Külmakerge

Külmakerge on pinnasesse kogunenud niiskuse külmumise ning selle paisumise tagajärjel tekkinud pinnase kerkimine ülespoole.

Külmakerked pinnases on põhjustatud vee külmumisest suuremates tühimikes ja tavaliselt hilisem laiendus moodustades jääläätse, kihi, soone või muu jää massi. Jäälääts pinnases kasvab läbi kapilaaride ja pakseneb soojusülekande suunas kuni veevarustus on ammendatud või kuni külmad tingimused pinnasel enam ei toeta edasist külmumist. Jää läätse kasvamisel pealolev pinnas ja sillutis kerkib üles poole, mis võib kergesti põhjustada pragunemist kõval katendil. Sellist probleemi esineb peamiselt pinnastes, mis sisaldavad külmatundlikke peeneid osakesi. Samas puhtad ja kvaliteetsed liivad ja kruusad, kus on väga vähe külmatundlikke osakesi on külmakindlad. Seega külmatundlikkuse määr pinnases väljendab peamiselt materjalis olevate peente osakeste protsenti. Paljud asutused kvalifitseerivad materjalid külma suhtes tundlikuks, kui 10% või enam materjalist läbib 0,075 mm sõela või kui 3% või enam materjalist läbib 0,02 mm sõela.

Tegurid

Kolm elementi, mis on vajalikud jääläätsede ja külmakergete jaoks, on järgmised:

1. külmale vastuvõtlik pinnas;
2. madalad temperatuurid (külmtemperatuur peab pinnast läbima ja üldiselt on jääläätse tihedus suurem kui külmumine on aeglasem).
3. vesi (peab olema kättesaadav põhjaveest, infiltratsioonist, põhjaveekihist või peenestatud pinnase tühimikest).

Eemaldades ühe kolmest eelnevatest komponentidest on külmumise toime eemaldatud või vähemalt minimaalne. Kui kolm tingimust toimuvad ühtlaselt, siis on ka külmumine ühtlane, vastasel juhul tekib diferentsiaalne tõmbamine, mille tagajärjel tekib pragunemine ja rabedus. Diferentsiaalne kerge on kõige tõenäolisem tekkima kohtades kus:

• aluspinnased muutuvad külmale vastuvõtlikuks;
• järsk lõhe täitub põhjaveega;
• kui pinnases on veekindlad kihid;
• dreenid, truubid jms põhjustavad tihtipeale järsu erinevuse külmumisel tagasitäite materjalides või tihendamisel asjaolu tõttu, et maetud torud muudavad soojustingimusi.

Täiendavad tegurid, mis mõjutavad külmakahjustuse taset (või mulla võimet külmuda):

• soojuse eraldumise tase;
• temperatuuri kõikumine;
• vee läbivus (nt mulla läbilaskvus);
• veetaseme sügavus;
• mullatüüp ja seisund (nt tihedus, tekstuur, struktuur jne).

Jääläätsede kasvamine

Peamiselt on pinnase nihkumine põhjustatud jääläätsede kasvamisest pinnases. Külmakerke korral kasvab pinnases üks või mitu jääläätse mis omakorda kergitavad pinnast enda kohal. Need läätsed kasvavad pideva vee lisandumisel põhjaveest, mis on sügavamal mulla külmumisjoonest. Külmakindlate pinnaste olemasolu tagab poorse struktuuri, mis võimaldab kapillaaride voogu ja see omakorda varustab jääläätsesid veega. Tänu Gibbs-Thomsoni efektile, mis seisneb vedelike kinnistamises pooridesse, võib vesi mullas jääda vedelaks ka temperatuuril, mis jääb alla vee külmumispunkti. Kvaliteetsetel pooridel on väga suur kumerus ja see tagab vedeliku vedela oleku ka sellises keskkonnas kus temperatuur võib olla kümne kraadi allpool vedeliku külmumistemperatuuri. See efekt võimaldab veel pinnasest läbi imbuda jääläätse suunas, mis omakorda võimaldab jääläätsel kasvada.

Teine veetranspordi efekt on mõne molekulaarse veekihi säilimine jääläätse ja mullaosakeste vahel.

Casagrande kriteerium (külmatundlikud pinnased)

1932. aastal esitas dr Arthur Casagrande üldtuntud kriteeriumid potentsiaalselt külmatundlike pinnaste tuvastamiseks. Loomulikes külmumistingimustes ja piisava veevarustuse korral on oodata jää eraldumist ebaühtlastes pinnastes, kus on rohkem kui 3% osakestest väiksemad kui 0,02 mm. Jää eraldumist ei täheldatud pinnastes, kus 1% teradest on väiksemad kui 0,02 mm isegi siis, kui põhjavee tase on sama kõrgel kui külmumispiir. Casagrande kriteeriumi rakendamine eeldab hüdromeetrilist katset, et määratleda 0,075 mm terakeste jaotus ja arvutada väiksemate kui 0,02 mm suuruste osakeste protsent.

Sulaperiood

Sulaperiood on pinnase sees sisalduva jää sulamine. Kuna jää sulab ja muutub vedelaks, ei saa see mullast piisavalt kiiresti välja voolata ja seega muutub aluspõhi oluliselt nõrgemaks ja kipub kaotama kandevõimet. Seetõttu koormus mis tavaliselt katendit ei kahjustaks võib aga sulaperioodil olla üsnagi kahjulik.

Külmumise kokkuvõte

Külmumine on kriitiline katendi struktuurilise disaini probleem mis tekib riikides kus toimub maa külmumine. Ilma vajalike hooldus töödeta võib uus katend puruneda ühe või kahe aasta jooksul. Kaks peamist põhjust, miks on vaja teid hooldada:

1. Külmakerked. Niiskuse kogunemine pinnases ja selle külmumine. Kogunenud niiskus (jää lääts) laieneb soojusvoo suuna suhtes risti ning suruvad katendi üles, põhjustades sageli tõsiseid pragunemisi.
2. Maapinna sulamine. Kui mudkeha on külmutatud võib nõrgestataks kui sulad (tavaliselt kevadel). Seetõttu ei pruugi koormus, mis tavaliselt ei katendit ei kahjustaks, võib sula perioodide ajal olla üsna kahjulik.

Külmakahjustust võib iseloomustada ka sügavus, milleni pinnas külmub konkreetses piirkonnas. Seda sügavust saab hinnata mitmete võrranditega, kaasa arvatud Stefani valem ja muudetud Berggreni valem. Kui see sügavus on teada, saab seda kasutada katendi struktuurse projekti sisendina, et leevendada külmakahjustuste kahjulikke mõjusid. Leevendusmeetodeid saab liigitada nelja laia kategooriasse.

1. Piirata külmakindla materjali sügavust konstruktsiooni all.
2. Eemaldada ja vahetada külmale vastuvõtlik pinnas.
3. Projekteerida katendi konstruktsioon põhinedes vähendatud pinnase kandevõimele.
4. Peatada põhjavee ja pinnase kokkupuude.

Kui külma reaktsiooni ei saa piisavalt leevendada, võib põhjustada tugevat kahjustust sillutisele/katendile (külma kergete korral) või kandevõime vähenemine (pinnase pehmenemise korral). Hooldusvõimalused nende probleemide lahendamiseks on piiratud kas sillutise parandamise või asendamisega külma kergete korral või pinnase pehmenemise korral.