LABORATÓRIUMI SOROZATMÉRÉSEK HATÁSA TALAJOK ÁLLÉKONYSÁGI PARAMÉTEREIRE EFFECT OF LABORATORY MEASUREMENTS TO THE GEOTECHNICAL PARAMETERS OF SOILS

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Közlemények, 83. kötet, 1. szám (2012), pp LABORATÓRIUMI SOROZATMÉRÉSEK HATÁSA TALAJOK ÁLLÉKONYSÁGI PARAMÉTEREIRE EFFECT OF LABORATORY MEASUREMENTS TO THE GEOTECHNICAL PARAMETERS OF SOILS GONDA NÓRA 1, KÁNTOR TAMÁS 2, MAKÓ ÁGNES 3 Absztrakt: Jelen tanulmányban arra keressük a választ, hogy a többször használt, illetve a frissen vett mezőgazdasági területről származó talaj állékonysági paraméterei között számottevő különbség felfedezhető-e. Méréseink során körgyűrű és a direkt nyíróberendezést használtunk. Kulcsszavak: talaj, geotechnika, nyírás, konszolidáció. Abstract: The aim of our study to find answers to the possible degradation problems so we carried out different kind of laboratory tests both on unused and used soil samples and compared the results of these. Keywords: soil, geotechnics, shear, consolidation. 1. Bevezető Napjainkban, a talajmechanikában is egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a különböző modellező szoftverek, viszont nem szabad elfelejtkeznünk a laborvizsgálatok fontosságáról sem. A számítógépes szimulációk során akkor kapjuk a legjobb eredményeket, ha az adott területre jellemző, jobb esetben onnan származó mintákon végzett vizsgálatokból származó állékonysági paramétereket használjuk fel a modell felépítéséhez. A mintavétel módja, minősége és mennyisége sokszor változékony lehet, az egyes területek megközelíthetőségétől és az alkalmazható mintavételi technológiától függően. Laboratóriumi méréseink során speciális esetekben kénytelenek vagyunk arra mi is, hogy egyes mintaanyagokat többször felhasználjunk. Mintáink újbóli felhasználásához gyakran aprító eszközöket kell igénybe vennünk a mérések során elért magas konszolidált- 1 GONDA NÓRA nori.gonda@gmail.com 2 KÁNTOR TAMÁS tamas.kantor@gmail.com 3 MAKÓ ÁGNES makoagnes@gmail.com Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Környezetgazdálkodási Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros

2 72 Gonda Nóra Kántor Tamás Makó Ágnes sági fok miatt, ugyanis a szemcsék összetapadnak, szilárd egységet alkotnak. Aprítás során a talajok szemeloszlási jellege, vázszerkezete változhat, ami kihatással lehet a fentebb már említett állékonysági paraméterekre. 2. Vizsgált talaj bemutatása A Miskolci Egyetem Geotechnikai Talajvizsgáló Laboratórium egyik fő tevékenységi köre az oktatás mellett, különböző mezőgazdasági talajok művelés alá vont felső lazább rétege (0 100 cm) geotechnikai vizsgálatai, valamint talajmechanikai jellemzése. Laboratóriumi vizsgálatainkhoz magyarországi termőterületekről származó talajtípusokat használunk. A vizsgálatok megkezdése előtt a talajok kiválasztásának fő szempontja azok agyagásvány tartalma volt. Ennek függvényében homokos, vályogos és magas agyagtartalmú agyagtalajt vizsgálunk. Jelen vizsgálatsorozatot a fenti meghatározás szerint közepes agyagtartalmú, talajféleségét tekintve vályogként definiálható mezőgazdasági talajon végeztük a bevezetőben már említett okokból. A szemcsék elsődleges jellemzésére a méretüket használjuk, melyet a szemcsealak sokfélesége miatt a névleges átmérővel közelítünk. A szemeloszlást legkifejezőbben a szemeloszlási görbével adhatjuk meg. Ez azt mutatja meg, hogy valamely átmérőnél kisebb átmérőjű szemcsék a halmaz tömegének hányad részét képezik [1]. 1. ábra. A vizsgált talaj szemeloszlási görbéje

3 Laboratóriumi sorozatmérések hatása talajok állékonysági paramétereire 73 A fenti talaj szemcseméret-eloszlásának meghatározását hidrometrálási eljárással hajtottuk végre, mivel ha a vizsgált talaj szemcséinek legalább 5%-a kisebb, mint 0,08 mm (a legkisebb lyukbőségű szita), az iszapoló eljárást (hidrometrálás) kell alkalmazni. Az eljárás során az ülepedő gömb átmérője és sebessége közti összefüggést a Stokes-törvény írja le [2]. A hidrometrálás eredménye az 1. ábrán látható. A szemeloszlási görbe alapján megállapítható, hogy a vizsgált talaj szemcséinek nagy részét az iszapfrakció tölti ki, az agyag- és homokfrakcióból közel azonos mennyiség található. A görbe jellege azt mutatja, hogy a maximális és minimális szemcseméretek közötti tartományon minden szemcseméret megtalálható, nincs hiányzó frakció, a görbe lefutása egyenletes. Az egyenlőtlenségi mutató a leglényegesebb számszerű paraméter, mely a szemeloszlás folytonosságát jellemzi, különösen a talajok tömöríthetőségének elbírálására ad jó információt [3]. A következő képlettel számítható: ahol: d60 0,024 Cu = = = 48, d10 0, 0005 d 60 a szemeloszlási görbe 60 m/m% ordinátaértékéhez tartozó szemnagyság, d a szemeloszlási görbe 10 m/m% ordinátaértékéhez tartozó szemnagyság. 10 Az 1. táblázatban foglaltuk össze a különböző frakciók arányait számszerűsített formában. Ezek alapján a vizsgált talajunk a geotechnikában használt nomenklatúra szerinti elnevezése homokos-agyagos iszap. 1. táblázat Frakciók tömegszázalékos összetétele Frakció Tömeg % Homok d > 0,06 16 % Iszap 0,06>d > 0, % Agyag d < 0, % 3. Alkalmazott mérési módszerek és eszközök Talajok nyírószilárdságát a Coulomb-féle τ = σ tgφ + c egyenlettel jellemezzük, ahol τ a σ hatékony normálfeszültség mellett rendelkezésre álló nyírószilárdság, φ a belső súrlódási szög és c a kohézió. Utóbbi kettő a kohézió és a belső súrlódási szög anyagjellemző, melyeket szokás nyírószilárdsági paramétereknek is nevezni. Ez az egyenlet egyben a törési feltételt is jelenti: a Mohr-féle törési feltevés szerint a törést okozó főfeszültségi körök burkolója a 2. ábrán látható módon egyenes.

4 74 Gonda Nóra Kántor Tamás Makó Ágnes 2. ábra. A Mohr-féle feszültségelmélet Coulomb szerinti egyszerűsített alakja (Forrás: Szepesházi R.: Geotechnika, Győr, pp. 42.) Coulomb szerint az anyag törését az idézi elő, hogy a szemcsék között fennálló belső súrlódást és kohéziót a nyírófeszültség túllépi. A nyírószilárdság eredete szerint a talajok két fő csoportba oszthatók: kohéziós és kohézió nélküli talajokra. A kohéziós talajok szemcséi között belső összetartó erők is működnek; kohézió nélküli talajok nyírási ellenállása pedig csak a szemcsék egymáson való súrlódásából és egymásba való kapaszkodásából áll. Minthogy súrlódási erő csak normál erők működése esetén léphet fel, kohézió nélküli talajnak nyírási ellenállása zérus normálterhelés mellett nincs. Kötött talajok kohéziója viszont a zérus normálterhelés mellett rendelkezésre álló nyírószilárdsággal egyenlő. [3] 3.1. Alkalmazott módszerek I.: A közvetlen (direkt) nyírókísérlet A talaj nyírószilárdságának ez a meghatározási módja abból áll, hogy egy talajminta belsejében fekvő sík, vízszintes felületre előbb ismert függőleges erőt, majd az alakváltozások egyidejű mérése mellett egyre növekvő vízszintes nyíróerőt működtetünk, és mérjük azt a vízszintes erőt, mely a talajban már törést, csúszást idéz elő. Ezt a kísérleti eljárást közvetlen nyírókísérletnek nevezzük. Direkt nyírásról akkor beszélünk, ha a minta elnyírása kényszerfelület mentén (illetve segítségével) történik. Ennek eszköze a 3. ábrán látható nyírógép. 3. ábra. A közvetlen nyírókísérletekhez használt nyíróberendezés és nyíródoboz

5 Laboratóriumi sorozatmérések hatása talajok állékonysági paramétereire 75 Dobozos nyírásnak is nevezik. A nyíródoboz egy alsó álló keretből és egy erre helyezett felső keretből áll, amely vízszintes irányban elmozdítható. A keretek belsejében két szűrőkő és két fogazott terhelőlap között van a minta. A normál erőt a felső keretbe helyezett nyomólap közvetíti, a vízszintes nyíróerőt oldalról egy motor segítségével, a két keret közötti keskeny rés síkjában adjuk át. Többféle méret létezik belőle, valamint a formáját tekintve lehet kör vagy négyzet keresztmetszetű is. A közvetlen nyírókísérletek előnye az egyszerű alkalmazásban rejlik, ennek megfelelően igen elterjedt eljárás. A hátrányokat, hibaforrásokat tekintve kiemelendő, hogy a mintán belüli feszültségeloszlás nem egyenletes [4], illetve az, hogy befolyásolja a kísérleteket a nyíródobozok között, valamint a minta és a doboz fala között fellépő súrlódás [5] Alkalmazott módszerek II.: Körgyűrű nyíróvizsgálat Az előző fejezetben leírt elvhez hasonlóan működő eszköz. A nyíródobozos vizsgálat és a körgyűrű nyírás között alapvető különbség a mintatest alakja (4. ábra), valamint a nyíráshoz szükséges elmozdulás jellege. Ez a módszer a tönkremenetel utáni, reziduális (maradó) nyírószilárdság meghatározására alkalmas, míg a direkt nyírás a maximális nyírószilárdság meghatározásához használható. 4. ábra. A körgyűrűnyíró-berendezés

6 76 Gonda Nóra Kántor Tamás Makó Ágnes 4. Mérési eredmények kiértékelése A méréseink a talaj két állapotának összehasonlítását célozták meg. Egyik az úgynevezett friss, szántóföldről bekerült, még laborvizsgálatokon át nem esett állapotú talaj, míg a másik talaj többszörösen tömörített és visszadarált, több éve laboratóriumi vizsgálatok alá vetett, úgynevezett használt talaj. Emellett ezeket a talajokat három különböző nedvességállapotban is vizsgáltuk. Alkalmunk volt a használtsági fokok, valamint a nedvességtartalom növekedés miatt bekövetkező változások összehasonlítására Mérés menete Mindkét vizsgálati módszer esetén hasonló metodikát alkalmaztunk a későbbi összevethetőség miatt. Mindkét eljárás esetén a vizsgálat kezdeti szakasza a mintaanyag tömörítésével, konszolidálásával kezdődött. Vizsgálatainkat három különböző normálfeszültség mellett végeztük el, ezek rendre 1; 1,5; 2 báros értékek voltak. Ezekkel a normálfeszültségekkel két órán keresztül terheltük a mintákat, a minél nagyobb konszolidáltsági fok eléréséhez. A mérési folyamat második részében a konszolidációt követően 20 percen keresztül, 0,5 mm/perces sebességgel nyírtuk a különböző víztartalmú talajmintákat. Ebből adódóan a nyírás során fellép összelmozdulás 10 mm volt. Az eredmények összevethetősége miatt mindkét nyírási módszernél törekedtünk a közel azonos nyírási felület használatára. A körgyűrű nyírónál adott 40 cm 2 -es felület mellé a direkt nyírási módszernél egy 6x6 cm-es felületet választottunk Mérés során beállított víztartalmak Korábbi laboratóriumi mérések alapján tudjuk, hogy a vizsgált talajnak az optimális tömöríthetőségi víztartalma 13,2%. Az optimális tömöríthetőségi víztartalom meghatározása Proctor készülékkel történik, melynek eredményeként egy haranggörbét kapunk. Ennek csúcspontja megadja azt a víztartalmat, melynél az adott talaj a leginkább tömöríthető. A víztartalmak beállítása során ezt az értéket vettük kiindulási pontnak, s ehhez képest választottunk egy szárazabb és egy nedvesebb állapotot (2. táblázat) Nyíróberendezések eredményei Mérés során használt víztartalmak 2. táblázat Száraz Optimális Nedves w% (m/m) 0, Ebben a fejezetben a friss és használt talajokon mért eredményeket mutatjuk be. A direkt és körgyűrű nyíróvizsgálatok eredményeit a tradicionális Coulomb-féle tönkremeneteli elmélet alapján dolgoztuk fel. A korábbi fejezetekben ennek elméleti hátterét már bemutat-

7 Laboratóriumi sorozatmérések hatása talajok állékonysági paramétereire 77 tuk. A kiértékelés során ezen elmélet által meghatározott paraméterekkel jellemezzük a különböző állapotú talajokat. Fontos megjegyezni, hogy a mérési módszert leíró fejezettől eltérően a direkt nyíróvizsgálatoknál vezérlési probléma miatt nem az egy, másfél és két báros normálfeszültségi értékeket használtuk, hanem 0,8; 1,3 és 1,8 báros értékeket. Első összevetési szempont a talajok laboratóriumi használtság szerinti összehasonlítása volt a direkt és körgyűrű nyírások eredményei alapján. A két használtsági szintű talaj, optimális víztartalom (~13 w%) melletti nyíróvizsgálatainak eredményeit az 5. ábra foglalja össze. A grafikonon bemutatott tönkremeneteli görbék bizonyos fokú különbséget mutatnak. A mérési eredmények alapján a laboratóriumban már többször használt és visszadarált talaj belső súrlódási szög értéke magasabb, mint a mezőgazdasági területről frissen laborba került talaj esetén. Ennek magyarázata lehet, hogy ezen a nedvességi szinten a talajok szemcséi aggregátumok formájában összetapadnak, s a valós, hidrometrálással mért értékekkel szemben más szemeloszlási jelleg érvényesül, a nagyobb (összetapadt) szemcsék aránya megnőtt. A nagyobb szemcsék miatt az eredmények eltolódnak a már többször használt talaj esetében. Ugyanez a tendencia kevésbé figyelhető meg a körgyűrűnyíró-berendezés eredményeinél. 5. ábra. Direkt (bal) és körgyűrű (jobb) nyíróvizsgálatok eredményei, használt és friss talajra A kohéziós értékek esetén jelentkező negatív érték geotechnikai szempontból értelmezhetetlen, s a cikk leadásának időpontjáig az ellenőrző vizsgálatok elvégzésére nem került sor, ezeket egy későbbi publikációban közöljük majd. Az 5. ábra jobb oldalán feltüntetett körgyűrű nyírási eredményeknél a kohéziós értékek kisebb szórást mutatnak. Ez a módszer alkalmasabbnak tűnik a szemcsék közötti összetartó erők mérésére.

8 78 Gonda Nóra Kántor Tamás Makó Ágnes 6. ábra. Tönkremeneteli egyenesek változása a víztartalom függvényében A 6. ábrán a körgyűrű nyíró berendezéssel vizsgált három különböző nedvességtartalmú talajon mért nyírófeszültség értékeket ábrázoltuk a normálfeszültség függvényében. Mindkét talaj esetén megfigyelhető, hogy a nedvességtartalom növekedésével a kohéziós értékek emelkedtek a fellépő kapilláris erők miatt. A kohézió közel azonos a friss és a használt talajnál, azonban a nyírási feszültségek között különbség látható. A használt talajoknál a belső súrlódási szög alacsonyabb mindegyik víztartalom esetében. Ennek az lehet az oka, hogy a többszöri nedvesítés, tömörítés, darálás hatására a szemcsék koptatták egymást, így az alakjuk megváltozott. A fentiekben leírt különbségek ellenére a két talaj közt számottevő különbség nem állapítható meg. A talajok másik lehetséges összehasonlítási módja még a konszolidációs görbék felvétele. A bemutatott és alkalmazott nyírási eljárások része a mérést megelőző konszolidáció, így lehetőségünk volt a talajok tömörödési jelleggörbéinek felvételére is. Ezek eredményeit a 7. ábrán foglaltuk össze, a felső képen a mezőgazdasági területről frissen behozott talajon, alul pedig a többszörösen használt talajon mért eredmények láthatók. Friss talaj esetében megállapítható, hogy a normálfeszültség függvényében a konszolidáció mértéke egyenes arányban nő. A legnagyobb mértékű konszolidáció a két báros normálfeszültségnél adódott. Használt talaj esetében a tömörödés mértéke nőtt mindhárom terhelés esetében a friss talajhoz képest, viszont itt már a másfél és két báros terhelés között különbség nem mutatható ki. Ennek oka, hogy a darálás hatására vázszerkezet átalakulása következett be.

9 Laboratóriumi sorozatmérések hatása talajok állékonysági paramétereire ábra. Konszolidációs görbék változása a normálfeszültség függvényében Az alkalmazott normálterhelések megválasztásánál a vizsgált talaj tulajdonságait vettük figyelembe, ugyanis korábbi vizsgálatoknál tapasztaltuk, hogy ekkora szemcseméret tartományban a magasabb terhelések esetén a nyírási fázisban jelentős anyagveszteség figyelhető meg. Ennek oka, hogy a mintában lévő szemcsék nagy része kisebb átmérőjű, mint a két nyíródoboz fél közötti rész, így nagyobb terheléseknél szemcsék távoznak el a mérés során. 5. Összefoglalás Összefoglalásként elmondható, mérési eredményeink bebizonyították, hogy a mezőgazdasági területekről frissen bekerült talajok, illetve a laboratóriumi vizsgálatokon már többszörösen átesett mintaanyagok talajmechanikai paraméterei között differencia van, de ez a talaj viselkedését illetően elhanyagolhatónak minősíthető. A legkiemelkedőbb különbségek a talajok konszolidációs mértékében mutatkoztak, a használt talajok nagyobb fokú tömörödést mutattak. Az alkalmazott vizsgálati módszerek közül a körgyűrűnyíró-berendezés eredményeiben voltak felfedezhetőek erős tendenciák. A jövőben más talajféleségek vizsgálatát is el kívánjuk végezni, de a már említett okok miatt csak a körgyűrűnyíró-berendezésen végzünk majd méréseket.

10 80 Gonda Nóra Kántor Tamás Makó Ágnes Köszönetnyilvánítás A cikkben ismertetett kutatómunka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország fejlesztési terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Kézdi Á.: Talajmechanika I. Budapest, 1965, Tankönyvkiadó. [2] Kézdi Á.: Talajmechanikai praktikum. Budapest, 1972, Tankönyvkiadó. [3] Szepesházi Róbert: Geotechnika. Egyetemi jegyzet. Győr, 2008, Széchenyi István Egyetem. [4] Szabó I.: Kisszilárdságú kőzetek nyíróvizsgálatának kritikai elemzés. Kandidátusi értekezés. Miskolc, [5] Liu, S. H. Sun, De an Matsuoka, Hajime: On the interface friction in direct shear test. (