Deformacije tla usled dejstva mraza
Pri dejstvu mraza slobodna voda bez toka mrzne se na 0°C i pri tome se širi za 9% svoje zapremine. Međutim voda u uskim kapilarnim cevima ne mrzne se na 0°C, već na nižim temperaturama, koje se kreću od -1°C do -78°C. Ova poslednja temperatura smrzavanja utvrđena je laboratorijskim opitima u Americi. Ukoliko je kapilarna cev uža, utoliko je temperatura smrzavanja niža.
U tlu postoje pore koje su među sobom povezane u svima pravcima i obrazuju kapilarne cevi. U pesku pore su krupne i obrazuju široke kapilarne cevi, u kojima se voda mrzne na 0°C ili na nešto nižoj temperaturi. Voda se mrzne ravnomerno, pri čemu se u porama obrazuju ledeni kristali, čije povećanje zapremine od 9% ne prouzrokuje nikakve značajnije deformacije tla. U tlu sitnozrnog sastava pore su sitnije i obrazuju uske kapilarne cevi u kojima se voda mrzne na temperaturama nižim od 0°C. Međutim u površinskom sloju tlo je uvek rastresitije sa krupnijim porama, u kojima se voda mrzne na 0°C i obrazuje ledene kristale. Ovi kristali privlače k sebi ishlađenu vodu iz uskih pora velikom snagom, tzv. kristalizacionom silom. Kada tako privučena voda dođe u dodir sa ledenim kristalima i sama se zaledi povećavajući zapreminu ledenih kristala, koji postaju ledena sočiva, čija debljina može biti oko 0,1 do 10 mm. Obrazovana ledena sočiva prouzrokuju znatnu deformaciju tla za vreme dejstva mraza, koja pri naročito nepovoljnim okolnostima može ići do 30 i 50 cm.
Pojava i veličina deformacije tla usled dejstva mraza zavisi uglavnom od sledeća 3 faktora:
1) Granulometrijski sastav tla
2) Nivo podzemne vode
3) Vreme trajanja mraza.
Ad 1) U pogledu granulometrijskog sastava, najveće dejstvo mraza je kod sitnozrnog tla, čije su pore dovoljno sitne da obrazuju uske kapilarne cevi, a istovremeno ima dovoljno veliku propustljivost, koja omogućuje brzu cirkulaciju vode za vreme dejstva mraza. Takvo tlo je najosetljivije na mrazu, kako u pogledu brzine pojave tako i u pogledu veličine deformacija. To su prašinasta tla, koja se sastoje pretežno iz zrna veličine 0,02-0,002 mm. Zrna veličine >0,02 mm imaju malu visinu kapilarnog penjanja, dok zrna veličine < 0,002 mm imaju sporo kapilarno penjanje, tako da u oba slučaja za vreme trajanja mraza može dospeti samo manja količina vode u zonu dejstva mraza. Ako glinovito tlo sadrži preko 25% čestica veličine < 0,002 mm, propustljivost tla je vrlo mala i cirkulacija vode u porama je tako spora, da se ona u porama pre smrzne nego što je ledena sočiva mogu privući.
Ad 2) Pored uslova u pogledu granulometrijskog sastava tla mora biti ispunjen još jedan uslov da bi došlo do deformacija tla na mrazu. To je da postoji mogućnost dopsevanja vode u zonu dejstva mraza. Ako ovaj uslov ne bi bio ispunjen, tj. ako kapilari tla ne bi bili u vezi sa vodom koja će stalno strujati kroz njih za vreme dejstva mraza, neće doći do deformacija na mrazu, ma kakav da je granulometrijski sastav tla.
Ukoliko je nivo podzemne vode viši, utoliko je mogućnost deformacija tla usled dejstva mraza veća. Ako je nivo podzemne vode na većoj dubini nego što je visina kapilarnog penjanja vode datog tla, deformacije usled dejstva mraza su neznatne.
Ad 3) Ukoliko je vremenski period neprekidnog trajanja mraza duži, utoliko su deformacije usled mraza veće, zbog stvaranja većih i mnogobrojnih sočiva. Jaki i kratkotrajni mraz izaziva manje deformacije, jer u tom slučaju nastaje naglo smrzavanje vode u porama i prekid kapilarnog strujanja vode. Naprotiv, srednji i dugotrajní mraz izaziva veće deformacije zbog nesmetanog stvaranja ledenih sočiva.
Dejstvo otkravljivanja
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 željezničkim 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.
Kriterijum za ocenjivanje dejstva mraza na tlo
Proučavanjem dejstva mraza na razne vrste tla došlo se do zaključka da u pogledu ponašanja na mrazu treba razlikovati dve vrste tla: sigurna i opasna na mrazu.
Tla sigurna na mrazu su ona, kod kojih se ne stvaraju ledena sočiva, ma kako da je vremensko trajanje mraza dugo. Kod ove vrste tla postoji samo smrzavanje vode u njegovim porama i obrazovanje ledenih kristala, sa neznatnim deformacijama pri dejstvu mraza. U ovu grupu spadaju šljunak, pesak i slična tla.
Tla opasna na mrazu su ona, kod kojih se stvaraju ledena sočiva, usled čega mogu nastati veće deformacije. Nagomilana voda u površinskom sloju u obliku ledenih sočiva za vreme dejstva mraza proizvodi takođe i dejstvo otkravljivanja. U ovu grupu spadaju izvesna prašinasto-glinovita a naročito prašinasta tla.
Postoji više kriterijuma za ocenu postojanosti tla na mrazu, među kojima su najpoznatiji kriterijumi Arthura Casagrandea i Ruklia, koje ćemo ovde opisati.
Kriterijum A. Casagrandea
Ovaj kriterijum zasniva se na granulometrijskom sastavu tla i glasi:
a) Kod tla ravnomernog sastava, čiji je stepen neravnomernosti U < 5, tlo je opasno na mrazu ako sadrži više od 10% zrna veličine ispod 0,02 mm.
b) Kod tla neravnomernog sastava, čiji je stepen neravnomernosti U > 15, tlo je opasno na mrazu ako sadrži više od 3% zrna veličine ispod 0,02 mm.
Ma da je ovaj kriterijum dugo vremena primenjivan i davao uvek pouzdane rezultate, njegov nedostatak je da se zasniva samo na granulaciji tla i ne uzima u obzir i druge faktore od uticaja na dejstvo mraza u tlu. Zbog toga se danas smatra da je ovaj kriterijum suviše strog i neekonomičan.
Rukliev kriterijum
Po ovoj metodi tlo se deli u dve frakcije po krućnoći čvrstih čestica i to u krupnozrnu frakciju, zrna prečnika d > 2 mm i sitnozrnu frakciju, zrna prečnika d < 2 mm. Za ocenjivanje postojanosti tla na mrazu postavlja se zavisnost količine sitnozrne frakcije od količine krupnozrne frakcije i ova zavisnost data je donjom i gornjom granicom (sl. 1).
Donja granica predstavlja najveći dopušteni procenat čvrstih čestica prečnika d < 0,02 mm od suve težine ispune, tj. frakcije 0-2 mm, pri kome ne nastaju praktično nikakve štete usled mraza pri nepovoljnim uslovima, kao što su visok vodostaj nivoa podzemne vode, nepovoljni klimatski uslovi (dugotrajni mrazevi) i velika prirodna vlažnost tla.
Gornja granica predstavlja najveći dopušteni procenat čestica d < 0,02 mm od suve težine sitnozrne frakcije pri kome ne nastupaju praktično nikakve štete usled mraza pri povoljnim uslovima, kao što su nizak nivo podzemne vode, povoljni klimatski uslovi (kratkotrajni mrazevi) i mala prirodna vlažnost tla.
Sl. 1 Donja i gornja granica za ocenu opasnosti tla na mrazu po Ruklievom kriterijumu
Zaštita protivu dejstva mraza u tlu
Dubina dejstva mraza u tlu zavisi od klimatskih prilika predela. U našoj zemlji ona je pretežno 0,8 do 1,0 m ispod površine terena. Prema tome, konstrukcije fundirane na dubini jednakoj ili većoj od 1,0 m neće biti pod dejstvom mraza.
Plitko fundirane konstrukcije kao što su kolovozi na putevima, izložene su dejstvu mraza, koje može proizvesti veće deformacije i štete na kolovozu, kako pri smrzavanju tako i pri otkravljivanju. Stoga je kod izrade kolovoza na putovima i poletno-sletnih staza na aerodromima, potrebno ispitati tlo u pogledu dejstva mraza i u slučaju kada je temeljno tlo opasno na mrazu, treba preduzeti zaštitne mere. Kod kolovoza na putevima i aerodromima najefikasnija mera je izrada tamponskog sloja, čija debljina se određuje tako, da ukupna debljina kolovoza i tamponskog sloja bude 0,80 m za težak saobraćaj do 0,60 m za laki saobraćaj. Najčešće je debljina tamponskog sloja 0,30 m ispod kolovoza dovoljna zaštita protivu dejstva mraza.
Materijal za izradu tamponskog sloja je obično pesak ili peskoviti šljunak, koji treba da zadovolji sledeće uslove:
Indeks plastičnosti IP < 5
Sadržina frakcije d < 0,02 mm manja od 3%
Stepen neravnomernosti U > 7.
Gornji deo tamponskog sloja u debljini od 20 cm ne sme biti jednolični i sitnozrni pesak zbog nedovoljne zbijenosti i ograničene nosivosti. U ovom delu tamponski sloj treba da bude peskoviti šljunak sa 30-70% zrna veličine 2-30 mm. Zrna veća od 30 mm se ne preporučuju.
Plitko fundirani ogradni zidovi su takođe pod dejstvom mraza u tlu, usled čega se naginju što dovodi pri ponavljanom dejstvu mraza tokom vremena do njihovog preturanja i rušenja. Zbog toga treba ove zidove fundirati na 1,0 m dubine, ako je tlo opasno na mrazu.