Temperatura ma bardzo duże znaczenie na właściwości fizykomechaniczne gruntów, w szczególności spoistych. W przypadku, gdy mamy do czynienia z ujemną temperaturą następuje zamarzanie związanej wody w gruncie (przemarzanie gruntu). Takie zmiany mogą powodować wysadziny. Skutkiem wysadzin mogą być uszkodzenia budynków lub nawierzchni drogowych. W przypadku odwilży na nawierzchniach mogą powstać przełomy.
Niekorzystny wpływ mrozu
Głębokość i prędkość w jakim zachodzi przemarzanie zależy od temperatury powietrza i czasu trwania niskich temperatur. Na wpływ przemarzania mają także osłona terenu, zadrzewienie, uwarunkowania geologiczne, struktura i tekstura gruntu, skład granulometryczny oraz wilgotność gruntu. W przypadku długo utrzymujących się mrozów, głębokość przemarzania przesuwa się głębiej. Nad granicą przemarzania powstają soczewki lodowe. Soczewki te są zdolne do podciągania wody, przez co grunt poniżej głębokości przemarzania zmniejsza swoją wilgotność (soczewki lodowe przyciągają molekuły wody od dołu ze swojego otoczenia). Zwiększenie ilości lodu powoduje przyrost objętości gruntu i powstanie wysadzin na powierzchni terenu lub bezpośrednio w podłożu budowlanym. Takie zjawisko nierzadko prowadzi do uszkodzeń budynków.
Wskutek przemarzania gruntów spoistych ulega zniszczeniu ich pierwotna struktura. Grunt po odwilży ma już inne właściwości fizykomechaniczne.
Tworzenie się wysadzin i przełomów
Do końca XIX w. uważano, że wysadziny powstają jedynie w wyniku zwiększania się objętości wody zamarzniętej w porach gruntu. Jak wiadomo, woda podczas krystalizacji zwiększa swoją objętość o 9,1% , przy zmniejszeniu jej gęstości o 8%. Takie zmiany nie mogą wywołać powstania wysadzin, których rozmiary dochodzą do 0,5 m. Wysadziny powstają wskutek tworzenia się w gruncie soczewek lodu. Według obserwacji wysadziny powstają jedynie w przypadku:
- długo utrzymującej się ujemnej temperatury powietrza,
- grunt należy do wysadzinowych,
- grunt podłoża jest bardzo wilgotny, a zwierciadło wody zalega płytko.
Szczególnie widoczne wysadziny są na drogach po wiosennej odwilży. Na wiosnę, gdy dni są już cieplejsze, grunt zaczyna odmarzać tak szybko, że woda z topniejącego lodu nie może być odsączona przez jeszcze zamarznięte podłoże. W strefie odmarzniętej wilgotność gruntu jest bardzo duża, a wytrzymałość na ścinanie bardzo mała. Dlatego też taka warstwa gruntu nie może stawiać oporu i nawierzchnia łamie się pod obciążeniem od kół pojazdów (powstają przełomy – fig.1).
Fig.1. Odmarzanie gruntu pod nawierzchnią drogową i tworzenie się przełomów. 1 – przełomy nawierzchni, 2 -podłoże odmarznięte, 3- strefa zamarznięta, 4 – granica przemarzania, 5 – śnieg.
Uszkodzenia małych budynków wskutek przemarzania polegają zwykle na podniesieniu fundamentów posadowionych zbyt płytko w wyniku wysadzania (fig.2). Podobnym siłom lecz w innych kierunkach podlegają mury oporowe. Siły wysadzinowe działają prostopadle do podstawy fundamentu i ścian oraz stycznie do pobocznic, jeśli zamarznięty grunt dotyka bezpośrednio powierzchnię boczną. Według badań, wartość składowych normalnych jednostkowego naprężenia może osiągać około 800 kPa, a składowych jednostkowego naprężenia stycznego około 100 kPa.
Fig.2. Proces uszkodzenia budynku w przypadku posadowienia powyżej głębokości przemarzania gruntu w gruntach wysadzinowych.
Granice głębokości przemarzania gruntu
W Polskiej Normie [PN-81/B-03020] teren Polski dzieli się na 4 strefy z głębokością przemarzania 0,8; 1,0; 1,2 oraz 1,4 m p.p.t. Dla terenu śląska wynosi ona około 1,0 m p.p.t. Należy też pamiętać, że wartości te przyjmuje się przy projektowaniu fundamentów obiektów budowlanych. Dla przewodów wodociągowych, kanalizacyjnych oraz dla drenaży głębokości te należy zwiększyć o co najmniej 1/3.
Zabezpieczenie obiektów budowlanych przed wysadzinami i przełomami
Przy występowaniu w podłożu gruntów wysadzinowych należy bezwzględnie:
- posadowić obiekt poniżej głębokości przemarzania,
- wymienić grunt wysadzinowy do granicy przemarzania na grunt niewysadzinowy (czysty żwir lub piasek),
- zabezpieczyć wysadzinowe podłoże przed zamarzaniem za pomocą mat, cieplaków.
W przypadku dróg:
- odpowiednio podwyższyć nasyp ponad zwierciadło wód gruntowych,
- obniżyć poziom wód lub odciąć za pomocą drenażu podłużnego,
- zastosować pod nawierzchnią podsypki piaskowej o odpowiedniej grubości,
- stosować podbudowę z gruntu stabilizowanego cementem lub bituminem,
- zagęścić podłoże w dnie koryta przez wałowanie,
- odwodnić powierzchniową nawierzchnię drogową i pobocze.
Podsumowanie
Zjawisko wysadzinowości jest kolejnym powodem, dla którego powinno się wykonywać geotechniczne i geologiczne badania gruntu. Brak dokładnego rozeznania podłoża gruntowego może skutkować kosztownymi uszkodzeniami, a opracowanie nawet opinii geotechnicznej może przestrzec przed niepotrzebnymi komplikacjami. Z uwagi na liczne zlodowacenia, zjawisko to występować może niemal na całym obszarze Polski.