تعیین عمق یخبندان خاک و محافظت روسازی از یخبندان

در این نوشتار تصمیم داریم در مورد تاثیر یخبندان و رطوبت در طرح روسازی مطالبی را شرح دهیم و شما بازدیدکنندگان گرامی را با نحوه تعیین عمق یخبندان در خاک آشنا سازیم.

یخبندان دو اثر منفی بر روسازی ها دارد که عبارتند از:

الف – تورم روسازی در اثر یخبندان، که ممکن است منجر به شکست و خرابی روسازی شود

ب – کاهش قدرت باربری روسازی در موقع ذوب یخ ها

افزایش رطوبت مصالح روسازی و به خصوص خاک بستر آن نیز ممکن است منجر به خرابی روسازی شود.

تورم در اثر یخبندان

تورم روسازی در اثر یخبندان به بالا آمدن سطح روسازی در اثر یخ زدن ذرات آب و تشکیل عدسی های یخ در خاک بستر و یا در لایه های اساس و زیر اساس اطلاق می شود. برای متورم شدن روسازی در اثر یخبندان باید سه عامل زیر حتما موجود باشند، در غیر این صورت تورم واقعی به وقوع نخواهد پیوست:

الف – هوای سرد (دمای زیر صفر)

ب – خاک نسبتا ریزدانه

ج – منبع آب زیرزمینی در عمق نسبتا کم (کمتر از حدود 3 متر)

تورم روسازی در اثر یخبندان به ترتیبی که در زیر شرح داده شده است قابل تغییر است. آب موجود در منبع آب زیرزمینی در اثر خاصیت مویینه خاک نسبتا ریزدانه بالا آمده و پس از رسیدن به قسمت های سرد سیستم، روسازی یخ زده و عدسی های یخ تشکیل می شوند (شکل 1). حجم آب به علت یخ زدن افزایش می یابد که منجر به افزایش حجم خاک و مصالح روسازی می شود. به سبب تشکیل کریستال های یخ، درصد املاح موجود در آب افزایش می یابد که این عمل باعث مکیده شدن مقدار بیشتری از ذرات آب از منبع آب زیرزمینی می شود. در اثر این پدیده میزان رطوبت و در نتیجه ضخامت یخ ها مرتبا افزایش می یابد که ممکن است منجر به تورم و خرابی روسازی شود.

پیشنهاد دانلود : جزوه راهسازی و روسازی راه ویژه کنکور ارشد

شکل 1 – مکانیزم تورم در اثر یخبندان

خاک های حساس در برابر یخبندان

خاک های حساس در برابر یخبندان عبارتند از: ماسه خیلی ریزدانه، لای، و خاک رس با دامنه خمیری کمتر از 12. حفرات این نوع خاک ها از طرفی به اندازه ی کافی کوچک هستند که خاصیت مویینه در آن ها برقرار شود، و از طرف دیگر این خاک ها آن اندازه ریزدانه نیستند که به علت کوچک بودن حفرات آن ها غیر قابل نفوذ باشند.

در جدول 1 میزان حساسیت خاک ها در برابر یخبندان نشان داده شده است. به طوری که در این جدول مشاهده می شود، شن و ماسه های تمیز در برابر یخبندان غیر حساس هستند. این نوع خاک ها معمولا قسمت اعظم مقاومت خود را در موقع ذوب شدن یخ ها نیز حفظ می کنند. از طرف دیگر لای ها خطرناک ترین مصالح از نقطه نظر تورم در اثر یخبندان هستند. این نوع خاک ها در موقع آب شدن یخ ها به میزان قابل توجهی از مقاومت خود را از دست می دهند.

جدول 1 – میزان حساسیت خاک ها در برابر یخبندان

بر اساس مطالعات زیادی که توسط کاساگرانده انجام شد، چنین نتیجه گردید که تمام خاک های غیر آلی که دارای بیش از 3 درصد دانه های به قطر کوچکتر از 0.02 میلی متر هستند، کم و بیش در برابر یخبندان حساس اند. بر اساس این مطالعات، خاک های حساس در برابر یخبندان به 4 گروه تقسیم می شوند که به ترتیب به F1، F2، F3، و F4 موسوم هستند. در این رده بندی خاک F1 کمترین و خاک F4 بیشترین حساسیت را دارد. مشخصات این خاک ها در جدول 2 آورده شده که توسط گروه مهندسین ارائه شده است.

جدول 2 – رده بندی خاک ها از نظر حساسیت در برابر یخبندان (گروه مهندسین)

محافظت روسازی در برابر یخبندان

همان طوری که قبلا ذکر شد، تورم روسازی در اثر یخبندان، مستلزم وجود سه عامل اصلی یعنی هوای سرد زیر صفر، خاک نسبتا ریزدانه، و آب زیرزمینی واقع در عمق کم، است. بنابراین برای محافظت روسازی ها باید حداقل یکی از این عوامل حذف شود تا روسازی در اثر یخبندان متورم نشود. به منظور حذف اثر برودت هوا، باید ضخامت کل روسازی از عمق یخبندان منطقه ای که راه در آن محل ساخته می شود بیشتر اختیار شود. در این صورت لایه ی روسازی نظیر یک لایه عایق حرارتی عمل کرده و از یخ زدن آب موجود در خاک بستر روسازی جلوگیری خواهد کرد. در برخی موارد ممکن است افزایش ضخامت کل روسازی (تا حد عمق یخبندان منطقه) از نقطه نظر اقتصادی مقرون به صرفه نباشد. در این صورت به جای حفاظت کامل روسازی در برابر خطر یخبندان اقدام به حفاظت نیمه کامل آن می شود. حفاظت نیمه کامل اصطلاحا به طرحی اطلاق می شود که در آن روسازی تا حد امکان، زیاد ولی نه برابر با عمق یخبندان منطقه اختیار شده باشد.

برای حذف اثر خاک نسبتا ریزدانه، باید قسمتی از خاک بستر که در برابر یخبندان حساس است با مصالح غیر حساس تعویض شود. ضخامت لایه ای که باید برداشته شود از تفاضل ضخامت روسازی، از عمق یخبندان منطقه به دست می آید.

برای حذف اثر آب زیرزمینی، یا باید اقدام به زهکشی عمقی شود و یا باید راه در خاکریز قرار داده شود. معمولا در عمل زهکشی عمقی در طول زیادی از راه قابل اجرا نبوده و در برخی از موارد تاثیر چندانی نیز در محافظت روسازی در برابر خطر تورم ندارد. قرار دادن راه در خاکریز و بالا آوردن محور راه معمولا یک راه حل مناسب تری در این گونه موارد است.

تعیین عمق یخبندان

عمق یخبندان یک منطقه باید با توجه به تاریخچه ی یخبندان منطقه و اطلاعات محلی و انجام آزمایش تعیین عمق یخبندان به دست آید.

برای اندازه گیری عمق یخبندان یک منطقه معمولا یا از لوله حاوی مایع فلورسین و یا از لوله حباب داری استفاده می شود. با این وسایل می توان مستقیما در محل عمق یخبندان را اندازه گرفت. در آزمایش لوله فلورسین از خاصیت تغییر رنگ مایع فلورسین در اثر برودت زیر صفر استفاده می شود. در این آزمایش لوله شیشه ای نازکی که پر از مایع فلورسین است در داخل حفره ای که در زمین به وجود آمده است؛ قرار داده شده و سپس به کمک تغییر رنگ قسمتی از طول لوله عمق یخبندان منطقه تعیین می شود.

در آزمایش لوله حباب دار، از یک میله که در طول آن تعدادی حباب کوچک شیشه ای تعبیه شده است استفاده می شود. این حباب ها در اثر برودت زیر صفر درجه سانتی گراد، ترک خورده و می شکنند. با قرار دادن لوله حباب دار در حفره ی ایجاد شده در خاک و سپس ملاحظه محل ترک ها می توان عمق یخبندان را تعیین کرد.

هرگاه به عللی عمق یخبندان یک منطقه معلوم نبوده ولی اطلاعات کافی در مورد تغییرات درجه حرارت هوای آن منطقه و خصوصیات خاک و مصالح روسازی در دست باشد، می توان به کمک روش های تئوری – تجربی، اقدام به تخمین عمق یخبندان آن منطقه نمود.

عمق یخبندان برای یک مصالح با جنس یکنواخت متناسب با شدت و دوام برودت هوا و خصوصیات حرارتی مصالح است. این ارتباط در رابطه 1 نشان داده شده است.

رابطه 1

در این رابطه Z عمق یخبندان (سانتی متر)، FI شاخص برودت که تابع شدت و دوام برودت هواست، و A عدد ثابتی است که بستگی به خصوصیات حرارتی مصالح داشته و برای مصالح شنی با نفوذ پذیری خوب برابر 4.7 است.

طبق تعریف شاخص برودت (FI) ، تفاوت بین رقوم نقاط حداکثر و حداقل منحنی برودت است. منحنی شاخص برودت که نمونه ای از آن در شکل 2 نشان داده شده، منحنی نمایش تغییرات جمع جبری درجه حرارت متوسط روزانه بر حسب زمان است.

شکل 2 – نحوه تعیین شاخص برودت

واحد شاخص برودت ((روز درجه)) است که مشخص کننده ی شدت و دوام برودت هوا در یک منطقه است. مثلا 10 روز درجه میتواند نشان دهنده ی 10 روز متوالی که درجه حرارت متوسط هوا در هر روز برابر با 1- درجه ی سانتی گراد است باشد، و یا نمایشگر یک روز با درجه حرارت متوسط هوای برابر با 10- درجه ی سانتی گراد است. شیب منفی منحنی شاخص برودت نشان دهنده ی روزهایی است که درجه حرارت متوسط هوا زیر صفر درجه سانتی گراد است، و فاصله زمانی بین نقاط حداکثر و حداقل منحنی نشان دهنده ی طول فصل سرماست.

روش استفان – آلدریچ برای تعیین عمق یخبندان

برای محاسبه ی عمق یخبندان در یک سیستم روسازی می توان از روابط ترمودینامیکی که بر اساس مساوی قرار دادن روابط جریان حرارتی و حرارت دخیره شده در یک سیستم استوار است، استفاده کرد. یکی از این روابط، رابطه 2 است که توسط آلدریچ پس از اصلاح رابطه ی استفان، ارائه شده است.

رابطه 2

در این رابطه Z عمق یخبندان بر حسب سانتی متر، FI شاخص برودت بر حسب روز – درجه ی سانتی گراد است و نسبت L/K در رابطه 3 داده شده است.

رابطه 3

در این رابطه *Z عمق یخبندان تخمین زده شده (سانتی متر)،

Hi ضخامت لایه ی i ام روسازی (سانتی متر) (شکل 3)

Ki ضریب هدایت حرارتی لایه ی i ام (کالری بر سانتی متر بر درجه ی سانتی گراد بر ساعت،

Li حرارت تغییر حالت لایه i ام از حالت غیر انجماد به حالت انجماد در درجه حرارت ثابت است.

واحد Li، کالری بر سانتی متر مکعب است و از رابطه 4 به دست می آید.

شکل 3

رابطه 4

در این رابطه W درصد رطوبت و ɣ_d وزن مخصوص خشک مصالح (گرم بر سانتی متر مکعب)، و عدد ثابت 80 حرارت تغییر حالت آب (کالری بر گرم) است.

ضریب هدایت حرارتی بتن آسفالتی حدود 12.5 کالری بر سانتی متر بر درجه ی سانتی گراد بر ساعت است و برای خاک های ماسه ای و خاک های ریزدانه با استفاده از شکل 4 به دست می آید.

شکل 4 – ضریب هدایت حرارتی خاک ها (روش کرستن، Kersten)

ضریب λ در رابطه 2، ضریبی است که توسط آلدریچ برای تصحیح رابطه اصلی تعیین عمق یخبندان پیشنهاد شده است. مقدار λ که تابعی از نسبت حرارتی α و پارامتر ذوب μ است به کمک شکل 5 تعیین می شود.

شکل 5 – ضریب آلدریچ برای تصحیح عمق یخبندان

رابطه 5 و 6

در روابط 5 و 6، V اختلاف درجه حرارت متوسط سالیانه و درجه حرارتی است که خاک یخ می زند (صفر درجه ی سانتی گراد)، t طول فصل سرما بر حسب روز (مدت زمانی که زمین به حالت یخ زده است)، و C ضریب حرارت حجمی مصالح (کالری بر سانتی متر مکعب بر درجه ی سانتی گراد) است. طبق تعریف ضریب حرارت حجمی، تغییر انرژی حرارتی یک جسم با حجم واحد در اثر تغییر یک درجه است. ضریب حرارت حجمی خاک تابعی است از حرارت های مخصوص مواد تشکیل دهنده ی آن (دانه های جامد، آب و یخ) و به کمک روابط 7 و 8 به دست می آید.

رابطه 7 و 8

در این روابط W درصد رطوبت خاک و ɣ_d وزن مخصوص خشک خاک (گرم بر سانتی متر مکعب) است و مقادیر ثابت 0.17، 1 و 0.5 به ترتیب حرارت مخصوص دانه های جامد خاک، آب و یخ است. برای مصالح بتن آسفالتی ضریب حرارت حجمی تقریبا برابر 0.45 کالری بر سانتی متر مکعب بر درجه ی سانتی گراد است.

باید توجه داشت که در روابط 3 و 6 مقدار متوسط ضریب هدایت حرارتی و ضریب حرارت حجمی مصالح در حالت های یخ زده و یخ نزده باید به کار رود. زیرا در شروع فصل سرما، خاک و مصالح روسازی کاملا یخ نزده بوده و در انتهای فصل سرما، خاک و مصالح روسازی کاملا یخ زده هستند. لذا برای محاسبه ی عمق یخبندان منطقه، باید حالت متوسط به کار رود.

رابطه 9 و 10

منبع:

• کتاب روسازی راه از دکتر امیر محمد طباطبایی