Wpływ mrozu na grunty 1

WPŁYW MROZU NA GRUNTY

WIADOMOŚCI OGÓLNE

W przypadku okresowego występowania temperatury powietrza poniżej 0 °C

następuje zamarzanie wody w gruncie, zwane przemarzaniem gruntu. Głębokość
i prędkość przemarzania zależą nie tylko od temperatury powietrza i czasu trwania,
ale także od takich czynników, jak: osłona terenu, struktura i tekstura gruntu
oraz skład granulometryczny gruntu.

Po dłuższym trwaniu ujemnej temperatury powietrza granica przemarzania gruntu

przesuwa się w dół. Ponad granicą przemarzania gruntu od powierzchni terenu tworzą
się soczewki lodowe, które powiększają się wskutek podciągania wody. Nowe so-
czewki lodowe w sposób naturalny zwiększają wilgotność zamarzniętego grun-
tu. Bezpośrednio poniżej granicy przemarzania obserwuje się zmniejszenie wilgotno-
ści gruntu w porównaniu z wilgotnością gruntu przed przemarzaniem.

Zmiana wilgotności gruntu w strefie przemarzania

Z. Wiłun tłumaczy to tym, że soczewki lodowe przyciągają molekuły wodne od

dołu ze swojego najbliższego otoczenia. Przyciąganie molekuł wodnych przez
kryształy lodu następuje wskutek istnienia na ich powierzchni sił adsorpcji. Molekuły
wody, przyciągnięte do powierzchni soczewki lodowej, uzupełniają siatkę krystaliczną
lodu, po czym same przyciągają nowe molekuły wody z porów gruntu, co powoduje
wzrost soczewek lodowych, a więc i wzrost objętości gruntu. Wzrost objętości gruntu
uzewnętrznia się powstaniem tzw. wysadzin, tj. podnoszenia powierzchni terenu czy
nawierzchni drogowej w miejscach, gdzie występują grunty szczególnie wrażliwe na
przemarzanie.

Wpływ mrozu na grunty 2

Schemat wzrostu soczewki lodowej przez przyciąganie molekuł wody

z powierzchni cząstek gruntowych

TWORZENIE SIĘ WYSADZIN I PRZEŁOMÓW

Do końca XIX w. uważano, że wysadziny powstają w wyniku zwiększenia

się objętości wody zamarzniętej w porach gruntu. Jak wiadomo, podczas krysta-
lizacji wody następuje powiększenie jej objętości o 9,1 % przy jednoczesnym
zmniejszeniu gęstości o 8 %, co nie może być przyczyną powstawania wysadzin,
które dochodzą do 0,5 m.

Wysadziny, jak podano wcześniej, powstają wskutek tworzenia się w za-

marzającym gruncie soczewek lodu. W wyniku tego zamarzania lód może wywo-
łać ciśnienie ok. 50 ÷ 200 tys. kPa przy temperaturze T = -22 °C.

Tworzenie się wysadzin: a – podciąganie wody do soczewek lodowych,

b – zmiana wilgotności gruntu w poziomie przemarzania

Wpływ mrozu na grunty 3

Badania i obserwacje wykazują, że wysadziny mogą wystąpić tylko wtedy,

gdy:
— ujemna temperatura powietrza utrzymuje się dość długo,
— grunt podłoża jest wysadzinowy,
— grunt podłoża jest bardzo wilgotny, a zwierciadło wody gruntowej zalega

dość płytko.

Na drogach wysadziny są szczególnie widoczne pod koniec zimy lub wcze-

sną wiosną na niskich nasypach przy przepustach, po stopnieniu śniegu na na-
wierzchni drogi. Nawierzchnia drogi poza przepustami jest przeważnie wyższa niż
nad przepustami.

Przekrój podłużny drogi z nawierzchnią wysadzoną obok przepustu: l - wysadzina,

2 - normalna niweleta nawierzchni, 3 - dno rowu, 4 - rura betonowa

Potwierdza to hipotezę tworzenia się wysadzin, gdyż nad przepustami dopływ

wody od dołu jest ograniczony (przepust), a więc wysadziny nie mogą się two-
rzyć, w odróżnieniu od miejsc poza przepustami, gdzie dopływ wody nie jest
niczym utrudniony. Wysadziny na drogach są bardzo uciążliwe dla kierowców,
pod nawierzchniami kolejowymi powodują duże nierówności toru, co czyni jazdę
bardzo uciążliwą i niebezpieczną.

Uszkodzenia budynków wskutek przemarzania podłoża polegają najczęściej

na podniesieniu fundamentów (posadowionych zbyt płytko ponad granicą przema-
rzania) w wyniku działania sił wysadzinowych.

Siły wysadzinowe działają prostopadle do podstawy fundamentu oraz stycznie

na jego pobocznicy, jeśli zamarznięty grunt bezpośrednio dotyka do jego po-
wierzchni bocznej i jest do niej przymarznięty. Według obecnych badań wielkość
normalnych jednostkowych sił wysadzinowych może osiągać ok. 800 kPa, a
jednostkowych sił stycznych ok. 100 kPa.

Wpływ mrozu na grunty 4

Uszkodzenie budynku wywołane wysadzinami w związku z posadowieniem części

fundamentów w gruntach wysadzinowych powyżej granicy przemarzania

Siły wysadzinowe stwarzają poważne problemy przy projektowaniu chłodni,

co wymaga odpowiednich zabezpieczeń fundamentów i posadzek.

Skutki wpływu przemarzania gruntu pod podsadzką chłodni: a – stan przed urucho-

mieniem chłodni, b – po 3 lub 4 latach, c – po 10 latach

Wpływ mrozu na grunty 5

Na drogach, na których obserwowano wysadziny w zimie, na wiosnę obserwu-

je się przeważnie przełomy nawierzchni.

Odmarznięcie gruntu pod nawierzchnią drogową i utworzenie się przełomów:

1 - przełomy nawierzchni, 2 – podłoże odmarznięte, 3 – strefa zamarznięta,

4 – granica przemarzania, 5 - śnieg

Na wiosnę po nastaniu ciepłych dni grunt zaczyna odmarzać; nawierzchnia

drogowa zbudowana z materiałów kamiennych jest dobrym przewodnikiem cie-
pła w stosunku do zimnego pobocza. Toteż pod nawierzchnią grunt odmarza
szybciej niż pod poboczami, gdyż przez nawierzchnię przenika więcej ciepła niż
przez pobocze, co powoduje powstanie pod jezdnią pewnego rodzaju niecki, z
której woda nie może odpłynąć do rowów przez jeszcze zamarznięty grunt po-
bocza. W niecce tej wilgotność gruntu jest bardzo duża, a wytrzymałość na ści-
nanie nieznaczna, dlatego jest zrozumiałe, że taki grunt nie może stawiać oporu i
nawierzchnia łamie się pod obciążeniem od kół pojazdów, czyli powstają tzw.
przełomy.

Wpływ mrozu na grunty 6

OKREŚLENIE GŁĘBOKOŚCI PRZEMARZANIA GRUNTU

Opracowane dotychczas teorie wyznaczania głębokości przemarzania grun-

tów dają przybliżone rozwiązanie.

Jednym z bardziej znanych rozwiązań uproszczonych na określenie głęboko-

ści przemarzania h

z

jest wzór Stefana:

gdzie:
λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego,
Q - ciepło krzepnięcia wody,
γ

ow

- ciężar objętościowy wody zawartej w gruncie odniesiony do jednostki

objętości gruntu,

T

z

- temperatura zamarzania,

T

p

- temperatura na powierzchni gruntu,

t - czas.

W byłym Związku Radzieckim wyznaczano głębokość przemarzania glin i

iłów wg wzoru empirycznego:

gdzie:
h

z

- głębokość przemarzania, cm,

w

m

- suma ujemnych średnich temperatur miesięcznych wg wieloletnich obser-

wacji (w

m

do wzoru przyjmuje się ze znakiem plus), °C

Wzór powyższy stosuje się również dla piasków i gruntów mało spoistych,

dla których h

z

należy zwiększyć o 20%.

Polska norma dzieli teren Polski na 4 strefy (0,8; 1,0; 1,2 i 1,4 m) pod względem

głębokości przemarzania gruntów wysadzi nowych.

Wartości te przyjmuje się przy projektowaniu fundamentów budowli, nato-

miast dla przewodów wodociągowych, kanalizacyjnych oraz dla drenaży głębo-
kości podane na rysunku należy zwiększyć co najmniej o 1/3.

Wpływ mrozu na grunty 7

Podział Polski na strefy, zależnie od głębokości przemarzania gruntów,

dla celów fundamentowania

Wpływ mrozu na grunty 8

KRYTERIA WYSADZINOWOŚCI GRUNTÓW

Kryteria wysadzinowości gruntów zależą od właściwości fizycznych grun-

tów.

Spośród wielu kryteriów najbardziej znane są:

1. Kryterium Casagrande'a opracowane w 1934 r. wg którego zalicza się do

wysadzinowych grunty bardzo różnoziarniste ( U > 15), które zawierają
więcej niż 3 % cząstek mniejszych od 0,02 mm oraz grunty równoziarniste
( U < 5 ) zawierające ponad 10 % cząstek mniejszych od 0,02 mm.

2. Kryterium Beskowa (1935 r.), wg którego uwzględnia się wpływ geolo-

gicznego pochodzenia gruntu, wielkość średnicy d

50

, procentową zawar-

tość cząstek o średnicy mniejszej od 0,062 mm i 0,125 mm oraz kapilar-
ność bierną przy wilgotności równej granicy płynności.

3. Kryterium Wiłuna (1958 r.), wg którego uwzględnia się uziarnienie gruntu

i kapilarność bierną gruntu H

kb

. Wiłun pod względem wysadzinowości,

dzieli grunty na 3 grupy:

Grupa A - grunty niewysadzinowe o H

kb

< l,0 m, bezpieczne w każdych wa-

runkach wodnogruntowych i klimatycznych; są to grunty zawiera-
jące poniżej 20 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i poniżej 3 %
cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu czyste żwiry, pospółki i
piaski).

Grupa B - grunty wątpliwe (mało wysadzinowe) o H

kb

< l,3 m, zawierające

20 ÷ 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i 3 ÷ 10 % cząstek mniej-
szych od 0,02 mm (należą tu piaski bardzo drobne, pylaste i próch-
nicze).

Grupa C - grunty wysadzinowe o H

kb

> 1,3 m; są to grunty zawierające powy-

żej 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i powyżej 10 % cząstek
mniejszych od 0,02 mm (należą tu wszystkie grunty spoiste i namuły
organiczne).

Wpływ mrozu na grunty 9

ZABEZPIECZANIE BUDOWLI PRZED WYSADZINAMI

I PRZEŁOMAMI

Zabezpieczanie budowli posadowionych na gruntach wysadzinowych polega na:

— posadowieniu fundamentów budowli poniżej granicy przemarzania,
— wymianie gruntu wysadzinowego do granicy przemarzania na grunt niewysa-

dzinowy („poduszki" z ubitego czystego żwiru lub piasku),

— użyciu do zasypki za murami oporowymi, przyczółkami jazów itp., prze-

puszczalnych gruntów niewysadzinowych,

— zabezpieczeniu wysadzinowego podłoża pod rusztowaniami i pod płytko posa-

dowionymi fundamentami przed zamarzaniem za pomocą mat, cieplaków
itp. lub obsypaniu fundamentów gruntem na okres mrozów,

— zastosowaniu izolacji termicznej pod komorami w chłodni,
— pozostawieniu w chłodni pod podłogą wolnej przestrzeni lub podgrzewaniu

gruntu wodą obiegową lub prądem elektrycznym.

Zabezpieczanie nawierzchni drogowych przed wysadzinami i przełomami pole-

ga na:
— odpowiednim podwyższeniu nasypu ponad zwierciadło wody gruntowej,
— obniżeniu poziomu wód gruntowych lub odcięciu ich bocznego dopływu za

pomocą drenażu podłużnego,

— zastosowaniu pod nawierzchnią podsypki piaskowej o odpowiedniej grubo-

ści (zamiana gruntu wysadzinowego na niewysadzinowy),

— zastosowaniu podbudowy z gruntu stabilizowanego cementem lub bitumem,
— zagęszczeniu podłoża w dnie koryta przez wałowanie,
— odwodnieniu powierzchniowym nawierzchni drogowej, podłoża nawierzch-

ni i pobocza drogi.

Już zbudowane, słabe nawierzchnie drogowe można zabezpieczyć przed

wysadzinami i przełomami przez:
— wzmocnienie konstrukcji nawierzchni,
— odwodnienie podłoża i nawierzchni,
— czasowe zamknięcie ruchu.