Ostalo

Djelovanje mraza na tlo

Mraz je prirodni fenomen koji ne utječe samo na svakodnevni život ljudi već i na stabilnost i karakteristike tla. Kada temperature padnu ispod nule, voda u porama tla zamrzava, uzrokujući procese poput širenja volumena i promjena u nosivosti tla. Ove promjene mogu imati značajne posljedice na infrastrukturu, temelje građevina i stabilnost nasipa.

Na niskim temperaturama procesi ispod površine zemlje tada postaju itekako aktivni. Ovaj prirodni fenomen oblikuje krajolik i mijenja tlo te ima važnu ulogu u ekosustavu. U geotehnici, razumijevanje djelovanja mraza na tlo predstavlja ključno za planiranje i izgradnju objekata u hladnim klimatskim područjima.

Utjecaj mraza na tlo je pojava kojom se bavi mehanika tla. Spomenuti utjecaj na tlo je veoma bitan u područjima koja su podložna dugotrajnim niskim temperaturama.

Usjeci i nasipi su građevine kojima je površina izravno podložna utjecaju atmosferilija. Upravo takve građevine moguće je djelomično štititi od utjecaja mraza, pravilnim odabirom gradiva, zaštitom pokosa te pravilnom izvedbom kolničke konstrukcije.

Utjecaj mraza na tlo možemo sagledati kroz dva procesa.

• Prvi proces je zamrzavanje, u kojem se stvaraju nakupine leda. Volumen vode se pri smrzavanju poveća cca 10% i ima veću zapreminu od vode te on u tlu stvara prostor u kojem će se leće leda smjestiti. Nakon smrzavanja površina smrznute zone može se podići oko 30% svoje debljine. Voda je u sitnim porama u tlu pod većim molekularnim tlakom. Smrzavanje uzrokuje kristalizacijske sile i one stvaraju vlačne napone u vodi oko kristala leda, što izaziva migraciju još tekuće vode u područja već stvorenog leda. Tako se na određenim mjestima nagomilavaju veće količine leda i stvaraju se leće, koje stalnim rastom u uvjetima povoljnima za smrzavanje uzrokuju i znatno izdizanje površine tla.
• Drugi dio utjecaja mraza na tlo nastaje pri odmrzavanju, odnosno porastu temperature. Tada se leće leda otapaju i u tlu ostavljaju šupljine u kojima su bile leće leda. Upravo ova pojava uzrokuje eroziju. Posebno loš utjecaj ima na prometnice u proljeće, nakon otapanja leda, vozila prolaze kolnicima ispod kojih su bile leće leda, te na taj način nastaju oštećenja prometnica. Preciznije rečeno, kada se led otpada, stvaraju se područja prezasićenog tla žitke konzistencije. Ako se to dogodi u podlozi ceste, onda se takve zone male čvrstoće pregnječuju, vozila izbacuju blato i na taj način nastaju razmekšane rupe na kolovozu.

Jedan od poznatih autora je izučavao pojavu leća leda – A. Cssagrande. Ono što je uočio je da su samo određena tla izrazito osjetljiva na pojavu leća leda, te je tu činjenicu povezao s granulometrijskim sastavom pojedinog tla po krupnoći i po rasponu, kojeg određuje pomoću koeficijenta jednolikosti C_u. Cassgrande je utvrdio da su na mraz neosjetljiva ona tla koja imaju C_u ≥15 i manje od 3% čestica sitnijih od 0,02 mm, odnosno imaju C_u≤15 i manje od 10% čestica sitnijih od 0,02 mm. Nadalje, ona tla s manje od 1% zrna promjera manjeg od 0,02 mm nisu podložna stvaranju leća leda stoga jer se u njima stvara tzv. homogeni led – led u porama. Otapanjem leda voda iz takvih tala zbog relativno velike propusnosti brzo oteče.

Zamrzavanje se odvija u svim vrstama tla, no na utjecaj leda nisu sva tla jednako osjetljiva. U krupnozrnatim tlima, šljunak i pijesak, stvaraju se kristali leda u porama. Ova pojava se događa kada granica smrzavanja putuje dovoljno brzo u dubinu. Kod brzog pomicanja granice smrzavanja isto se događa i u sitnozrnatim tlima. Međutim, kada imao slučaj da granica smrzavanja u dubinu putuje sporo, kapilarno vezana voda iz veće dubine ima vremena u ne smrznutom obliku doseći granicu smrzavanja i priključiti se stvaranju „leća leda“.

Učinak mraza na tlo, moguće je svesti na najmanju moguću razinu korištenjem zaštitnih mjera protiv šteta od smrzavanja. Neka od mjera koja se navode su: temeljenje objekata na dubinu veću od one do koje prodire mraz, prekid kapilarnog dizanja podzemne vode ugradbom tamponskog sloja od jače propusnog materijala; ugrađivanje sloja materijala koji toplinski izolira kako bi se spriječilo smrzavanje u zoni kapilariteta.