ZEMLJANI RADOVI

POGLAVLJE 7: Utjecaj smrzavanja na povrinske slojeve tla

Usjeci i nasipi su graevine kojima je povrina izravno podlona utjecajuatmosferilija. U podrujima s dugotrajnim djelovanjem mraza, valja kod ovih graevina o tome voditi rauna. Nasipe je mogue dijelom tititi od ovog utjecaja pravilnim odabirom gradiva, pravilnom zatitom pokosa i pravilnom izvedbom nosive, bilo kolnike bilo podne konstrukcije. Povrine usjeka nastaju iskopom prirodnog tla i na obranu njihovih pokosa od utjecaja

mraza, teko je utjecati. Potrebno je izvesti dobru zatitu od erozije.Utjecaj mraza na temelje sprjeava se pravilnim odabirom dubine temeljenja ispod dubine zamrzavanja, ovisno o klimatskom podruju. Za podruje permafrosta (podruja s izrazito dugotrajno niskim temperaturama) postoje zasebna rjeenja.

Openito o utjecaju mraza na tloSmrzavanje, odnosno utjecaj mraza na tlo ima dva dijela. Prvi je zamrzavanje, pri kojem se stvaraju nakupine, lee leda. Pri tom led stvara u tlu odreeni omeeni prostor u kojem su lee leda smjetene. Drugi dio nastaje pri porastu temperature. Tada se javlja odmrzavanje, pri kojem se lee otapaju i u tlu ostavljaju upljine u kojima su bile lee leda.

Ova pojava openito uvjetuje eroziju, ali je pogubna kod kolnikih povrina.U anglosaksonskoj literaturi ova se pojava doslovno naziva izdizanje zamrzavanjem (frost heave). Kad u proljee, nakon otapanja leda, vozila prolaze kolnicima ispod kojih

su bile lee leda, nastaju velika oteenja.

Oteenja kolnika nakon otapanja lea leda

Stoga je nastanak lea leda vrlo neugodna pojava kod kolnikih konstrukcija.Bijela cesta, bez kolnikog zastora (Mac Adamov kolnik), nije bila osjetljiva na ovu pojavu. Bijela se cesta i onako morala stalno odravati na nain da su se rupe i kolotrazi, koji su u njoj nastajali, morali popunjavati tucanikom. S druge strane i vozila su bila laka i manje zahtjevna. Na utjecaj leda nisu sva tla jednako osjetljiva. Mnogi su autori uoili ovu pojavu u prvoj polovini 20. stoljea, kada su se poele graditi moderne prometnice za teka vozila

visokih osovinskih pritisaka s ravnim kolnikim zastorima. Uoena su bila izdizanjakolnika i do 30cm. Ova izdizanja javila su se u prainastim tlima kod kojih je znaajno kapilarno dizanje.

Zamrzavanje se odvija u svim vrstama tala, ali su neka na tu pojavu osjetljiva vie, a neka manje. U krupnozrnim tlima stvaraju se kristali leda u porama tzv. led in situ. Ovo se dogaa kada granica smrzavanja putuje dovoljno brzo u dubinu. Kod brzog pomicanja granice smrzavanja isto se dogaa i u sitnozrnim tlima.

Kada granica smrzavanja u dubinu putuje sporo, kapilarno vezana voda iz veedubine ima vremena u ne smrznutom obliku dosei granicu smrzavanja i prikljuiti se stvaranju lea leda. Pokazalo se naime da, im zapone stvaranje leda ispod povrine tla, nastaje migracija estica vode ka leama leda tako da se one poveavaju sve dok je omoguen dotok kapilarne vode. Grafiki se to moe prikazati kao na slici koja slijedi.

Stvaranje lea leda

Istraivanja su pokazala da u ledu estice migriraju s podruja nie u podruje vie temperature, pa tako i u tlu ne samo voda ve i nastali kristali leda u porama, migriraju ka najtoplijoj lei leda, irei pri tom prostor pora i pretvarajui ga u vee upljine.

U kolnikim konstrukcijama se fenomen stvaranje lea leda u trupu prometnice moe pokazati kao na slici.

Deformacija povrine usjeka uslijed djelovanja mraza u trajanju od 20 dana Utjecaj mraza na povrinu usjeka vidljiv je na slici. Prikazane deformacije dobivene su na numerikom modelu (konani elementi).

Teoretsko objanjenje Djelovanje mraza izraava se indeksom mraza, I, na nain da se pomnoi broj dana trajanja temperature ispod nule s prosjenom temperaturom za to razdoblje. Izraava se na godinjoj razini. Nain prorauna je prikazan grafiki na slici koja slijedi

Grafiko objanjenje indeksa mraza

I Tsr t

Kada se poznaje indeks mraza, I, mogue je odrediti dubinu zamrzavanja, H, za odreeno podruje. Dubina podruja zamrzavanja u vremenu moe se prikazati modelom strujanja u neprekinutoj zasienoj sredini kao funkcija vremena dz/dt. Ona ovisi o temperaturnom gradijentu T0/z i konstanti K kako slijedi:

dz T0 K dt z L

Konstanta K zavisi o temperaturnoj provodljivosti tla i koliini topline koja se odvodi iz zamrznute zone, L. Model se moe prikazati skicom.

Dubina zamrzavanja ovisno o temperaturi na povrini tla

dz T0 K dt z L

Integracijom jednadbe

dz T0 K dt z L

dobije se izraz za dubinu zamrzavanja z:2K T0dt L koja ovisi o trajanju, t, apsolutne veliine temperature T0. z2

Veliina pod integralom zapravo indeks zamrzavanja I (na godinjoj razini ili u nekom odabranom razdoblju t, ST0srt=I). Jednadba poprima oblik:

z sr A Ipri emu je A (A=2K/L) konstanta ovisna o klimatskom podruju, a kree se od A=310.Za podruje Hrvatske se u kontinentalnom i gorskom podruju i moe se uzeti od 4-5.

Cassagrandeova rjeenjaIzmeu ostalih autora, ovu je pojavu izuavao A. Cassagrande. Uoio je da su samo neka tla izrazito osjetljiva na pojavu lea leda. Svoja je saznanja povezao s

granulometrijskim sastavom pojedinog tla po krupnoi i po rasponu kojeg odreujepomoi koeficijenta jednolikosti Cu. Rezultat tog istraivanja je tzv. Cassagrande-ov kriterij koji odreuje utjecaj koliine sitnih estica i nejednolikosti promjera zrna. Ova se nejednolikost prema Hazenu izraava kao:

D60 Cu koeficijent jednolikosti D10pri emu su D60 odnosno D10 promjeri sita kroz koje prolazi 60% odnosno 10% ukupne teinska mase ispitanog uzorka tla (iz granulometrijskog dijagrama). Kod jednoliko

graduiranih tala taj je odnos Cu15.

Cassagrande je utvrdio da su na mraz neosjetljiva ona tla koja imaju Cu15% i manje od 3% estica sitnijih od 0,02mm (dobro graduirano, klasifikacione oznake W), odnosno imaju Cu15% i manje od 10% estica sitnijih od 0,02mm (jednoliko graduirano, klasifikacijone oznake U). Uvaavajui ovaj kriterij moe se Cassagrandeovo rjeenje prikazati dijagramom.

Kriterij osjetljivosti na smrzavanje prema Cassagrande-ovom kriteriju

Slijedei zakljuak je da tla s manje od 1% zrna promjera manjeg od 0,02mm nisu podlona stvaranju lea leda stoga to se u njima stvara tzv. homogeni led, tj led u porama, koji s esticama tla tvori jedinstveni kostur. Otapanjem leda, voda iz takvih tala zbog relativno velike propusnosti brzo otee, a kostur estica zadrava strukturu i ne gubi na vrstoi odnosno nosivosti.

Neki su autori popravljali Cassagrande-ov kriterij iz nekoliko razloga:Uoeno je da se lee leda stvaraju i u tlima za koje se pretpostavilo da bi trebala biti neosjetljiva.

Za neka se tla Cassagrande-ov kriterij pokazao kao pre strog.

Uvaavajui Cassagrande-ov kriterij, osjetljivost na mraz se moe prikazati granulometrijskim dijagramom koji slijedi.

na dijagramu U=Cu

Ovaj kriterij naknadno su dopunili njemaki inenjeri na nain da su utvrdili da je za stvaranje lea leda potrebno zadovoljiti dva uvjeta: 1) tlo s velikom visinom kapilarnog dizanja i 2) dovoljna propusnost, da kapilarnim dizanjem doe dovoljna koliina vode potrebna za stvaranje lea leda.

Ove uvjete moe seprikazati popravljenim granulometrijskim dijagramom kao na slici.

Earth Manual daje slijedei dijagram osjetljivosti tala na utjecaj mraza temeljem postotka mase uzorka koji prolazi kroz sito otvora 0,02 mm.

*

*Oznaka na prethodnoj slici pokazuje vrijednost izdizanja uslijed poveanja zapremine pri potpunom zasienju uzorka (Sr=100%) kada je sva voda

zamrznuta, uz prodiranje mraza u dubinu brzinom od 6,35 mm (0,25 ina)dnevno. Uoljivo je da tlo veeg poroziteta (manje gustoe) ima vee izdizanje. Sva

etiri uzorka imaju isti postotak (oko15%) zrna promjera manjeg od 0,02mm.

Jo neke razredbe vezane za pojavu leda U naim se propisima koristi HRN U.E1.012 koja daje slijedeu tabelu za ocjenu osjetljivosti na mraz: Osjetljivost tla

G1

G2

G3

G4

Kategorija

Opis tla

Klasifikacijska oznaka prema HRN U.E8. 010 GW, GP, GM, GC GM, GC-GL, GM-GC SW, SP, SM, SC

Zanemariva ljunak s < 10% estica sitnijih od 0,02 mm Malo ljunak s 10-20% estica sitnijih od osjetljivo 0,02mm i Pijesak s 3-15% estica sitnijih od 0,02mm Srednje ljunak s > 20% estica sitnijih od 0,02 osjetljivo mm Pijesak s > 15% estica sitnijih od 0,02mm Glina s Ip > 12% Vrlo osjetljivo Prah i prainasti pijesak s > 15%estica sitnijih od 0,02 mm Glina s Ip >12%

GS-CL, GM-GC, GM-ML SC, SM-SC, SM-ML CL, CH

ML, MH, SM-ML CL, CL-ML, SM, CH,

Podaci se dobiju temeljen granulometrijske analize, kojom se odredi koliina estica manjih od 0,02 mm u odnosu na ukupnu koliinu manju od 60 mm u ukupnom uzorku i odreivanja granice plastinosti za sitnozrna tla Podaci iz tabele mogu se grafiki prikazati pomou granulometrijskog dijagrama.

raste

Kategorije tla prema osjetljivosti na mraz (prema HRN) u granulometrijskom dijagramu.

Norma HRN U.E1.012 predvia odreivanje osjetljivosti na mraz procjenom. Za to je prikladno koristiti tabelu koju daju njemaki autori, a dana je u nastavku, ili prethodno navedene laboratorijske pokuse. Prema istraivanjima u zavodu za hidrogradnje na ETH u Zrich-u i na vie njemakih autocesta, pokazalo se da se u nekim jednostavnijim sluajevima Cassagrande-ov dijagram moe pojednostavniti.

Osim o postotku estica manjih od 0,02mm, osjetljivost na mraz ovisi i o koliini krupnih estica. Vea koliina krupnih estica smanjuje visinu kapilarnog dizanja i smanjuje opasnost od stvaranja lea leda.

Kriterij osjetljivosti na stvaranje lea leda prema vicarskoj normiOvaj dijagram daje neto manje sloene kriterije od dijagrama Cassagrande-a.

Njemaki autori dali su prijedlog za terensko prepoznavanje tla osjetljivog na mraz za razne vrste tala. Postupak je slian onom za terensku identifikaciju tla. U nastavku se daje tabela autora Dcker-a i Kiel-a.

Stupanj osjetljivosti Tla neosjetljiva na mraz Tla osjetljiva na mraz Tla jako osjetljiva na mraz Granulometrijski sastav Sve estice tla uoljive prostim Dio estica tla nije raspoznatljiv prostim okom okom 1Pokus padanjem Grumen se raspadne u Grumen se ne raspadne ili se raspadne u nekoliko pojedinana zrna prilikom vezanih komadia udara o tvrdu podlogu 2Pokus pritiskom Grumen se raspada pri Grumen je teko ili Grumen se pod pritiskom najmanjem pritisku nemogue drobi zdrobiti 3Izrada valjia Ne moe se uvaljati, drobi se Moe se uvaljati valjie i Valjii se teko mogu tanje od 3mm uvaljati, brzo se drobe Stupanj osjetljivosti Tla neosjetljiva na mraz Tla osjetljiva na mraz Tla jako osjetljiva na mraz 4Reakcija na potresanje Pri potresanju se na povrini Pri potresanju voda izlazi Voda lagano izlazi iz uzorka javlja voda koja pri pritisku na ali dosta sporo i ne vraa ali se pod pritiskom lako grumen ostaje na povrini se pri pritisku vraa u pore 6Pokus paranjem Grumen nije dovoljno Brazda na vlanom Moe se zaparati ali je kompaktan da bi se mogao uzorku ima visok sjaj brazda mutnog sjaja zaparati noem ili noktom 7Ispitivanje vodom Potapanjem u vodu nema Grumen se vrlo teko Grumen se lako i brzo zamuenja otapa u vodi raspada i muti vodu

Postupci ispitivanja grumena za rezultate iz prethodne tabele

1Vlani grumen tla veliine oraha se osui. Podigne se nekoliko centimetara iznad tvrde podloge i pusti da padne. Opaa se raspadanje grumena.

2 Grumen je isti kao u stavku 1, tvrdoa grumena ispituje se stiskom prstiju.3 Postupak slian identifikacijskom pokusu plastinosti. 4 Isti postupak kao kod reakcije na potresanje.

6 Postupak kao pri odreivanju sjaja kod identifikacije.7 Grumen tla prirodne vlanosti potopi se u vodu.

Mjere zatite kolnikih konstrukcija od tetnog uinka mraza

Utjecaj mraza na stvaranje lea leda mogue je svesti na najmanju mjeru pravilnim odstranjivanjem vode iz podruja do kojeg mraz djeluje. Bitni je preduvjet dobra odvodnja podruja koje se eli tititi. Na taj se nain titi nasip i pri obilnim oborinama i kada nema mraza. Sniavanje razine podzemne vode je samo djelomian zahvat kojim se mogu smanjiti tete od mraza. Drenovi na padinskoj strani nemaju velike uinke pri sniavanju razine podzemne vode u nasipu na padini, kako je to prikazano na slici.Uinak dubokog drena na padini na promjenu razine podzemne vode u nasipu

Najbolja zatita postie se pravilnim odabirom gradiva za nasip odnosno posteljicu trupa ceste na prirodnoj podlozi ili u usjeku. Posteljica spada u kolniku konstrukciju pa osim uvjeta zatite od mraza mora imati propisanu nosivost ovisno o kategoriji ceste ili platoa odreene namjene. Uputno je pridravati se slijedeeg:

posteljicu izraditi od gradiva sastava kao G1 ili G2 iz tabele (HRN), u minimalnojdebljini od 0,2 do 0,4 m ovisno o debljini nosive kolnike konstrukcije; posteljicu izraditi od stabiliziranog gradiva s dodatkom vapna, cementa ili emulzija;

poveati debljinu nosivog (tamponskog) sloja, kolnike konstrukcije;postavljanje drenanih slojeva (kompozitni geotekstili) koji sprjeavaju dizanje kapilarne vode u podruje zamrzavanja; dobra odvodnja podtla, planuma i kolnika.

Jedna vrsta geokompozita pogodna za odvajajui i ojaavajui sloj na vlanoj, mekoj podlozi

Orijentaciono se za debljinu i gradivo posteljice mogu koristit uvjeti iz tabele i granulometrijskog dijagrama koji slijede.

Debljine posteljice ovisno o vrsti tla u podlozi

Granulometrijski sastav podlogemjerodavna koliina zrna u ukupnom uzorku < 0,02mm 0-3%

Najmanja visinska razlika izmeu planuma i zavrne povrine u [cm]u tlu male vlanosti u izrazito vlanom tlu

u frakciji 2,00m

nasipi < 2,00m i usjeci

-

-

-

3-6%6-10% >10%