Tác động của sương giá lên đất

Biến dạng của đất do tác động của băng giá

Khi có sương giá, nước tự do không chảy sẽ đóng băng ở 0°C và đồng thời giãn nở thêm 9% thể tích của nó. Tuy nhiên nước trong các ống mao quản hẹp không đóng băng ở 0°C, mà ở nhiệt độ thấp hơn, trong khoảng từ -1°C đến -78°C. Nhiệt độ đóng băng cuối cùng này được xác định bằng các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm ở Mỹ. Ống mao quản càng hẹp thì nhiệt độ đóng băng càng thấp.

Trong đất tồn tại các lỗ rỗng liên thông với nhau theo mọi hướng và tạo thành các mao quản. Trong cát, các lỗ rỗng lớn và tạo thành các mao quản rộng, trong đó nước đóng băng ở 0°C hoặc ở nhiệt độ thấp hơn một chút. Nước đóng băng đều, đồng thời trong các lỗ rỗng hình thành các tinh thể băng, sự tăng thể tích của chúng lên 9% không gây ra bất kỳ biến dạng đáng kể nào của đất. Trong đất có thành phần hạt mịn, các lỗ rỗng nhỏ hơn và tạo thành các mao quản hẹp, trong đó nước đóng băng ở nhiệt độ thấp hơn 0°C. Tuy nhiên, ở lớp bề mặt, đất luôn tơi xốp hơn với các lỗ rỗng lớn hơn, trong đó nước đóng băng ở 0°C và tạo thành các tinh thể băng. Những tinh thể này hút về phía mình nước bị lạnh đi từ các lỗ rỗng hẹp với lực rất lớn, gọi là lực kết tinh. Khi lượng nước được hút như vậy tiếp xúc với các tinh thể băng và tự nó cũng đông lại, làm tăng thể tích các tinh thể băng, chúng trở thành các thấu kính băng, có độ dày khoảng 0,1 đến 10 mm. Các thấu kính băng hình thành gây biến dạng đáng kể của đất trong thời gian tác động của sương giá, và trong những điều kiện đặc biệt bất lợi có thể lên tới 30 và 50 cm.

Sự xuất hiện và mức độ biến dạng của đất do tác động của sương giá chủ yếu phụ thuộc vào sau đây 3 yếu tố:

1. Thành phần cấp phối hạt của đất

2. Mực nước ngầm

3. Thời gian kéo dài của sương giá.

Ad 1) Xét về thành phần hạt, tác động băng giá lớn nhất là ở đất hạt mịn, có lỗ rỗng đủ nhỏ để tạo thành các ống mao dẫn hẹp, đồng thời có độ thấm đủ lớn, cho phép nước lưu thông nhanh trong thời gian tác động của băng giá. Loại đất này nhạy cảm nhất với băng giá, cả về tốc độ xuất hiện lẫn mức độ biến dạng. Đó là các đất bột, chủ yếu gồm các hạt kích thước 0,02-0,002 mm. Các hạt có kích thước >0,02 mm có chiều cao mao dẫn nhỏ, còn các hạt có kích thước < 0,002 mm có mao dẫn chậm, vì vậy trong cả hai trường hợp trong thời gian có băng giá chỉ có một lượng nước nhỏ có thể đi vào vùng tác động của băng giá. Nếu đất sét chứa trên 25%% các hạt có kích thước < 0,002 mm, độ thấm của đất rất nhỏ và sự lưu thông nước trong lỗ rỗng chậm đến mức nước trong lỗ rỗng đóng băng trước khi các thấu kính băng có thể hút nước tới.

Ad 2) Ngoài điều kiện về thành phần cấp phối hạt của đất, còn phải thỏa mãn thêm một điều kiện nữa thì biến dạng do đóng băng mới xảy ra trong đất. Đó là phải có khả năng bổ sung nước vào vùng tác động của băng giá. Nếu điều kiện này không được thỏa mãn, tức là nếu các mao dẫn của đất không thông với nguồn nước sẽ liên tục chảy qua chúng trong thời gian tác động của băng giá, thì sẽ không xảy ra biến dạng do băng giá, bất kể thành phần cấp phối hạt của đất như thế nào.

Mực nước ngầm càng cao thì khả năng đất bị biến dạng do tác động của sương giá càng lớn. Nếu mực nước ngầm nằm ở độ sâu lớn hơn chiều cao nước mao dẫn dâng lên của loại đất đó, thì biến dạng do tác động của sương giá là rất nhỏ.

Ad 3) Nếu thời gian băng giá kéo dài liên tục lâu hơn thì biến dạng do băng giá càng lớn, do hình thành các thấu kính băng lớn hơn và nhiều hơn. Băng giá mạnh và ngắn ngày gây ra biến dạng nhỏ hơn, vì trong trường hợp đó nước trong lỗ rỗng bị đóng băng đột ngột và dòng chảy mao dẫn của nước bị ngắt. Ngược lại, băng giá trung bình và kéo dài gây ra biến dạng lớn hơn do sự hình thành các thấu kính băng diễn ra không bị cản trở.

Tác động của việc khử bò cái

Khi rã băng, trước hết các thấu kính băng ở phần trên của lớp đất bề mặt tan ra, còn ngay bên dưới vẫn còn một lớp bị đóng băng, do đó là lớp không thấm nước. Vì các thấu kính băng tan tạo ra một lượng nước lớn, không thể thấm xuống qua lớp dưới bị đóng băng, nên lượng nước tăng lên này trong lớp bề mặt làm đất bão hòa quá mức và biến nó thành một khối lỏng, không có độ bền, mà dưới áp lực sẽ bị ép tràn ngang ra ngoài. Biến dạng của đất do tác động của rã băng có thể đáng kể và trong một số trường hợp là nguy hiểm. Những biến dạng này thường gặp ở các đoạn đào trên đường sắt và đường bộ, nơi vào mùa xuân xảy ra hiện tượng trượt cục bộ mái dốc do đất bị bão hòa nước từ các thấu kính băng tan, cũng như trên các tuyến đường mà mặt đường bị biến dạng dưới tác động giao thông trên nền đất đã mất khả năng chịu lực do bão hòa nước.

Tiêu chí đánh giá tác động của sương giá lên đất

Qua nghiên cứu tác động của sương giá lên các loại đất khác nhau, người ta đi đến kết luận rằng xét về hành vi dưới tác động của sương giá, cần phân biệt hai loại đất: an toàn và nguy hiểm khi gặp sương giá.

Đất an toàn với băng giá là những loại đất không hình thành thấu kính băng, dù thời gian băng giá có kéo dài bao lâu. Với loại đất này chỉ có sự đóng băng của nước trong lỗ rỗng và sự hình thành tinh thể băng, với biến dạng rất nhỏ dưới tác dụng của băng giá. Nhóm này gồm sỏi, cát và các loại đất tương tự.

Đất nguy hiểm khi bị sương giá là những loại đất hình thành thấu kính băng, do đó có thể phát sinh các biến dạng lớn hơn. Nước tích tụ trong lớp bề mặt dưới dạng thấu kính băng trong thời gian tác động của sương giá cũng gây ra tác dụng làm tan băng. Nhóm này gồm một số loại đất bụi-sét, đặc biệt là đất bụi.

Có nhiều tiêu chí để đánh giá khả năng chống băng giá của đất, trong đó nổi tiếng nhất là các tiêu chí của Arthur Casagrande và Rukli, sẽ được trình bày ở đây.

Tiêu chí A. Casagrande

Tiêu chí này dựa trên thành phần cấp phối hạt của đất và được phát biểu như sau:

a) Đối với đất có thành phần đồng đều, với mức độ không đồng nhất U < 5, đất có nguy cơ bị băng giá nếu chứa hơn 10% hạt có kích thước nhỏ hơn 0,02 mm.

b) Đối với đất có thành phần không đồng đều, trong đó mức độ không đồng đều U > 15, đất có nguy cơ do băng giá nếu chứa hơn 3% hạt có kích thước nhỏ hơn 0,02 mm.

Mặc dù tiêu chí này đã được áp dụng trong thời gian dài và luôn cho kết quả đáng tin cậy, nhược điểm của nó là chỉ dựa trên thành phần cấp phối của đất và không xét đến các yếu tố khác có ảnh hưởng đến tác động của sương giá trong đất. Vì vậy, ngày nay người ta cho rằng tiêu chí này quá nghiêm ngặt và không kinh tế.

Tiêu chí Rukliev

Theo phương pháp này, đất được chia thành hai phân đoạn theo độ cứng của các hạt rắn, cụ thể là phân đoạn hạt thô, với các hạt có đường kính d > 2 mm và phân đoạn hạt mịn, với các hạt có đường kính d < 2 mm. Để đánh giá tính bền của đất trước sương giá, người ta đặt mối quan hệ giữa lượng phân đoạn hạt mịn và lượng phân đoạn hạt thô, và mối quan hệ này được cho bởi giới hạn dưới và giới hạn trên (hình 1).

Giới hạn dưới biểu thị tỷ lệ phần trăm lớn nhất cho phép của các hạt rắn có đường kính d < 0,02 mm tính theo khối lượng khô của vật liệu đắp, tức là thành phần 0-2 mm, mà tại đó về thực tế không phát sinh hư hại nào do sương giá trong các điều kiện bất lợi, như mực nước ngầm cao, điều kiện khí hậu bất lợi (sương giá kéo dài) và độ ẩm tự nhiên lớn của đất.

Giới hạn trên thể hiện tỷ lệ lớn nhất cho phép của các hạt d < 0,02 mm tính theo khối lượng khô của thành phần hạt mịn mà tại đó về thực tế không phát sinh hư hại nào do băng giá trong điều kiện thuận lợi, chẳng hạn như mực nước ngầm thấp, điều kiện khí hậu thuận lợi (sương giá ngắn hạn) và độ ẩm tự nhiên của đất thấp.

Hình 1 Giới hạn dưới và trên để đánh giá mức độ nguy hiểm của đất đối với sương giá theo tiêu chí Rukliev

Bảo vệ chống tác động của sương giá trong đất

Độ sâu tác động của sương giá trong đất phụ thuộc vào điều kiện khí hậu của khu vực. Ở nước ta, nó chủ yếu ở mức 0,8 đến 1,0 m dưới bề mặt đất. Vì vậy, các kết cấu được đặt móng ở độ sâu bằng hoặc lớn hơn 1,0 m sẽ không bị tác động bởi sương giá.

Các kết cấu móng nông như mặt đường trên đường bộ chịu tác động của sương giá, có thể gây ra biến dạng lớn hơn và hư hại mặt đường, cả khi đóng băng lẫn khi tan băng. Vì vậy, khi thi công mặt đường trên đường bộ và đường băng sân bay, cần khảo sát đất về tác động của sương giá và trong trường hợp nền đất có nguy cơ bị sương giá, phải áp dụng các biện pháp bảo vệ. Đối với mặt đường trên đường bộ và sân bay, biện pháp hiệu quả nhất là làm lớp đệm, với chiều dày được xác định sao cho tổng chiều dày của mặt đường và lớp đệm là 0,80 m đối với giao thông nặng đến 0,60 m đối với giao thông nhẹ. Thông thường, chiều dày lớp đệm 0,30 m dưới mặt đường là đủ để bảo vệ chống tác động của sương giá.

Vật liệu để thi công lớp đệm thường là cát hoặc sỏi cát, và phải đáp ứng các điều kiện sau:

Chỉ số dẻo IP < 5

Hàm lượng phân đoạn d < 0,02 mm nhỏ hơn 3%

Mức độ không đồng đều U > 7.

Phần trên của lớp đệm có chiều dày 20 cm không được dùng cát đồng đều, hạt nhỏ vì độ chặt không đủ và khả năng chịu tải bị hạn chế. Ở phần này, lớp đệm cần là sỏi cát với 30-70% hạt có kích thước 2-30 mm. Không khuyến nghị dùng hạt lớn hơn 30 mm.

Các tường rào nông cũng chịu tác động của sương giá trong đất, do đó bị nghiêng, và dưới tác động lặp lại của sương giá theo thời gian sẽ dẫn đến đổ lật và sập. Vì vậy, các tường này պետք phải được đặt móng ở độ sâu 1,0 m nếu nền đất có nguy cơ sương giá.