2.6.1 Allmänt
Frusen mark är jord-, sten- och blockmaterial som understiger temperaturen noll grader Celsius. Om en jordmassa är frusen är dess vertikala hydrauliska konduktivitet väldigt liten, eftersom det frusna vattnet bildar islinser som bildar en strömningsbarriär. Dessa barriärer kan i vissa kalla regioner vara permanenta och bilda så kallad permafrost. Permafrost kan även bildas artificiellt när byggnation sker på vintern, och den frusna jorden byggs in. Ett betydligt vanligare fenomen är dock att den frusna jorden är säsongsanpassad och smälter när den kalla vintersäsongen är över.
När jord fryser övergår den från att bestå av de tre olika beståndsdelar som beskrivs i Kapitel2.2.1, jordpartiklar, vatten och gas – vanligtvis luft – för att istället bestå av fyra olika komponenter, de tre tidigare nämnda, samt beståndsdelen is. De mekaniska egenskaperna hos en frusen jord vid en specifik temperatur kan variera mellan spröd till väldigt hård beroende på den ofrusna jordens vattenkvot. (Andersland et al., 2004)
2.6.2 Termiska egenskaper
Värme kan spridas via strålning, konduktion (värmeledning) eller konvektion. I frusen jord inverkar dock emellertid inte strålning varvid detta inte diskuteras vidare. Jord som kyls ifrån ett håll kommer att leda värmeenergi från den
varma delen av jorden mot den kalla. Denna värmeledning sker utan massförflyttning. Vid konvektion leds värmeenergin av gas eller vätska, vilka i jord oftast består av luft och vatten. (Knutsson, 1981)
2.6.3 Egenskaper vid frysning
Enligt Knutsson (1981) så har erfarenheter av frusen jord visat att den i vissa fall kan ge upphov till en hävning. Denna hävning kallas ofta tjällyftning. Tjällyftning innebär att jordmassan expanderar och därmed tar upp en större volym än vid ofruset tillstånd, vilket illustreras i Figur 2-14. Denna effekt är stor hos finkornig jord medan den hos exempelvis grovkornig jord är betydligt mindre. Tabell 2-2 visar tjälfarlighetsklasser för olika jordarter och moräner. För att tjällyftning ska uppstå krävs det – förutom att jorden har en negativ temperatur – att jorden har tillgång till vatten som kan frysa och transporteras i jorden samt att jorden är tjälfarlig.
Figur 2-14 Massa- och volymförhållande mellan frusen och tinad jord (Andersland et al., 2004)
Tjällyftning kan härledas till ett antal processer enligt Knutsson (1981). Den första är porvattenfrysningen som sker vid noll grader Celsius. Denna frysning gör att volymen ökar med nio procent. Denna volymökning sker vid
övergången från vatten till is och påbörjas vid ytan för att sedan tränga ner på djupet.
Islinser är den andra processen. Islinser och dess bildande är en komplicerad process som styrs av jordmassans hydrauliska konduktivitet, temperatur, kornstorleksfördelning, kapillaritet, spänningstillstånd samt vilka mineraler som jorden innehåller. Förhållandet mellan egenskaperna ovan utgör om det bildas islinser och i så fall i vilken mängd. Dock anses ett högt värde på kapillaritet och permeabilitet vara faktorer som i högsta grad har inverkan på islinsbildning. När islinser fryser bildas kristaller i masscentrum av de större vattenfyllda porerna. När en jämvikt uppstått mellan fruset och ofruset mineralkornsbundet vatten kommer kvarvarande icke bundet ofruset vattnet fungera som kanal för tillskottsvatten och transporterar detta (kapillaritet) till frysfronten. Det negativa portrycket (vattensuget) skapas eftersom energinivån minskar när vattnet fryser vilket medför att vatten med högre energinivå drar sig till de kallare områdena. Temperaturen på isen fungerar som reglering för hur fort uppsugningen sker, eftersom en lägre temperatur ger ett snabbare frysförlopp.
En grovkornig jordmassa visar – som nämnts ovan – en liten benägenhet för expandering. Detta beror på att grovkornig jord som är ofrusen har låg kapillaritet, hög permeabilitet och låg vattenkvot, vilket leder till att procentandelelen vatten är för låg för bildning av islinser. Eftersom en sådan jord har låg kapillaritet är förmågan att suga upp tillskottsvatten som behövs för att frysningen ska eskalera också låg. Detta sker även när en jordmassa underlagras av ett dränerande lager, som exempelvis vid en övertäckning av en gråbergstipp på mark.
En mycket tät lera har för låg hydraulisk konduktivitet för att släppa igenom vatten och bildar därav en barriär för tillskottsvatten som behövs vid frysning. (Andersland et al., 2004)
2.6.4 Egenskaper vid tining
När en jordmassa befunnit sig i ett fruset stadie med ett gradantal under noll för att sedan öka sin temperatur till en sådan som överstiger noll grader kommer jorden att tina. När en jord tinar ändras egenskaperna för jordmassan eftersom det frusna vattnet tinar. När vattnet tinar kommer
volymen minska. Detta kan leda till exempelvis sättningar av jorden (jorden packas), sprickor, minskad packningsgrad och bärighetsproblem etcetera.
Bärighetsproblem i jorden uppstår eftersom det tillskottsvatten som sugits till jordmassan vid frysning bidrar till ett överskott av vatten. Detta överskott hinner inte avrinna vid snabb upptining och leder då till ett ökat porvattentryck. Det ökade porvattentrycket leder i sin tur till lägre effektivspänningar i jorden och bidrar därför till bärighetsproblem.
Hur stort vattenöverskott jordmassan innehåller vid tining beror som nämnts av upptiningsperioden, men även av hydraulisk konduktivitet, avstånd till dränerande jord eller material, samt mängd tillkommande vatten – nederbörd, smältvatten etcetera.
Sättning av jord sker oftast då jorden ej varit väl packad innan frysning.
Vid upprepad frysning och tining sker ofta separering av de ingående fraktionerna. Detta händer eftersom de grövsta partiklarna tenderar att ansamlas i den del av provet som är närmast frysriktningen. Ett annat fenomen som sker vid tining av jord är att sprickor bildas. Detta beror på att när jord fryser separerar isen jorden. När isen sedan smälter sammanfaller inte jorden helt utan särskiljs av en spricka vilket medför lättare vattentransport i detta område. Denna sprickuppkomst är störst hos jord med hög andel bundet vatten.(Andersland et al., 2004)
För att beskriva hur jordens volymuppsättning ändras efter frys- och tiningscykler kan jordens portal – som beskrivs i Kapitel 2.4.4 – användas.Portalet kan beräknas enligt Ekvation 19.
(19)
= Portal [%] = Volym porer [m3] = Volym jord [m3]
Enligt Knutsson (1981) minskar den hydrauliska konduktiviteten med minskad temperatur. Detta visas iFigur 2-15. Det fria vattnet i en frusen jord fryser lättare än det bundna vattnet eftersom det senare har en högre potential. Detta medför att andelen ofruset porvatten är betydligt högre i exempelvis en silt eller lera jämfört med en grovkornig jord. I en grovkornig jord fryser i stort sett all vattenmassa redan strax under fryspunkten vilket medför att jorden i stort sett blir helt tät. Den hydrauliska konduktiviteten i en frusen finkornig jord kan dock vara noterbar även om jorden är fryst långt under fryspunkten. Några olika jordars ändring av hydraulisk konduktivitet vid temperaturer under fryspunkten visas iFigur 2-15. (Viklander, 1995)
Figur 2-15 Hydraulisk konduktivitet som funktion av temperatur (Knutsson, 1981)