар, ця підвищена кількість води в поверхневому шарі перенасичує ґрунт і перетворює його на текучу масу, що не має жодної міцності, а під тиском видавлюється вбік. Деформації ґрунту внаслідок дії відтаювання можуть бути значними і в окремих випадках небезпечними. Такі деформації часто трапляються у виїмках на залізничних коліях і дорогах, де навесні відбувається часткове зсування укосів через перенасичення ґрунту водою від розталих крижаних лінз, а також на дорогах, чиї покриття під дією руху деформуються на ґрунті, що втратив несучу здатність через перенасичення водою.
Критерій для оцінювання впливу морозу на ґрунт
Дослідженням дії морозу на різні види ґрунтів дійшли висновку, що щодо поведінки під дією морозу слід розрізняти два види ґрунтів: безпечні і небезпечні щодо морозу.
Ґрунти, безпечні щодо морозу — це ті, в яких не утворюються крижані лінзи, незалежно від того, наскільки тривалим є мороз. Для цього виду ґрунтів відбувається лише замерзання води в їхніх порах і утворення кристалів льоду з незначними деформаціями під дією морозу. До цієї групи належать гравій, пісок і подібні ґрунти.
Ґрунти, небезпечні при морозі, — це такі, в яких утворюються льодові лінзи, внаслідок чого можуть виникати значні деформації. Накопичена вода в поверхневому шарі у вигляді льодових лінз під час дії морозу також спричиняє явище відтавання. До цієї групи належать деякі пилувато-глинисті, а особливо пилуваті ґрунти.
Існує кілька критеріїв для оцінки морозостійкості ґрунту, серед яких найвідоміші критерії Артура Казагранде та Руклі, які ми тут опишемо.
Критерій А. Касагранде
Цей критерій ґрунтується на гранулометричному складі ґрунту і формулюється так:
a) Для ґрунту рівномірного складу, ступінь неоднорідності якого U < 5, ґрунт є небезпечним для морозу, якщо містить понад 10% зерен розміром менше 0,02 mm.
b) У ґрунті неоднорідного складу, ступінь неоднорідності якого U > 15, ґрунт є небезпечним від морозу, якщо містить понад 3% зерен розміром менше 0,02 mm.
Хоча цей критерій тривалий час застосовувався й завжди давав надійні результати, його недолік полягає в тому, що він ґрунтується лише на гранулометричному складі ґрунту й не враховує інших чинників, які впливають на дію морозу в ґрунті. Тому нині вважають, що цей критерій надто суворий і неекономічний.
Критерій Руклієва
За цим методом ґрунт поділяють на дві фракції за жорсткістю твердих частинок, а саме на крупнозернисту фракцію, зерна діаметром d > 2 mm і дрібнозернисту фракцію, зерна діаметром d < 2 mm. Для оцінювання стійкості ґрунту до морозу встановлюють залежність кількості дрібнозернистої фракції від кількості крупнозернистої фракції, і ця залежність подана нижньою та верхньою межею (рис. 1).
Нижня межа становить найбільший допустимий відсоток твердих частинок діаметром d < 0,02 mm від сухої ваги насипу, тобто фракції 0-2 mm, за якого практично не виникає жодних пошкоджень від морозу за несприятливих умов, таких як високий рівень ґрунтових вод, несприятливі кліматичні умови (тривалі морози) і висока природна вологість ґрунту.
Верхня межа являє собою найбільший допустимий відсоток частинок d < 0,02 mm від сухої ваги дрібнозернистої фракції, за якого практично не виникає жодних пошкоджень від морозу за сприятливих умов, таких як низький рівень ґрунтових вод, сприятливі кліматичні умови (короткочасні морози) і мала природна вологість ґрунту.
Рис. 1 Нижня і верхня межа для оцінювання небезпеки ґрунту щодо морозного пучення за критерієм Рукліє
Захист від дії морозу в ґрунті
Глибина дії морозу в ґрунті залежить від кліматичних умов місцевості. У нашій країні вона переважно становить 0,8 до 1,0 m нижче поверхні землі. Отже, конструкції, закладені на глибині, рівній або більшій за 1,0 m, не зазнаватимуть дії морозу.
Мілкозаглиблені конструкції, такі як дорожні покриття, зазнають дії морозу, яка може спричинити більші деформації та пошкодження покриття як під час замерзання, так і під час відтаювання. Тому під час улаштування дорожніх покриттів і злітно-посадкових смуг в аеропортах необхідно дослідити ґрунт щодо дії морозу, і в разі, коли основний ґрунт небезпечний щодо морозу, слід вжити захисних заходів. Для дорожніх покриттів і аеродромів найефективнішим заходом є улаштування буферного шару, товщину якого визначають так, щоб загальна товщина покриття і буферного шару становила 0,80 m для важкого руху до 0,60 m для легкого руху. Найчастіше товщина буферного шару 0,30 m під покриттям є достатнім захистом від дії морозу.
Матеріалом для влаштування буферного шару зазвичай є пісок або піщаний гравій, які мають відповідати таким умовам:
Індекс пластичності IP < 5
Вміст фракції d < 0,02 mm менший за 3%
Ступінь нерівномірності U > 7.
Верхня частина буферного шару завтовшки 20 cm не повинна бути однорідним дрібнозернистим піском через недостатнє ущільнення та обмежену несучу здатність. У цій частині буферний шар має бути піщаним гравієм із 30-70% зернами розміром 2-30 mm. Зерна більші за 30 mm не рекомендуються.
Неглибоко закладені огороджувальні стіни також під дією морозу в ґрунті нахиляються, що з часом за повторної дії морозу призводить до їх перекидання та руйнування. Тому ці стіни слід закладати на 1,0 m глибини, якщо ґрунт є морозонебезпечним.