Adres do korespondencji – Corresponding author’s: Katarzyna Kurpias-Warianek, Politechnika ĝwiĊtokrzyska, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Katedra Geotechniki i InĪynierii Wodnej, al. Tysiąclecia PaĔstwa Polskiego 7, 25-314 Kielce (e-mail: kkurpias@tu.kielce.pl)
ANALIZA ZMIAN DYSTRYBUCJI PORÓW
POD WPàYWEM CYKLICZNEGO ZAMRAĩANIA-
-ROZMRAĩANIA W WYBRANYCH GRUNTACH SPOISTYCH
Katarzyna Kurpias-Warianek
Politechnika ĝwiĊtokrzyska
Streszczenie. Artykuá przedstawia wyniki analizy istotnoĞci wpáywu cyklicznego zamra- Īania-rozmraĪania (ZR) oraz rodzaju systemu zamraĪania na zmiany dystrybucji porów dla gruntów spoistych wybranych przy zastosowaniu wieloczynnikowej analizy wariancji.
Na podstawie iloĞciowej analizy fotogramów SEM przeprowadzono analizĊ dystrybucji wielkoĞci porów w wybranych reprezentatywnych próbkach 5 spoistych gruntów niemro- Īonych, poddanych jednemu cyklowi zamraĪania w systemach otwartym i zamkniĊtym.
W celach porównawczych zde¿ niowano dwa parametry charakteryzujące otrzymane krzy- we dystrybucji porów KDP: wskaĨnik nierównomiernoĞci rozkáadu (ȕ) i wskaĨnik podo- bieĔstwa krzywych KDP (İ).
Sáowa kluczowe: cykliczne zamraĪanie-rozmraĪanie, parametry mikrostruktury, dystrybu- cja porów, wskaĨnik nierównomiernoĞci rozkáadu, wskaĨnik podobieĔstwa krzywych
WSTĉP
WĞród wielu problemów „geotechniki mrozowej”, analizowanych w ciągu kilkudzie- siĊciu lat przez licznych autorów, naleĪy wymieniü niezwykle istotny wpáyw cyklicznego zamraĪania i rozmraĪania na zmiany parametrów mikrostruktury i wáaĞciwoĞci geotech- nicznych [SkarĪyĔska 1969, Chamberlain 1980, Kumor 1989, Baykal i Türe 1998, Asare i in. 1999, Viklander i Eigenbrod 2000, Sulkava i Huhta 2003, Chen i in. 2004, Dietzel 2005, Sjursen i in. 2005].
Analiza wyników dotychczasowych badaĔ nad wpáywem cyklicznego zamraĪania- rozmraĪania (ZR) na zmiany mikrostruktury Ğwiadczy o tym, Īe dochodzi tu m.in. do zmiany wielkoĞci porów. Zjawisko to byáo sygnalizowane przez innych badaczy, zajmu- jących siĊ wpáywem cyklicznego ZR na wáaĞciwoĞci gruntów budowlanych [Nagasawa i Umeda 1985, Yong i Boonsinuk 1985, Kujala i Laurinen 1989, Hohmann-PorĊbska
2002]. W literaturze brak jednak prób systematycznego opisu opartego na kompleksowej analizie iloĞciowej. MoĪliwoĞci, jakie daje numeryczna analiza obrazu NIA (Numerical Image Analysis), pozwalają na podjĊcie próby przeĞledzenia wpáywu cyklicznego ZR na rozkáad (dystrybucjĊ) rozmiarów porów w próbkach gruntów [Kozáowski i Kurpias-Waria- nek 2009]. NaleĪy przypuszczaü, Īe to wáaĞnie zmiany dystrybucji wielkoĞci porów stoją za obserwowanymi zmianami wáaĞciwoĞci fizycznych i mechanicznych, a w szczególnoĞci takich parametrów, jak wspóáczynnik filtracji, moduá ĞciĞliwoĞci i wskaĨniki charakteryzu- jące wysadzinowoĞü mrozową. Ponadto zmiana wielkoĞci porów wpáywa na zmianĊ wáa- ĞciwoĞci kapilarnych gruntu, a tym samym – na zasadzie sprzĊĪenia zwrotnego – determi- nując dalszy przebieg zmian na skutek cyklicznego ZR w kolejnych cyklach.
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki analizy wpáywu cyklicznego zamraĪania-roz- mraĪania (ZR) na zmiany rozkáadu porów gruntów zamraĪanych w systemie zamkniĊtym i otwartym. Specyficzny charakter eksperymentu wykonywanego w systemie zamkniĊtym wyklucza moĪliwoĞü jakichkolwiek zmian wilgotnoĞci próbek podczas badaĔ. Procesom zachodzącym w takim ukáadzie musi towarzyszyü redystrybucja wody wewnątrz prób- ki przy jednoczesnym zachowaniu staáej Ğredniej wilgotnoĞci, a gáównymi czynnikami powodującymi zmiany wartoĞci parametrów byáyby procesy towarzyszące zmianom mi- krostruktury. PoniewaĪ ewentualne przemiany mikrostruktury gruntów w procesie prze- marzania gruntu zaleĪą od intensywnoĞci przemiany wody w lód i indukowanych w ten sposób naprĊĪeĔ, zatem naleĪaáoby przypuszczaü, Īe zamraĪanie w systemie otwartym (z moĪliwym dopáywem wody od doáu) wpáynie w istotny sposób na otrzymane wyniki w porównaniu z systemem zamkniĊtym. Jednak, jak zauwaĪa SkarĪyĔska [1969], zarów- no badania w systemie otwartym, jak i zamkniĊtym mogą odnosiü siĊ do rzeczywistych warunków w podáoĪu gruntowym. System otwarty modeluje sytuacjĊ z wysoko poáoĪo- nym zwierciadáem wody gruntowej, natomiast system zamkniĊty dotyczy profilu z nisko poáoĪonym zwierciadáem lub sztucznie spowodowanym brakiem moĪliwoĞci dopáywu wody do strefy przemarzania.
MATERIAàY I METODYKA
WyjĞciowym materiaáem do badaĔ byáo piĊü naturalnych gruntów spoistych pocho- dzących z terenu województwa ĞwiĊtokrzyskiego. GáĊbokoĞü wydobycia próbek gruntów wynikaáa z przyjĊcia zaáoĪenia, aby badane materiaáy nie byáy wczeĞniej naraĪone na dziaáanie procesów naturalnego zamarzania. W związku z powyĪszym grunty oznaczone w pracy numerami 1, 2, 3, 4 i 5 wydobyto ze specjalnie wykonanych wykopów z gáĊ- bokoĞci okoáo 3,0–7,0 m poniĪej poziomu terenu. Taka gáĊbokoĞü wydobycia gruntów gwarantowaáa, Īe materiaá badawczy znajdowaá siĊ poza zasiĊgiem strefy przemarza- nia [PN-81/B-03020]. Dodatkowo zaáoĪono, Īe wydobyte grunty mają naleĪeü do grupy gruntów wysadzinowych, charakteryzujących siĊ duĪą zawartoĞcią frakcji pyáowej i iáo- wej. WartoĞci początkowych parametrów gruntów przedstawiono w tabeli 1.
W przypadku próbek zamraĪanych w systemie zamkniĊtym do badaĔ uĪyto cylindrów o wewnĊtrznej Ğrednicy 65 mm i wysokoĞci 220 mm, ograniczonych od doáu dnem. Spe- cjalnie zaprojektowane stanowisko badawcze, zainstalowane wewnątrz komory Gröland, pozwoliáo na stworzenie warunków odpowiadających otwartemu systemowi gruntowo-
-wodnemu. Dla celów eksperymentów przeprowadzanych w systemie otwartym w ko- morze cháodniczej zamontowana zostaáa pozioma przegroda z materiaáu izolacyjnego w postaci warstwy styropianu o odpowiedniej gruboĞci. Pojemniki na próbki gruntów w postaci stalowych pierĞcieni, o wymiarach identycznych jak dla cylindrów uĪywanych do badaĔ w systemie zamkniĊtym, umieszczano w odpowiednio dopasowanych otworach w warstwie styropianu. Wobec tego zamarzanie nastĊpowaáo tylko od góry, analogicznie jak w warunkach naturalnych. Podciąganie wody od doáu byáo moĪliwe na skutek osadze- nia dolnej czĊĞci cylindrów na ceramicznych filtrach zanurzonych w termostatowanych pojemnikach z wodą. ĝrednia temperatura wody podczas mroĪenia utrzymywana byáa na poziomie +5°C. Staáy poziom wody gwarantowaáo zamontowanie zaworu páywakowe- go, który regulowaá dopáyw wody ze zbiornika, znajdującego siĊ na zewnątrz komory.
W kaĪdym cyklu ZR temperatura mroĪenia wynosiáa –25°C, a odmraĪania +20°C. Za- równo etapy zamraĪania (Z), jak i rozmraĪania (R) trwaáy po 24 h.
Dodatkowo metodą elektronowej mikroskopii skaningowej SEM wykonano fotogra- fie próbek gruntów niemroĪonych oraz poddanych jednemu cyklowi ZR w systemach otwartym i zamkniĊtym. Fotografie te posáuĪyáy nastĊpnie do okreĞlenia parametrów przestrzeni porowej i opisu dystrybucji porów w próbkach gruntu.
WYNIKI I ANALIZA
AnalizĊ krzywych dystrybucji porów przeprowadzono dla reprezentatywnych próbek z kaĪdej grupy wyodrĊbnionej przez kombinacjĊ zmiennych grupujących grunt i sys- tem. Próbki wybierano, stosując kryterium najmniejszej odchyáki miĊdzy wartoĞciami wspóáczynnika filtracji otrzymanymi metodą analityczną i na drodze badaĔ bezpoĞred- nich w edometrze.
Tabela 1. WáaĞciwoĞci początkowe badanych gruntów Table 1. Initial soil properties
Grunt Soil
Granica plastycznoĞci
wP [%]
Plasticity limit
Granica páynnoĞci wL [%]
Liquid limit
WskaĨnik plastycznoĞci
IP [%]
Plasticity index
StopieĔ plastycznoĞci
IL [%]
Plasticity degree
Powierzchnia wáaĞciwa S [m2·g–1] Speci¿ c area
Frakcje [%]
Fractions fk fĪ fp fʌ fi
1 17,1 42,3 25,2 0,18 63,8 0 1 51 31 17
2 14,2 32,5 18,3 0,22 60,8 0 1 51 34 14
3 10,2 48,8 36,6 0,52 157,9 0 0 35 47 18
4 14,8 28,9 14,1 0,35 57,1 0 3 55 29 13
5 10,8 26,4 15,6 0,83 49,8 0 1 57 30 12
Dla tak wybranych próbek okreĞlono kumulacyjną krzywą dystrybucji wielkoĞci po- rów (KDP), okreĞloną jako wykres procentowej zawartoĞci porów o danym promieniu zastĊpczym wraz ze wszystkimi porami o promieniach mniejszych:
{ , : ( )}
KDP x y y f r xd (1)
gdzie f (r x) – procentowa zawartoĞü frakcji porów o promieniach mniejszych lub rów- nych odciĊtej punktu na krzywej KDP.
Jako promieĔ zastĊpczy poru przyjĊto dwukrotnoĞü promienia hydraulicznego (Rh,i), okreĞlonego wedáug poniĪszego równania:
, i
h i i
R A
U (2)
gdzie: Ai – pole przekroju i-tego poru [ȝm2], Ui – obwódu i-tego poru [ȝm].
Tym samym promieĔ zastĊpczy poru o hipotetycznym ksztaácie idealnego okrĊgu jest równy promieniowi tego okrĊgu.
Na rysunkach 1–5 przedstawiono krzywe dystrybucji porów dla poszczególnych grun- tów – w kaĪdym przypadku dla gruntu niemroĪonego, zamraĪanego w ukáadzie otwartym oraz zamraĪanego w ukáadzie zamkniĊtym.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Promień zastępczy [μm]
Equivalent radius Zawartość wraz z mniejszymi [%] Percentage passing
n o z
Rys. 1. Krzywe rozkáadu wielkoĞci porów dla gruntu 1 (n – grunt niemroĪony, o – grunt po jed- nym cyklu ZR w systemie otwartym, z – grunt po jednym cyklu ZR w systemie zamkniĊ- tym)
Fig. 1. Pore-size distribution curves of soil 1 (n – unfrozen, o – after 1 cycle of freezing-thawing in an open system, z – after 1 cycle of freezing-thawing in a closed system)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Promień zastępczy [μm]
Equivalent radius Zawartość wraz z mniejszymi [%] Percentage passing
n o z
Rys. 2. Krzywe rozkáadu wielkoĞci porów dla gruntu 2 (n – grunt niemroĪony, o – grunt po jed- nym cyklu ZR w systemie otwartym, z – grunt po jednym cyklu ZR w systemie zamkniĊ- tym)
Fig. 2. Pore-size distribution curves of soil 2 (n – unfrozen, o – after 1 cycle of freezing-thawing in an open system, z – after 1 cycle of freezing-thawing in a closed system)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5
Promień zastępczy [μm]
Equivalent radius Zawartość wraz z mniejszymi [%] Percentage passing
n o z
Rys. 3. Krzywe rozkáadu wielkoĞci porów dla gruntu 3 (n – grunt niemroĪony, o – grunt po jed- nym cyklu ZR w systemie otwartym, z – grunt po jednym cyklu ZR w systemie zamkniĊ- tym)
Fig. 3. Pore-size distribution curves of soil 3 (n – unfrozen, o – after 1 cycle of freezing-thawing in an open system, z – after 1 cycle of freezing-thawing in a closed system)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Promień zastępczy [μm]
Equivalent radius Zawartość wraz z mniejszymi [%] Percentage passing
n o z
Rys. 4. Krzywe rozkáadu wielkoĞci porów dla gruntu 4 (n – grunt niemroĪony, o – grunt po jednym cyklu ZR w systemie otwartym, z – grunt po jednym cyklu ZR w systemie zamkniĊtym)
Fig. 4. Pore-size distribution curves of soil 4 (n – unfrozen, o – after 1 cycle of freezing-thawing in an open system, z – after 1 cycle of freezing-thawing in a closed system)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6
Promień zastępczy [μm]
Equivalent radius Zawartość wraz z mniejszymi [%] Percentage passing
n o z
Rys. 5. Krzywe rozkáadu wielkoĞci porów dla gruntu 5 (n – grunt niemroĪony, o – grunt po jednym cyklu ZR w systemie otwartym, z – grunt po jednym cyklu ZR w systemie zamkniĊtym)
Fig. 5. Pore-size distribution curves of soil 5 (n – unfrozen, o – after 1 cycle of freezing-thawing in an open system, z – after 1 cycle of freezing-thawing in a closed system)
JuĪ pobieĪna analiza otrzymanych krzywych skáania do wniosku, Īe cykliczne ZR w istotnym stopniu modyfikuje rozkáad wymiarów porów. W celu bardziej precyzyjnego okreĞlenia natury i rozmiaru tych zmian zdefiniowano dwa parametry liczbowe. Pierwszy z nich to wskaĨnik nierównomiernoĞci rozkáadu (ȕ) zdefiniowany przez analogiĊ do zna- nego w gruntoznawstwie inĪynierskim wskaĨnika róĪnoziarnistoĞci jako:
60 10
r
E r (3)
gdzie: r60 – zastĊpczy promieĔ porów, odpowiadający 60% na krzywej KDP [ȝm2], r10 – zastĊpczy promieĔ porów, odpowiadający 10% na krzywej KDP [ȝm2].
Mniejsza wartoĞü wskaĨnika ȕ oznacza bardziej strome poáoĪenie krzywej KDP, a tym samym mniejsze zróĪnicowanie wymiarów porów.
Typowym zachowaniem ukáadu woda-grunt jest spadek wskaĨnika nierównomiernoĞci (ujednolicenie rozkáadu) na skutek cyklicznego ZR (tab. 2). W czterech z piĊciu badanych gruntów nastąpiáo zmniejszenie wartoĞci wskaĨników ȕ w stosunku do wartoĞci pierwotnej (grunt niemroĪony). NajwiĊksze ujednolicenie rozkáadu nastĊpuje po zamraĪaniu w systemie otwartym (grunty 1, 4 i 5). W czterech gruntach (grunty 1, 2, 4 i 5) wartoĞci wskaĨników ȕ uzyskane po jednym cyklu ZR w dwóch systemach zamraĪania są do siebie zbliĪone, jednak wykazują znaczące róĪnice w porównaniu z wartoĞciami charakteryzującymi grunt niemro- Īony. Najbardziej spoisty w badanej grupie grunt 3 (iá) wykazywaá odmienne zachowanie;
w jego przypadku wartoĞü wskaĨnika nierównomiernoĞci rozkáadu zwiĊkszyáa siĊ na skutek cyklicznego ZR, przy czym róĪnice miĊdzy systemami zamraĪania wydają siĊ maáo istotne.
Tabela 2. WartoĞci wskaĨnika nierównomiernoĞci rozkáadu (ȕ) Table 2. Values of inequality of distribution index (ȕ)
Grunt Soil
WskaĨnik nierównomiernoĞci rozkáadu (ȕ) dla systemu zamraĪania Inequality of distribution index depending on the system n – grunt niemroĪony
unfrozen
o – system otwarty open system
z – system zamkniĊty closed system
1 7,6 3,9 4,1
2 4,7 2,2 2,0
3 2,6 3,9 3,6
4 5,6 3,6 4,5
5 4,8 2,9 3,9
ĝrednia
Mean 5,1 3,3 3,6
Drugi z analizowanych parametrów, nazwany wskaĨnikiem podobieĔstwa krzywych KDP (İ), zostaá zdefiniowany jako:
7 2
1 ,
( ) ( ) 7
j k
i j k
f i f i
H
¦
(4)gdzie indeksy j, k – jeden z trzech systemów zamraĪania (n, o, z).
Tak wiĊc wspóáczynnik H odpowiada Ğredniemu odchyleniu procentowych zawartoĞci frakcji odczytanych z dwóch krzywych KDP kolejno dla r = 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 7 ȝm. War- toĞci te zostaáy ograniczone do takiego zbioru, poniewaĪ w Īadnym z gruntów nie stwier- dzono wystĊpowania porów o promieniach zastĊpczych 8 ȝm i wiĊkszych. OczywiĞcie wskaĨnik podobieĔstwa obliczony dla j = k byáby równy zeru. Im wiĊksza wartoĞü tego wskaĨnika, tym bardziej róĪnią siĊ miĊdzy sobą dwie porównywane krzywe rozkáadu porów KDP. Warto zauwaĪyü, Īe teoretycznym kresem górnym zbioru wartoĞci tak zde- finiowanego wskaĨnika podobieĔstwa jest liczba 100. Otrzymane wartoĞci wskaĨnika podobieĔstwa przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. WartoĞci wskaĨnika podobieĔstwa krzywych rozkáadu wielkoĞci porów (İ) Table 3. Values of similarity index of pore-size distribution curves (İ)
Grunt Soil
WskaĨnik podobieĔstwa (İ) dla krzywych Similarity index of pore-size distribution curves (İ)
İn,o İn,z İo,z
1 13,6 5,4 9,4
2 13,8 6,0 10,7
3 5,4 4,3 2,1
4 9,7 7,4 4,3
5 8,3 8,0 2,0
ĝrednia
Mean 10,2 6,2 5,7
W przypadku wszystkich piĊciu gruntów najwiĊksza wartoĞü wskaĨnika podobieĔ- stwa (czyli najwiĊksza róĪnica miĊdzy krzywymi) dotyczy porównania krzywych uzy- skanych dla gruntu niemroĪonego i zamraĪanego w systemie otwartym.
W przypadku trzech gruntów (grunty 3, 4 i 5) róĪnice miĊdzy krzywymi KDP grun- tów zamraĪanych w ukáadach otwartym i zamkniĊtym są mniejsze niĪ miĊdzy gruntem niemroĪonym i zamraĪanym w ukáadzie zamkniĊtym.
PowyĪsze obserwacje prowadzą do wniosku, Īe cykliczne zamraĪanie prowadzi do znaczącej modyfikacji dystrybucji porów, niezaleĪnie od systemu zamraĪania, jednak wpáyw zamraĪania w ukáadzie otwartym jest mocniejszy.
Dodatkowo obliczono zawartoĞci trzech frakcji porów (tab. 4):
f<2 – procentowa zawartoĞü porów o promieniach zastĊpczych mniejszych lub równych 2 ȝm,
f2-4 – procentowa zawartoĞü porów o promieniach zastĊpczych w przedziale 2 < r 4 ȝm, f>4 – procentowa zawartoĞü porów o promieniach zastĊpczych wiĊkszych niĪ 4 ȝm.
Na podstawie procentowych zawartoĞci trzech frakcji porów zestawionych w tabeli 4 moĪna wnioskowaü, Īe w wiĊkszoĞci przypadków (grunty 1, 4 i 5 oraz Ğrednia) zmianĊ frakcji najdrobniejszych porów opisuje ciąg f<2,o > f<2,n > f<2,z, czyli nastĊpowaá wzrost iloĞci najmniejszych porów po zamraĪaniu w ukáadzie otwartym i spadek – po zamraĪa- niu w ukáadzie zamkniĊtym. Jednak w gruntach 2 i 3 prawidáowoĞü ta ulegáa odwróceniu:
f<2,n > f<2,z > f<2,o, czyli na skutek cyklicznego ZR nastąpiá znaczny spadek frakcji naj- drobniejszych porów, nieco wiĊkszy w systemie otwartym.
Wydaje siĊ, Īe w systemach woda-grunt wystĊpują dwa róĪne typy reakcji dystrybucji porów na cykliczne ZR. Pierwsza z nich (typ A – grunty 1, 4 i 5) charakteryzuje spadek frakcji duĪych porów, niezaleĪnie od systemu zamraĪania, oraz wzrost frakcji drobnych porów, jeĞli zamraĪanie nastĊpuje w systemie otwartym. Druga (typ B – grunty 2 i 3) wykazuje spadek frakcji drobnych porów z równoczesnym wzrostem frakcji porów naj- wiĊkszych, niezaleĪnie od systemu zamraĪania.
WNIOSKI
1. Na podstawie iloĞciowej analizy fotogramów SEM przeprowadzono analizĊ dys- trybucji wielkoĞci porów w wybranych reprezentatywnych próbkach gruntów niemro- Īonych, poddanych jednemu cyklowi zamraĪania w systemach otwartym i zamkniĊtym.
W celach porównawczych zdefiniowano dwa parametry charakteryzujące otrzymane krzywe dystrybucji porów (KDP): wskaĨnik nierównomiernoĞci rozkáadu (ȕ) i wskaĨnik podobieĔstwa krzywych KDP (İ).
Tabela 4. Procentowa zawartoĞü trzech frakcji porów w zaleĪnoĞci od systemu zamraĪania (n – grunt niemroĪony, o – system otwarty, z – system zamkniĊty)
Table 4. The percentage of three fractions of pores depending on the system freezing (n – unfrozen soil, o – open system, z – closed system)
Grunt Soil
System zamraĪania
System freezing f<2 [%] f2-4 [%] f>4 [%]
1
n 27,9 7,6 64,5
o 47,0 43,2 9,8
z 22,0 40,6 37,4
2
n 25,7 38,1 36,2
o 5,1 28,3 66,6
z 8,7 29,4 61,9
3
n 89,9 10,1 0,0
o 58,8 33,0 8,2
z 60,6 37,0 2,4
4
n 41,5 24,8 33,7
o 73,0 27,0 0,0
z 46,5 53,5 0,0
5
n 22,0 44,8 33,2
o 40,2 53,3 6,5
z 29,0 71,0 0,0
ĝrednia Mean
n 41,4 25,1 33,5
o 44,8 37,0 18,2
z 33,4 46,3 20,3
2. Typowym zachowaniem ukáadu woda-grunt jest spadek wskaĨnika nierównomier- noĞci (ujednolicenie rozkáadu) na skutek cyklicznego ZR, przy czym najwiĊksze ujed- nolicenie rozkáadu nastĊpuje po zamraĪaniu w ukáadzie otwartym. Takie zachowanie wydaje siĊ jednak dotyczyü jedynie gruntów Ğrednio spoistych i spoistych zwiĊzáych.
Najbardziej spoisty w badanej grupie grunt 3 (iá) wykazywaá odmienne zachowanie.
W jego przypadku wartoĞü wskaĨnika nierównomiernoĞci rozkáadu zwiĊkszyáa siĊ na skutek cyklicznego ZR, przy czym róĪnice miĊdzy systemami zamraĪania wydają siĊ maáo istotne.
3. W przypadku wszystkich piĊciu gruntów najwiĊksza wartoĞü wskaĨnika podobieĔ- stwa (İ), czyli najwiĊksza róĪnica miĊdzy krzywymi, dotyczyáa porównania krzywych uzyskanych dla gruntu niemroĪonego i zamraĪanego w systemie otwartym.
4. Cykliczne zamraĪanie prowadzi do znaczącej modyfikacji dystrybucji porów, nie- zaleĪnie od systemu zamraĪania, jednak wpáyw zamraĪania w ukáadzie otwartym jest mocniejszy.
5. W wiĊkszoĞci przypadków (grunty 1, 4, 5 oraz Ğrednia) zaobserwowano zmianĊ zawartoĞci frakcji najdrobniejszych porów (< 2 ȝm) przy równoczesnym zwiĊkszeniu zawartoĞci frakcji porów najwiĊkszych (> 4 ȝm), jednak w gruntach 2 i 3 prawidáowoĞü ta ulegáa odwróceniu. Wydaje siĊ, Īe w systemach woda-grunt wystĊpują dwa róĪne typy reakcji dystrybucji porów na cykliczne ZR. Typ A (grunty 1, 4 i 5) charakteryzuje spadek frakcji duĪych porów, niezaleĪnie od systemu zamraĪania, oraz wzrost frakcji drobnych porów, jeĞli zamraĪanie nastĊpuje w systemie otwartym. Typ B (grunty 2 i 3) wykazuje spadek frakcji drobnych porów z równoczesnym wzrostem frakcji porów najwiĊkszych, niezaleĪnie od systemu zamraĪania.
6. Obserwowane dla gruntów niemroĪonych bardzo wysokie korelacje miĊdzy za- wartoĞciami odpowiednich frakcji porów i parametrami charakteryzującymi plastycz- noĞü ulegają znaczącej redukcji na skutek cyklicznego ZR. Szczególnie drastyczny spadek korelacji dotyczy otwartego systemu zamraĪania. Tak wiĊc przemiany struk- tury dotyczą w róĪnym stopniu powierzchni wáaĞciwej (áączenie lub rozpad agrega- tów) i przestrzeni porowej (dzielenie starych porów i powstawanie nowych na skutek zwiĊkszania siĊ krysztaáów lodu). W efekcie dochodzi do powstania nowego typu mi- krostruktury, w którym typ pierwotnej zaleĪnoĞci miĊdzy parametrami strukturalnymi ulega modyfikacji.
PIĝMIENNICTWO
Asare S.N., Rudra R.P, Dickinson W.T., Wall, G.J., 1999. Effect of freeze-thaw cycle on the para- meters of the Green and Ampt inÀ tration equation. Canadian Agricultural Engineering 73, 265–274.
Baykal G., Türe E., 1998. The effect of freeze-thaw cycles on the performance of compacted clay.
Contaminated and Derelict Land, London.
Chamberlain E.J., 1980. Overconsolidation effects of ground freezing. Proc. 2nd ISGF, Trondheim, I, 325–337.
Chen T.C., Yeung M.R., Mori N., 2004. Effect of water saturation on deterioration of welded tuff due to freeze-thaw action. Cold Regions Science and Technology 38, 127–136.
Dietzel M., 2005. Impact of cyclic freezing on precipitation of silica in Me–SiO2–H2O systems and geochemical implications for cryosoils and sediments. Chemical Geology 216, 79– 88.
Hohmann-PorĊbska M., 2002. Microfabric effects in frozen clays in relation to geotechnical para- meters. Applied Clay Science 21, 77– 87.
Kozáowski T., Kurpias-Warianek K., 2009. Zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej SEM do analizy wspóáczynnika ¿ ltracji i parametrów opisujących mikrostrukturĊ grun- tów spoistych. XV Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i InĪynierii Geotechnicz- nej, Bydgoszcz, 431–438.
Kujala K., Laurinen K., 1989. Freeze-thaw effects on thaw settlement and pore pressure. Frost in Geotechnical Engineering, Technical Research Centre of Finland.
Kumor M.K., 1989. Zmiana mikrostruktury iáów monomineralnych i iáu plioceĔskiego pod wpáy- wem cyklicznego przemraĪania i odmraĪania. Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz.
Nagasawa T., Umeda Y., 1985. Effects of freeze–thaw process on soil structure. Proceedings of the 4th International Symposium on Ground Freezing, Japan II, 219–224.
PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienia bezpoĞrednie budowli. Obliczenia statystyczne i projektowanie.
Sjursen H., Michelsen A., Holmstrup M., 2005. Effects of freeze-thaw cycles on microarthropods and nutrient availability in a sub-Arctic soil. Applied Soil Ecology 28, 79–93.
SkarĪyĔska K., 1969. Wpáyw procesu zamarzania na niektóre wáaĞciwoĞci ¿ zykomechanicz- ne gruntów spoistych. Zeszyty Naukowe WyĪszej Szkoáy Rolniczej. Rozprawy 18, Kraków.
Sulkava P., Huhta V., 2003. Effects of hard frost and freeze-thaw cycles on decomposer communi- ties and N mineralisation in boreal forest soil. Applied Soil Ecology 22, 225–239.
Viklander P., Eigenbrod D., 2000. Stone movements and permeability changes in till caused by freezing and thawing. Cold Regions Science and Technology 31, 151–162.
Yong R.N., Boonsinuk P., 1985. Alteration of soil behavior after cyclic freezing and thawing. In:
Ground Freezing. Fourth International Symposium on Ground Freezing, Sapporo.
ANALYSIS OF PORE-SIZE DISTRIBUTION UNDER THE INFLUENCE OF CYCLIC FREEZE-THAW IN SELECTED COHESIVE SOILS
Abstract. The frost action in soils, in cold regions practically impossible to eliminate, and the complex structure of the soil medium determine a complicated nature of the problem. This problem still remains unclear for many reasons. First of all, the results presented in literature are partially incomparable. Such parameters of the experiments as the number of freeze-thaw cycles, the value of negative temperatures, the duration of freezing and thawing in each cycle and, of course, properties of soils used as the material, were different in all cases. Besides, the very important thing is to distinguish between the experiments carried in close and open systems. The latter, allowing the free water to be drawn upward from the water table to the freezing zone, better imitates the natural conditions. There are no evidences to what extent the cyclic freezing and thawing modify the microstructure and the pore-size distribution. This article presents the results of the signi¿ cance of the impact of cyclic freezing-thawing and freezing the type of system
to changes in the distribution of pores for the selected soils using multivariate analysis of variance. On the basis of quantitative analysis of SEM photographs, the analysis of pore-size distribution in selected representative samples of ¿ ves unfrozen cohesive soils subjected to one cycle of freezing in the open and closed systems. For comparative purposes, de¿ ned by two parameters characterizing the pore distribution curves obtained KDP: inequality of distribution index (ȕ) and similarity index of pore-size distribution curves (İ).
Key words: cyclic freezing-thawing, soil microstructure, parameters of microstructure, distribution of pores, inequality of distribution index, index of curves similarity
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 18.04.2011
