Különböző talajok egytengelyű nyomóvizsgálatai a tömörítettség és víztartalom függvényében. Szakdolgozat

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Környezetgazdálkodási Intézet Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék Különböző talajok egytengelyű nyomóvizsgálatai a tömörítettség és víztartalom függvényében Szakdolgozat Készítette: Veres István Műszaki Földtudományi Szakos hallgató Témavezető: Kántor Tamás Egyetemi tanársegéd Miskolc,

2 Eredetiségi Nyilatkozat Alulírott Veres István, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a diplomatervet /szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrásmegadásával megjelöltem. Miskolc, a hallgató aláírása

3 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Talajtani alapok Talajok keletkezése Talajok alkotórészei Talajok osztályozása Szemeloszlás Víztartalom Hézagtérfogat, hézagtényező Telítettség Konzisztencia határok Folyási határ Plasztikus határ Plasztikus index Zsugorodási határ Telítési határ Talajok tömöríthetősége Proctor-vizsgálat Tömörségi fok Tömörségi fok átszámítása a Proctor-vizsgálatok között Talajok összenyomódása és törőszilárdságuk Talajok konszolidációja Egytengelyű nyomókísérlet A mérési folyamat és az eredmények bemutatása Alkalmazott talajok, szemeloszlási görbék Talajok konzisztencia határai Víztartalom beállítása Mintakészítés művelete A kiindulási minták talajparamétereinek összehasonlítása Hézagtérfogat függése a víztartalomtól és tömörítő munkától Hézagtényező függése a víztartalomtól és a tömörítő munkától Telítettség függése a víztartalomtól és a tömörítő munkától Egytengelyű nyomókísérlet Törőfeszültség függése a víztartalomtól és a tömörítő munkától Az egytengelyű nyomókísérlet eredményeinek összehasonlítása Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék Mellékletek jegyzéke... 60

4 1. Bevezetés A talajmechanika egyik fontos vizsgálati területe a különböző talajfajták összenyomódási és törőszilárdsági paramétereinek a mérése, illetve vizsgálata. Ezekre számos vizsgálati módszer létezik a tudományágon belül, úgymint laboratóriumi, terepi mérések és szoftveres modellezés. Mindegyiknek az a célja, hogy minél több információt gyűjtsünk az adott területen található talajok törőszilárdsági-, összenyomhatósági paramétereiről, ami a későbbi számítási és modellezési számítások során a valósággal minél inkább megegyező eredményeket kaphassunk. Diplomatervem témavázlatának megalkotásakor célunk az volt, hogy olyan laboratóriumi vizsgálati vizsgálatsort állítsunk össze, amellyel különböző szemcseszerkezetű mezőgazdasági talajokon tudjak összehasonlító vizsgálatokat végezni a víztartalom, az előtömörítettség és a törőszilárdság függvényében. A feladatra 5 különböző helyről származó, különböző szemcse összetételű (szemnagyság) mezőgazdasági talaj került kiválasztásra. A vizsgálati módoknál a Miskolci Egyetem Környezetgazdálkodási Intézethez tartozó, Geotechnikai Talajvizsgáló Laboratóriumokban hozzáférhető, az általános geotechnikai gyakorlatban elfogadott vizsgálati módszereket alkalmaztam. Ezek a módszerek a konzisztencia határ meghatározás, Proctor-vizsgálat, szemeloszlási görbe, egytengelyű nyomókísérlet, speciális mintagyártó-tömörítő gép. Dolgozatomban a fent említett talajok, valamint az előbbiekben említett vizsgálati módszerek elméleti háttere, ill. a témához tartozó irodalmi áttekintés bemutatásra kerülnek. Vizsgálataim céljául azt tűztem ki, hogy a mérések során kapott eredményekkel megismerjem a különböző talajok szaturáció-, hézagtényező-, hézagtérfogat változását, valamint összehasonlításokat tudjak tenni a különböző talajok törőszilárdság változásai között a víztartalom és a előtömörítettség függvényében. Dolgozatomban bemutatom az egyes mérések eredményeit, jellemzem a talajfajtákat, valamint összehasonlításaimat grafikonos és táblázatos módon mutatom be, és megteszem a következtetéseimet, ill. javaslataimat a kapott eredmények alapján. 1

5 2. Talajtani alapok A talaj viselkedését nagyban befolyásolja azok keletkezésének módja (mállás, fizikai és kémiai szállítódás, stb.) és származása (vulkáni-, metamorf- és üledékes kőzetek). Ettől függ a szemcsék alakja, mérete valamint a szemcsék ásványos összetétele, szemeloszlása. A talajmechanikában a talajokat 3 fázisú diszperz rendszerként kezeljük, s a víz, levegő, ill. szilárd alkotórészek egymáshoz viszonyított arányával jellemezzük őket. Ebben a fejezetben ezek elméleti hátterét mutatom be Talajok keletkezése A szilárd kőzetek mállása útján jönnek létre a Föld felszínén és annak közelében előforduló talajok. Ezt a mállást okozhatják fizikai és kémiai hatások is, mint például a szilárd részecskék koptató hatása, hőmérsékletváltozás, jégkristályok feszítőereje, oxidáció stb. A mállásokat csoportosíthatjuk aszerint, hogy az reziduális (maradék) vagy szediment (üledékes). Az előbbi esetben a helyükön maradnak a mállott kőzetek, míg utóbbinál a keletkezési helytől távolabb szállítódnak el, és rakódnak le. Hazánkban a szediment talajok előfordulása a leggyakoribb, ezért a geotechnikában felmerülő problémák és kérdések is ezzel kapcsolatosak. A szediment talajoknál beszélhetünk vízi lerakódásokról, amikor is a hegységek lábánál levő törmeléket a gyors folyók magukkal ragadják, és továbbszállítják. A hordalék szétválasztódik nagyság szerint (dezintegrálódik): felső szakaszon: durva kavics, homok síkságon: finom homok tavakba ömlés helyén: iszap, kolloidális agyag A folyóvízben levő kolloid nagyságú részecskék leülepedés után geológiai hatásra vagy vízjárás megváltozásakor száraz területre kerülhetnek, de telítettek maradnak a felületi erők megkötése miatt. Továbbá megemlíthetők az eolikus lerakódások is, ahol a szárazföldi jellegű lerakódásokat a szél szállítása okozza. A hazánkban gyakori lösz is ilyen úton keletkezik. 2

6 Egy építkezésre szánt terület geológiája, keletkezési története értékes információt szolgáltat a talajról, annak veszélyeiről, így jó geotechnikai munkának előfeltétele ezeknek az előtanulmányoknak az elvégzése. [1] 2.2 Talajok alkotórészei A talajok legalább két halmazállapotú anyag keverékei. Ezt a diszperz rendszert szilárd, cseppfolyós és légnemű részecskék alkothatják, ahol a szilárd fázisban alkot rendszert a másik kettő fázis. A talajok tulajdonságait és változásait a részecskék eloszlása, nagyságuk, alakjuk, köztük levő kölcsönhatások és a külső hatásokból keletkező fázismozgások határozzák meg. Erők és erőterek alakulnak ki az azonos és a különnemű alkotók részecskéi között. Ezek az erőterek a talaj szilárdságát, alakváltozását és külső hatásra bekövetkező változását határozzák meg. [1] Az alkotórészek aránya meghatározza a talaj tulajdonságait, ezért ezeket számszerűen ismerni kell. Minden fázis térfogatát a minta össztérfogatához viszonyítunk, így kapjuk meg a talaj alkotórészeinek térfogatarányait: szemcsetérfogat (s): Ahol: V s : talajmintában található szemcsék térfogata V: össztérfogat víztérfogat (v): Ahol: V v : talajmintában található víz térfogata V: össztérfogat levegőtérfogat (l) Ahol: V l : talajmintában található levegő térfogata V: össztérfogat 3

7 Míg a szemcsetérfogat a tömörségre, addig a víztérfogat a talajnedvességre jellemző paraméter. Ahhoz, hogy a talajállapotot le tudjuk írni a térfogatarányokból, elég két paraméter ismerete, a harmadikat számolással is megkaphatjuk: A talajállapot egy ponttal jellemezhető egy háromszögdiagram segítségével. Ha a megfelelő talajállapotoknak megfelelő pontokat összekötjük egy vektorral, akkor a talaj állapotváltozása szemléletesen ábrázolható az 1. ábrán látható példának megfelelően. Ez az ábrázolási mód megoldást nyújt a fázisos állapot változásának szemléltetésére is, ha a térfogatarányokat megváltoztatjuk. [1][2] 1. ábra: A talaj fázisos összetételének ábrázolása háromszögdiagramban [2] 2.3 Talajok osztályozása A talajok főbb tulajdonságait feltérképezhetjük azzal, hogy a korábbi tapasztalatokat összegyűjtve osztályba soroljuk. Ez az osztályozás jellemző tulajdonságokon, paramétereken alapul. Új hazai talajosztályozási rendszer lépett életbe 2006-ban európai osztályozási szabványok alapján. A talaj megnevezése a szemcseösszetételen és a talaj-víz kapcsolaton alapszik. A talaj neve állandó jellemzőként működik. A szemcsés és kötött talajok osztályozásának módszere egymástól eltér. A szemcsés talajokat szemeloszlási görbe alapján nevezzük meg (mivel szemcseösszetételtől függ), a kötött talajokat pedig a plasztikus index alapján (a szemcse-víz kapcsolat határozza meg). 4

8 A megnevezés megállapítása a következők szerint történik az új MSZ alapján: szemeloszlás alapján, ha S 0,063 < 40 % és IP < 10 % plasztikus index alapján, ha S 0,063 > 40 % és IP > 10 % ha az előbbi kritériumok egymásnak ellentmondanak, akkor a döntésben a geológiai eredet és a szomszédos rétegek osztályozása segíthet Háromszögdiagram segítségével tudunk nevet adni szemcsés talajoknak, ezt a 2. ábra szemlélteti. Annak a tartománynak a nevét kapja a talaj, ahova az adatokból szerkesztett rá jellemző pontja esik. A kötött talajokat az 2. táblázatot felhasználva nevezhetjük el, amiben a középső oszlop tartalmazza az európai szabvány jelzőit, és az első oszlop határait minden nemzet maga rögzítheti. Ezt egy kiegészítő magyar szabvány megtette, amihez a harmadik oszlop régi hazai megnevezéseit kapcsolta hozzá. A szervességre is utalni kell a talajmegnevezésnél. Ezt az 1. táblázat mutatja be az új szabvány alapján. [3] Jellemzés Szervesanyag-tartalom ( 2 mm) tömegszázalékban Kissé szerves 2-6 Közepesen szerves 6-20 Nagyon szerves > táblázat: Szerves talajok megnevezése [saját szerkesztés] A szín megjelölésére is ki kell térni a megnevezésnél, mivel ez is a talajazonosítást segíti. 5

9 2. ábra: Szemcsés talajok megnevezése [3] 2. táblázat: Kötött talajok megnevezése [3] 2.4. Szemeloszlás A talajt alkotó szemcsék nagyságának és egyes kiválasztott szemcsehatárok közötti szemcsék tömegszázalékának a maghatározása a cél, amit a teljes halmaztömeghez viszonyítunk. Ez a 6

10 vizsgálat alkalmas talajosztályozásra, de akár a talaj várható viselkedéséről is kaphatunk információt általa. A vizsgálat végeredménye az úgynevezett szemeloszlási görbe, aminek azt mutatja egy pontja, hogy hány tömegszázalékban fordulnak elő egy adott szemcsénél kisebb szemcsék a vizsgált mintában. A szemeloszlási görbe egy integráló görbe. A szemcseméret tág határok közötti változása miatt logaritmikus léptékben ábrázoljuk. [4] A szemeloszlási görbe jellemző paraméterei (3. ábra): Egyenlőtlenségi mutató (C u ) Mértékadó szemcseátmérő (d m ) Hatékony szemcsenagyság (d h ) Az egyenlőtlenségi mutató az egyik legfontosabb paraméter. Jellemzi a szemeloszlás folytonosságát, és információt a talajok tömöríthetőségéről. Az egyszemcsés talajok nehezen tömöríthetők ellentétben a vegyes szemcséjű talajokkal, és ezt a C u (egyenlőtlenségi mutató) értékek különbsége jól mutatja. Kiszámítása: A mértékadó szemcseátmérő a megfolyósodó homokok jó mérőszáma. A hatékony szemcsenagyság a szemcse-víz kapcsolat viselkedésének jellemzésére használható. Ez a szemcsenagyság azzal a gömb átmérővel azonos, aminek a fajlagos felülete azonos a vizsgált talajéval. Megközelítőleg d h = d 10. [2] 3. ábra: Szemeloszlási görbe jellemző paraméterei [5] 7

11 A szemeloszlási görbe meghatározásának bemutatott módszerei, amit a 4. ábra is szemléltet: Szitálás Hidrometrálás Szitálást 0,1 mm-nél nagyobb szemcsék esetében alkalmazunk. Különböző lyukbőségű szitákat alkalmazunk. A szitasorozat legalsó helyére a legfinomabb lyukbőségű szita kerül, és erre kerülnek rá a további sziták, amiknek a lyukbősége az előző kétszerese. A szitasorozat legfelső szitájára tesszük a kiszárított talajt, majd addig rázzuk, amíg az áthullás tapasztalható. Az átesett anyag tömegét kiszámítjuk a fennmaradt anyag tömegéből. Ezután ábrázolhatjuk az átesett tömeget a bemért talaj tömegének százalékában kifejezve a szitára jellemző átmérő függvényében, amivel a szemeloszlási görbe megszerkeszthető. [6] Hidrometrálást alkalmazva egy areométert helyezünk az előkészített talaj-szuszpenzióba, ami az átlagos sűrűségnek megfelelően merül le. Ezt a sűrűséget úgy számítjuk ki, hogy a folyadékfázis és a benne lebegő anyag tömegösszege a teljes térfogattal képez hányadost. Az aktuális sűrűséget adott mélységtartományban mérjük az ülepedés során. Ahogy a szilárd szemcsék ülepednek, úgy hagyják el a mért tartományt és a sűrűség lecsökken a térrészben, így az ülepedés sebessége mérhetővé válik sűrűségméréssel. A módszer a Stokes-törvényen alapul, tehát gömb alakú szemcsékre érvényes, ezért korrekcióra van szükség a tényleges szemcseeloszlás megkapásához. Mérés során tetszőleges számú mintavételezést végezhetünk, ezért folyamatosan kaphatunk információt a szemcseméretről. [7] 4. ábra: Szitálás és hidrometrálás [2] 8

12 2.5 Víztartalom A víztartalom a talaj egyik állapotjelzője, ami annak nedvességtartalmára utal. A víz és szemcsék tömegének a hányadosa, tehát azt mutatja meg, hogy mekkora tömegszázalékban található víz a talaj szilárd részei között. A szilárd frakció tömegének meghatározásához a talajt 105 C-on kell kiszárítani, de ilyenkor a felületi erő által megkötött vizet nem veszíti el. A mérési eredmény csak a szárítási hőmérséklet és súlyállandóságig történő szárítás mellett lesz elfogadható, amire az 5. ábra ad példát. Ha ismerjük a szilárd anyag és a víz tömegét, akkor az alábbi képlettel számolhatjuk ki a talajminta víztartalmát: Ahol: w% = víztartalom m n = nedves anyag tömege m d = száraz anyag tömege [4][8] A víztartalom értékét a talaj tömörödése vagy lazulása nem befolyásolja, ezért zavart mintából is meghatározható, és nagymértékben meghatározzák a felületi erők. A legkisebb víztartalma a homokoknak van, 5% körüli, az agyagok víztartalma 20-30% között mozoghat, de a szerves talajoké akár % között is változhat. [2] T szárítási hőmérséklet 5. ábra: szerves talaj száradási folyamatábrája [1] 9

13 2.6 Hézagtérfogat, hézagtényező A hézagok mennyiségét a hézagtérfogat és hézagtényező jellemzi. Amikor a talajban levő hézagokat a talaj teljes térfogatához viszonyítjuk, akkor beszélünk hézagtérfogatról: Ahol: n: hézagtérfogat, V h : hézagok térfogata, V ö : összes térfogat. Hézagtényezőről akkor beszélünk, amikor a hézagok térfogatát a szemcsék térfogatához viszonyítjuk: Ahol: e: hézagtényező, V h : hézagok térfogata, V ö : szemcsék térfogata. A hézagtérfogat és hézagtényező értékét át lehet számolni egyikből a másikba, a köztük levő összefüggést a következő képletek írják le:, 10

14 2.7 Telítettség A telítettség (vagy szaturáció) alatt a talajmintában levő víz térfogatának a hézagok teljes térfogatához való viszonyát értjük. Zavartalan állapotú mintára van szükség a meghatározásához. Ahol: S: telítettség, V v : víztérfogat, V h : hézagok térfogata. [11] 2.8 Konzisztencia határok Az anyagi összefüggés mértékét értjük egy anyag konzisztenciáján. Konzisztencia állapotot talajoknál a következő jelzőkkel láthatjuk el: kemény, merev, képlékeny, folyós stb. (6. ábra). A víztartalmat használjuk a talajok konzisztenciájának jellemzésére. 6. ábra: Konzisztencia határok [1] 11

15 Amikor a talajhoz vizet adunk, akkor sűrű viszkózus folyadékként fog viselkedni, és lefolyik egy enyhe lejtőn is. Fokozatos szárítás közben, ahogy csökken a víztartalma, a talajminta más állapotokba megy át, képlékenybe, merevbe és keménybe. Nagyban eltérnek azok a víztartalmak, ahol egyik konzisztencia állapotból egy másikba lép át a talaj, így azok alkalmasak lesznek a talajok megkülönböztetésére, azonosítására, összehasonlítására. Az átmenet folyamatos, ezért a konzisztencia határokat bizonyos szinten önkényesen állapítják meg. A geotechnikában használatos konzisztencia határok: folyási határ (w L ) plasztikus határ (w p ) zsugorodási határ (w s ) telítési határ (w t ) Adott konzisztencia határon azt a víztartalmat értjük, ahol meghatározott tulajdonságokat mutat a talaj. A vizsgálatok során először előállítjuk a megfelelő állapotú talajt, majd megkérjük annak víztartalmát. A talajok osztályozására és a talajállapot jellemzésére használjuk a folyási és sodrási határt. A zsugorodási és telítési határ térfogat változási folyamat része, ahol előbbi hő hatására vizet ad le és csökken a térfogata, utóbbi vízfelvétel hatására megduzzad. [1] Folyási határ A folyási határnál azt a víztartalmat keressük, ahol a talaj meghatározott deformációt mutat egy adott munkával szemben. Ezt az állapotot akkor érjük el, amikor az összetartó erő megszűnik a szemcsék között a talajban, így a kohéziót elveszítve pépes, viszkózus anyaggá válik. Ahogy a korábbi 6. ábrán is látszik, a folyós és képlékeny állapot elválasztására szolgál. A folyási határ meghatározási módszerének eszközei: Casagrande-készülék Kúpos penetrométer [1][2] A 7. ábrán látható a Casagrande-készülék. Egy csészébe meghatározott mennyiségű talajt kenünk be, amibe egy árkolóval mélyedést húzunk. Ezután egy kart mozgatunk, ami a csészét 12

16 egy gumi talapzathoz ütögeti. Ennek hatására a talaj kezd összefolyni, és amikor eléri a 10 mm hosszúságot az összeért rész, meg kell határozni a talaj víztartalmát. [3] 7. ábra: Casagrande-készülék [saját szerkesztés] A mérést addig kell megismételni, amíg meg nem határozzuk az ütésszám és víztartalom kapcsolatát. A folyási határ víztartalmának számértéke a kapott diagramról ott olvasható le, ahol a talaj 25 ütésre folyik össze 1 mm hosszúságban (8. ábra). [3] 8. ábra: Ütésszám és víztartalom kapcsolata [9] 13

17 Csak akkor kaphatunk megbízható és reprodukálható eredményeket, ha kiküszöböljük a lehetséges hibaforrásokat és ügyelünk arra, hogy a mérések egységesek legyenek. A folyási kísérleteket terhelő hibákat a Földmérő és Talajvizsgáló Vállalat vette részletes vizsgálat alá, és felállítottak egy szabályrendszert, amit követve a hibák kiküszöbölhetők: Havonta egyszer ellenőrizni kell a készülék és árkoló kés méreteit. Egy napig pihentetni kell a vízzel átkevert talajmintát. A talajt át kell gyúrni, homogén talajra van szükség. El kell távolítani a 2 mm-nél nagyobb szemcséket. Át kell keverni a talajt vizsgálat előtt. Nem szabad állni hagyni a mintát 2 percnél tovább. Addig kell gyúrni az anyagot, hogy ne legyenek benne légbuborékok. Ügyelni kell arra, hogy megközelítőleg ugyanannyi anyagot keverjünk a csészébe, ami célszerűen 50 g. Az árkoló késsel húzott árok a csésze közepén legyen. Az ütéseket 2 Hz-cel végezzük. Az 1 mm-es összefolyást meg is kell mérni, nem elég a becslés. Amikor víztartalom mérésre veszünk ki anyagot, azt az árok környezetéből tegyük. Minden mérés után ki kell mosni a csészét, és ki kell törölni. Száraz anyag hozzáadással nem módosíthatunk víztartalmat. Nem engedhető meg extrapolálás a folyási egyenes megállapításánál. [10] A kúpos penetrométeres módszert az új európai szabványok ajánlják. Kúpos penetrométer a 9. ábrán látható. Ez a mérési módszer azon alapszik, hogy egy kúpot nyomnak a talajba, aminek a behatolásnak a mélységét mérik. A folyási határ az a víztartalom, ahol 5 másodperc alatt érünk el 10 mm behatolást (10. ábra). [3] 14

18 9. ábra: Kúpos penetrométer [2] 10. ábra: Kúp behatolás és víztartalom kapcsolata [2] Plasztikus határ Azt a víztartalmat, ahol a talaj képlékeny állapotból merev állapotba lép át, plasztikus határnak nevezzük. Ez a gyakorlatban akkor történik meg, hogyha a talajminta éppen azután kezd el töredezni, amikor elérjük sodrással a 3 mm-es vastagságot. [1] A kísérletet a folyási határ meghatározásával együtt célszerű végezni. Az anyagot tovább szárítjuk addig, míg nem válik jól sodorhatóvá. A mintát vékony szálakká sodorjuk egy nedvszívó papíron, majd a 3 mm-t elérve összehajtjuk a szálakat, ha azok még nem kezdtek el töredezni, és megismételjük a minta sodrását egészen addig, míg a töredezés a 3 mm-es vastagságnál jelentkezik. A plasztikus határhoz közeledve a sodrást üveglapon kell folytatni. 15

19 A minta vastagságának megmérésével ellenőrizzük a plasztikus határ elérését. Jellegzetes morzsolódásokat tartalmaz a 11. ábra. [10] 11. ábra: különböző talajok viselkedése sodrás közbe [10 alapján saját szerkesztés] A vizsgálat közben fellépő hibaforrásokat a következő szabályok betartásával lehet kiküszöbölni: Erősen átgyúrt, homogén talajt használjunk, amit a folyási határ megállapításához készítettünk elő. Azonos kéznyomást alkalmazzunk sodrás közben. A szárítás egyenletessége miatt üveg alátétlapot használjunk. Minden meghatározás között kezet kell mosni, hogy a minták ne keveredjenek össze egymással. A szálak átmérőjét méréssel is ellenőrizni kell. A lehető legrövidebb ideig szabad nyitva tartani az óraüveget a párolgás megelőzése miatt. A konzisztencia meghatározása klímahelyiségben készüljön. [10] Mérnöki vonatkozásban nagy jelentősége van a plasztikus határnak. Amikor ebben az állapotban van a talaj, várhatóan akkor a legkönnyebben és leggazdaságosabban 16

20 megmunkálható. A fejtések ilyenkor igénylik a legkisebb erőt, a földutak a legjobban járhatók, és a töltések tömörítése is a legkönnyebb. [2] Plasztikus index A folyási határ és a plasztikus határ víztartalmi különbségét nevezzük plasztikus indexnek (I p ). Képlettel: Kis plasztikus index a víz érzékeny talajokra jellemző, a nagy plasztikus index pedig nagy vízfelvevő képességet jelent. Ezekből a tulajdonságokból utalhatunk az agyagásványok mennyiségére és minőségére is. Arányosan növekszik a plasztikus index a finomszemcsék, de leginkább a kolloidok arányával. A plasztikus indexből a talajok kohézióját is megbecsülhetjük, ugyanis nagy plasztikus index magas kohézióval párosul. [1][2] Zsugorodási határ A felületi erők hatására változik a fázisos összetétel, így a térfogat is. Abban a mértékben csökken a térfogat szárítás hatására, ahogyan a víz eltávozik belőle. Ez a zsugorodás a talajrög felszínére működő kapilláris erőknek tudható be. Bizonyos víztartalmat elérve a kapilláris erők már nem tudják csökkenteni a talajminta térfogatát, ezért a zsugorodási határ az a víztartalom, amin túl szárítva a kezdetben telített talajt, az már nem változtatja a térfogatát. Minél finomabb szemcséjű a talaj, annál nagyobb a zsugorodás mértéke. [2][10] Meghatározása következő lépésekből áll: Elő kell állítani egy hengeres vagy kocka alakú telített talajrögöt a vizsgálandó anyagból, amit nekiállunk levegőn lassan szárítani. 6-8 alkalommal meghatározzuk a minta térfogatát és tömegét a száradási folyamat során. Miután elértük a légszáraz állapotot, szárítószekrényben 105 C-on kiszárítjuk, és meghatározzuk a száraz tömeget. Kiszámíthatók a víztartalmak és a hozzájuk tartozó térfogatok is ismertek. A zsugorodási határ meghatározásának képlete: 17

21 Ahol: V d : száraz anyag térfogata m d : száraz anyag tömege ρ s : talaj anyagsűrűsége ρ w : a víz sűrűsége [11] Telítési határ Annak a talajnak, amelyik vizet vesz fel, megnő a térfogata, elkezd duzzadni. Ha vízfelvétel közben a talaj elér egy adott víztartalmat, akkor átkeverés nélkül már nem képes több vizet magába szívni. Ezt a víztartalmat nevezzük telítési határnak. A vizsgálatot úgy hajtjuk végre, hogy elkészítünk egy folyási határ alatt levő talajmintát, amit utána levegőmentesen bedolgozunk egy porcelántálba úgy, hogy a felülete sima legyen. Ezt követően a mintára vizet csepegtetünk addig ismételve, amíg a víz már nem szivárog be a talajba. Amikor ezt az állapotot elértük, akkor értük el a telítési határt. Casagrande kimutatta, hogy a folyási- és telítési határ között összefüggés van. A kettő közti kapcsolatot a 12. ábra szemlélteti. [10] 12. ábra: A folyási- és telítési határ közti összefüggés [10] 18

22 3. Talajok tömöríthetősége A talajok tömörítésére azért van szükségünk, hogy a geotechnikai szempontból káros hatásokat kiküszöböljük. Például egy laza földtömeg könnyen át tud ázni, ezáltal lecsökkentve annak szilárdságát, és az áteresztőképessége is nagy lenne, aminek következtében könnyen megindulhat a szivárgás. Ha egy földtömeg lazán van beépítve, akkor a fagy és a beszivárgó víz hatására is bekövetkezhet az ülepedése. A laza földtömegre helyezett építmények megsüllyedhetnek. A tömörítés hatásai a talajt tekintve a következők: a nyírószilárdság megnő, a talaj teherbírása nagyobb lesz, az összenyomhatóság lecsökken, az áteresztőképesség kisebb lesz. A megfelelő hatékonyságú tömörítéshez megfelelő talaj, optimálishoz közeli víztartalom és megfelelő tömörítési technika szükséges. [12] 3.1 Proctor-vizsgálat A Proctor-vizsgálat alapelveit az 1930-as években határozták meg, amikor a talajok tömöríthetősége és tömörsége kérdéssé vált a kaliforniai gátépítések során. A vizsgálatot a feltalálójáról, Ralph Roscoe Proctor tiszteletére nevezték el. A vizsgálat során meghatározzuk azt a vízmennyiséget, ami az ideális tömöríthetőség eléréséhez szükséges, és a maximális térfogatsűrűséget, amit szabványos ütőmunkával érhetünk el. [13] Kétféle vizsgálati módszer terjedt el, egy Magyarországon korábban alkalmazott egyszerűsített és egy újabban előírt módosított Proctor-vizsgálat. Ennek a két módszernek az összehasonlítását és eltéréseit a 13. ábrán lehet látni. 19

23 13. ábra: Proctor-vizsgálat módszereinek összehasonlítása [2] A módosított Proctor-vizsgálat során előre beállított víztartalmú talajokkal dolgozunk. A talajt a szabványos méretű mintatartóba öt azonos vastagságú rétegben, rétegenként 25 ütéssel tömörítjük be, ahol az ütőmunkák megegyeznek, ami nem csak az ütés energiájának (2,65 kj/dm 3 ), hanem az ütések elhelyezkedésének szabványosítását is jelenti (14. ábra). [2] 14. ábra: Az egymást követő ütések helyzete egy talajrétegen [13] A műveletet eltérő víztartalmak mellett ismételjük meg annyiszor, hogy a kapott eredményekből a Proctor-görbét ábrázolni tudjuk a térfogatsűrűség és víztartalom függvényében. A 15. ábra egy ilyen görbét mutat be [2]: 20

24 15. ábra: Proctor-görbe [saját szerkesztés] Gyakorlati szempontból a diagramban kapott görbének három fő része van: száraz oldali ág, optimális víztartalom és maximális száraz térfogatsűrűség pontja, nedves oldali ág. A száraz oldali ágra az a jellemző, hogy amikor a víztartalmát növeljük, megnövekszik a szemcsék körüli vízfilm vastagsága. Ez megkönnyíti a szemcsék elmozdulását és átrendeződését. Száraz oldalon nagyobb az áteresztőképesség és nagyobb a szilárdság is a nedves oldalhoz képest, és összenyomhatóság szempontjából is különbség tapasztalható. Száraz oldalon kis feszültségtartományban kevésbé, nagyobb feszültségtartományban jobban összenyomható a talaj, míg nedves oldali ágon nem igazán függ az összenyomhatóság a feszültségektől. Az optimális víztartalom tömörítés szempontjából a legideálisabb állapot. Nedves oldalon talajban reked a megnövekedett víztartalom miatt a levegő buborék formájában, és ez a levegő döngölés hatására sem távozik el, a talaj rugalmassá válik. A különböző talajtípusokra jellemző Proctor-görbéket a 16. ábrán láthatunk. 21

25 16. ábra: Különböző talajok Proctor görbéi [10] 3.2 Tömörségi fok A tömörséget azért kell ellenőrizni, hogy megfelelő állapotú legyen a talaj, amivel dolgozunk. Ennek a minősítésére használt paramétert hívjuk tömörségi foknak, ami az adott talaj száraz térfogatsűrűsége és a maximális térfogatsűrűség viszonyát fejezi ki. Képlettel: Ahol: T rρ : tömörségi fok (%) ρ d : a száraz térfogatsűrűség mért értéke ρ d max : Proctor-vizsgálattal meghatározott legnagyobb száraz térfogatsűrűsége Legtömörebb állapotról akkor tudunk beszélni, amikor a száraz térfogatsűrűség mért értéke a vizsgálattal meghatározott maximális értékkel megegyezik, ekkor a T rρ = 100%. A leglazább állapotnak az értékei T rρ = % érték körül mozognak. [3][6][13] 22

26 3.3 Tömörségi fok átszámítása a Proctor-vizsgálatok között A tömörségi fokot át lehet számítani az egyszerűsített- és a módosított Proctor-vizsgálatból kapott eredményekből. Az átszámítási szorzó meghatározásához szükség volt a kétféle vizsgálati módszert ugyanazon a talajon egy időben elvégezni a 17. ábrához hasonlóan. A két Proctor-vizsgálatból kapott legnagyobb száraz sűrűségek aránya adja meg az átszámítási szorzót: Ahol: β: átszámítási szorzó ρ d max-s : az egyszerűsített Proctor-vizsgálattal meghatározott legnagyobb száraz térfogatsűrűsége ρ d max-m : a módosított Proctor-vizsgálattal meghatározott legnagyobb száraz térfogatsűrűsége Miután megkaptuk a β értékét, a tömörségi fokokat az alábbi képletekkel könnyen kiszámolhatjuk: Ahol: T rd-m : Tömörségi fok módosított Proctor-vizsgálatnál T rd-s : Tömörségi fok egyszerűsített Proctor-vizsgálatnál Az alábbi 17. ábrán jól látható a munkavégzések nagyságának hatása is a görbék elhelyezkedéséből. Míg a száraz oldali ágak egymással közel párhuzamosak, a nedves oldalon közelítik a telítési vonalat. Ugyanakkor intenzívebb tömörítés esetén csökken az optimális víztartalom. 23

27 17. ábra: Az egyszerűsített- és módosított Proctor-vizsgálat eredménye [14] Ahogy növeljük a víztartalmat, egyre kevesebb tömörítési munka kell a nedves oldalon, és ezzel az elérhető tömörség is egyre kisebb. Ha nagyobb tömörítő munkát alkalmazunk a laboratóriumi körülmények közöttinél, akkor a helyszíni optimális víztartalom kisebb lesz a laboratóriuminál. Az előzőekből következik, hogy ez a két mérési módszer tovább bővíthető lehetne, tehát egy választás, egy megállapodás a jelenleg alkalmazott egyszerűsített- és módosított Proctor-vizsgálat. [14] 24

28 4. Talajok összenyomódása és törőszilárdságuk A talajra átadott terhelés feszültségek kialakulását és alakváltozásokat okoz. A talaj tulajdonságaitól, az alkotórészek arányától, a terhelés nagyságától, annak sebességétől és eloszlásától függ az összenyomódás mértéke és időbeli folyamata. Ennek négy összetevője: azonnali összenyomódás (átrendeződik a szemcseváz), elsődleges konszolidáció (kinyomódik a pórusvíz és póruslevegő), másodlagos összenyomódás (finom szemcsék felszínén levő, mozgást lassító erők hatása), oldalkitérés (oldalirányban elmozdul a szemcseváz). [1] Talajok konszolidációja mellett fontos paraméter még azok nyomószilárdsága (törőszilárdsága) is. Ezek mérésre több féle módszer is rendelkezésünkre áll, mint pl. triaxiális-, egytengelyű- és nyíró kísérlet. Ezek közül vizsgálataim során az egytengelyű nyomókísérleteket használtam. Ebben a fejezetben ezeknek az elméleti hátterét mutatom be. 4.1 Talajok konszolidációja Ha terhelünk egy talajt, akkor a vázszerkezetében kialakuló feszültségek hatására a pórusok leszűkülnek. A víznyomás az összenyomódó pórusokban megnő, és az eltérő nyomású pontok között vízáramlás alakul ki. A talaj, ha erő hatására nem tud kitérni telített talajok esetében, akkor az összenyomódás a vízáramlás függvénye lesz. Gyors áramlás alakul ki nagy pórusú szemcsés talajokban, ezért szinte azonnal kiegyenlítődhet a pórusvízben keletkező többletnyomás, és zavartalanul lejátszódhat az összenyomódás. Amikor egy talaj rossz vízáteresztő-képességű, akkor időben elhúzódva játszódik le a jelenség a lassú áramlás miatt. A terhelés hatására meginduló vízmozgás és az összenyomódás időbeli lefolyását nevezzük konszolidációnak. Az átlagos konszolidáció fokának és az időfüggvény összefüggését a 18. ábra mutatja be. 25

29 18. ábra: A konszolidációs fok és az időfüggvény kapcsolata [6] Konszolidációs fokkal jellemezhetünk egy adott időpontig bekövetkező konszolidációt: Ahol: χ: konszolidációs fok, Δh t : t időpontig bekövetkezett összenyomódás, Δh : teljes összenyomódás. [6] 4.2 Egytengelyű nyomókísérlet Az egytengelyű nyomókísérletet csak kohézióval rendelkező talajoknál tudjuk elvégezni. A kísérlet során hengeres mintát készítünk a talajból, amire tengelyirányban egyre növekvő központosan ható terhelést adunk, és ezt addig fokozzuk, amíg a minta eltörik. A mérés megkezdéséhez a mintát elő kell készíteni (20. ábra). Ez a következő lépésekből áll: fenéklemez elhelyezése, alsó szűrőkő elhelyezése, talajminta elhelyezése, felső szűrőkő elhelyezése terhelést átadó elem felhelyezetése a felső szűrőkőre, cella összeszerelése, 26

30 terhelőrúd leeresztése, összeszerelt cella behelyezése a mérőberendezésbe. A kísérlet közben mérhetjük az eltelt időt, a mintára ható terhelőerőt, a függőleges és vízszintes deformációt. Mohr-féle ábrázolásban az egyirányú nyomás érinti a τ tengelyt, mivel zérus a második főfeszültség értéke. Számtalan Coulomb-féle egyenes rajzolható ehhez a féle Mohr-körhöz (19. ábra), ezért a nyírószilárdsági paramétereket nem tudjuk belőle meghatározni, viszont a mintatest eltörése után a belsősúrlódási szög és kohézió ismeretében a mintatest nyomószilárdsága kiszámolható: Ahol: σ ny : egyirányú nyomószilárdság, ϕ: belsősúrlódási szög, c: kohézió. 19. ábra: Az egytengelyű nyomókísérletből meghatározott Mohr-kör [6] A talajok valódi nyomószilárdságával nem azonos ez a nyomószilárdság, mert az a geometriai mérettől és a terhelés felhordási sebességétől is függ. Ellenben a talaj konzisztenciájának jellemzésére fel lehet használni ezt a σ ny értéket. 27

31 20. ábra: Talajminta előkészítése egytengelyű nyomókísérlethez [saját szerkesztés] A talajok jellegzetes töréssel törnek el (20. ábra), a térfogatuk eközben csak kismértékben változik. Egy vagy két csúszólap mentén törnek el a ridegebb merev talajok, míg a puhább, nagy víztartalmú talajok plasztikusan, határozatlanul mennek tönkre. [1][6] 20. ábra: Jellegzetes törési képek [6] 28

32 5. A mérési folyamat és az eredmények bemutatása A korábban ismertetett mérési eljárásokat alkalmaztam a vizsgálataim során. Meghatározásra kerültek az egyes talajok konzisztencia határai, azok megnevezéseik szemeloszlás és plasztikus index alapján, a vizsgálatokra beállított víztartalmak, tömörítő erők és az egytengelyű nyomókísérlet eredményei. Röviden bemutatom azt, hogy milyen talajokat alkalmaztam az előző fejezetekben ismertetett paramétereket felhasználva. A mérések megtervezésénél az egyik fő szempont az volt, hogy több eltérő tulajdonságú talajjal végezzem el a kitűzött feladatot. A minták közé vegyesen kerültek homokos, iszapos, agyagos, valamint ezek kombinációjából álló, eltérő szemcseméretű talajok. Az egytengelyű nyomókísérletre szánt minták elkészítéséhez öt talajt választottam ki. Minden talajt három különböző víztartalmú állapotra állítottam be, és minden ilyen beállított talajt három különböző tömörítő erő mellett készítettem elő mérésre. Az esetleges mérési hibák kiküszöbölése érdekében három ismétlés volt szem előtt tartva, így összesen az egytengelyű nyomókísérletre tervezett minták száma 135 lett. Az 1. mellékleten megtekinthetők ezeknek a mért és számolt talajfizikai paramétere. 5.1 Alkalmazott talajok, szemeloszlási görbék A mérésekhez felhasznált talajok a 21. ábrán látható Miskolc környéki területekről származnak: Mád Mályi Megyaszó Nyírtelek Taktaharkány 29

33 21. ábra: A talajok származási helye [Saját szerkesztés] Az öt kiválasztott talaj mindegyikét egy-egy kódnévvel láttam el (3. táblázat), és a későbbiekben az egyszerűség kedvéért ezekkel a kódnevekkel hivatkozom a talajmintákra. Származási hely Mád Mályi Megyaszó Nyírtelek Taktaharkány Minta jelölésének neve BE MA MSZ NYT TH 3. táblázat: Talajminták jelölésének a neve [saját szerkesztés] Az előző megnevezéseket használva a még mérésre elő nem készített nyers talajminták a 22. ábrán és a 23. ábrán láthatók. 30

34 22. ábra: A nyírteleki és a megyaszói talajminta [saját szerkesztés] 23. ábra: A mádi bentonit, a taktaharkányi és a mályi talajminta A mérési folyamat során a talajok várható viselkedésére a talajok osztályozásából nyerhetünk előzetes információt. A talajosztályozáshoz szükséges szemeloszlási görbéket a 24., 25., 26., 27. és 28. ábrák szemléltetik: 31

35 24. ábra: NYT-talajminta szemeloszlási görbéje [15] 25. ábra: MA-talajminta szemeloszlási görbéje [15] 32

36 26. ábra: TH-talajminta szemeloszlási görbéje [15] 27. ábra: MSZ-talajminta szemeloszlási görbéje [15] 33

37 28. ábra: BE-talajminta szemeloszlási görbéje [15] A szemeloszlási görbék alapján a 4. táblázatban megfigyelhető mennyiségben fordulnak elő a különböző méretű talajszemcsék. Minta jele Homok [%] Iszap [%] Agyag [%] NYT MA TH MSZ BE táblázat: A talajminták homok-, iszap- és agyagtartalma [saját szerkesztés] A talajok már korábbi laboratóriumi vizsgálatokon átesett formában képezték a mérések kiindulási állapotát. Természetes makro struktúrájukat részben elvesztették, és a bemutatott szemeloszlási görbék erre vonatkoznak. Szerves anyag tartalmuk és természetes nedvesség tartalmuk a tárolás következtében eltolódott és nem ismeretes. 34

38 Az adatokat felhasználva a következők szerint lehet elnevezni a mérésekre szánt talajmintáinkat: NYT: barna nyírteleki agyagos homokos-iszap, MA: barna mályi iszap, TH: szürke taktaharkányi agyagos iszap, MSZ: szürkés-barna megyaszói homokos-agyagos iszap, BE: sárga mádi iszap. 5.2 Talajok konzisztencia határai A folyási határ meghatározásához az egyes talajmintákban levő 2 mm-nél nagyobb szemcséket ki kellett szűrni (29. ábra) azért, hogy a mérési eredményeket ne befolyásolják a halmaztól eltérő nagyobb méretű szemcsék. Ehhez 2 mm lyukátmérőjű szitát használtam. 29. ábra: talajminta átszitálása konzisztencia vizsgálathoz [saját szerkesztés] A mérési folyamat során négy-öt egymástól eltérő víztartalom mellett mértem azt az ütésszámot, amikor is 10 mm hosszan ér össze a mérni kívánt talajminta. Az eredmények táblázatosan az 5. táblázatban, grafikusan a 30., 31., 32., 33. és 34. ábrán láthatók. 35

39 NYT Ütések száma Víztartalom [%] 25,94 26,37 27,06 27,36 - MA Ütések száma Víztartalom [%] 55,21 57,2 59,15 63,91 - TH Ütések száma Víztartalom [%] 52,27 53,02 56,48 58,76 - MSZ Ütések száma Víztartalom [%] 36,58 37,28 39,18 41,72 44,65 BE Ütések száma Víztartalom [%] 76,15 76,91 78,69 79,45 80,03 5. táblázat: Cassagrande-kísérlet eredményei [saját szerkesztés] 30. ábra: NYT-talajminta folyási konzisztencia határa [saját szerkesztés] 31. ábra: MA-talajminta folyási konzisztencia határa [saját szerkesztés] 36

40 32. ábra: TH-talajminta folyási konzisztencia határa [saját szerkesztés] 33. ábra: MSZ-talajminta folyási konzisztencia határa [saját szerkesztés] 34. ábra: BE-talajminta folyási konzisztencia határa [saját szerkesztés] A 25 ütésszámhoz tartozó víztartalmakat a grafikonokról akár le is olvashatjuk, de a pontos értékeiket a megszerkesztett egyenesek egyenleteiből ki tudjuk számolni, ha az x helyére a 25-öt behelyettesítjük. Az így kapott folyási határok a 6. táblázatban láthatók: 37

41 Minta jele Folyási határ [%] NYT 26,85 MA 55,94 TH 58,49 MSZ 39,68 BE 78,11 6. táblázat: talajminták folyási határai [saját szerkesztés] A plasztikus határok meghatározása a talajminták sodrásával történt (35. ábra). Amikor a hengeres talajminta 3 mm-nél kezdett el töredezni, akkor értem el a plasztikus határt, így ezt az állapotot elérve megmértem azoknak a víztartalmát, és a következő eredmények születtek (7. táblázat): Minta jele Plasztikus határ [%] NYT 19,29 MA 27,48 TH 26,69 MSZ 21,48 BE 29,41 7. táblázat: talajminták plasztikus határai [saját szerkesztés] 35. ábra: Talajminta sodrása plasztikus határ meghatározásához [saját szerkesztés] A folyási- és plasztikus határ ismeretében információt kapunk az egyes talajok plasztikus indexéről, és a kötött talajok osztályozása alapján meghatároztam azok elnevezéseit a 8. táblázatban: 38

42 Minta jele Plasztikus index Elnevezés NYT 7,66 nem plasztikus agyagos homokos-iszap MA 28,46 közepes plaszticitású közepes agyag TH 31,18 nagy plaszticitású kövér agyag MSZ 18,02 közepes plaszticitású sovány agyag BE 48,7 nagy plaszticitású kövér agyag 8. táblázat: talajok elnevezése a plasztikus indexük alapján A zsugorodási határ kiszámolásához szükség volt egy ismert térfogatú hengeres mintatestre, amibe a talajmintákat beletöltöttem. Miután az ismert térfogató hengeres talajminták elkészültek, bekerültek a szárítószekrénybe, és a kiszárítás után megmértem a tömegüket. Ezek után a zsugorodási határt a következő képlet segítségével tudtam kiszámolni: Ahol: w s %: a zsugorodási határ, V t : a talajminta térfogata, m 0 : a talajminta száraz tömege, ρ 0 : a talaj sűrűsége. A 9. táblázat az előzőek alapján kiszámolt zsugorodási határokat tartalmazza: Minta jele Zsugorodási határ [%] NYT 10,26 MA 18,47 TH 27,17 MSZ 13,22 BE 27,87 9. táblázat: talajminták zsugorodási határai [saját szerkesztés] A két különböző víztartalomtól függő talajparaméter (Proctor- és konzisztencia paraméter) között összehasonlító vizsgálatokat végeztem. A Geotechnikai Talajvizsgáló Laboratórium 39

43 mérési jegyzőkönyvei alapján összegyűjtöttem az egyes talajok Proctor-görbéit, majd laboratóriumban elvégeztem ezen talajok konzisztencia határainak meghatározását, és az előzőleg bemutatott eredményeiket összehasonlítottam a Proctor-görbékkel. Az összehasonlító vizsgálat eredményeit a 36., 37., 38., 39. és 40. ábrákon láthatjuk. 36. ábra: NYT-talajminta Proctor-görbéje és konzisztencia határai [saját szerkesztés] 37. ábra: MA-talajminta Proctor-görbéje és konzisztencia határai [saját szerkesztés] 40

44 38. ábra: TH-talajminta Proctor-görbéje és konzisztencia határai [saját szerkesztés] 39. ábra: MSZ-talajminta Proctor-görbéje és konzisztencia határai [saját szerkesztés] 41

45 40. ábra: BE-talajminta Proctor-görbéje és konzisztencia határai [saját szerkesztés] Az alapfeltevés az volt, hogy az egyes talajok zsugorodási határának, valamint Proctorgörbéiről leolvasható optimális víztartalmának közel egybe kell esnie. Vizsgálatom során kiderült, hogy a nagyobb szemcséket tartalmazó NYT talajok esetén a zsugorodási határ az optimális víztartalom alá esett (w s = 10,26 % és w opt = 12,6 %, ez 2,34 %-os különbség). A köztes MSZ vályogos talajnál ez az érték igazolta az alapfelvetést (w s = 13,22 % és w opt = 13,3 %, ez 0,07 % különbség), míg a nagy agyagtartalmú talajok esetén a sodrási értékek a Proctor-görbe nedves oldalára estek, és az eredmények alapján az optimális víztartalomtól nagy eltérések tapasztalhatóak. A vizsgálatokból jól látszik, hogy kevertebb szemcseszerkezet esetén működik a teória, nagyobb szemcsék esetén ez a száraz oldalra tolódik, finomabb szemcsék esetén pedig a nedves oldalra. 5.3 Víztartalom beállítása Az egytengelyű nyomókísérletnél alkalmazott víztartalmak kiválasztása a következők szerint történt. Minden talajnál három, egymástól eltérő víztartalom került beállításra, aminek a kiinduló állapotát az egyes talajok optimális víztartalma adta meg. A következő víztartalmak beállításához azt vettem figyelembe, hogy az optimális víztartalom 95 %-a milyen víztartalmaknál metszi el a Proctor-görbét (10. táblázat). 42

46 Ez a választott módszer csak a NYT-talajminta mérését tette lehetővé, mert amikor az optimális alá csökkentettem a víztartalmat, a többi talaj nem volt eléggé állékony ahhoz, hogy kivitelezhető legyen rajtuk az egytengelyű nyomókísérlet. Ezért ott ettől eltérő víztartalom beállítást használtam (11. táblázat): az optimális víztartalmat megtartottam kiinduló állapotnak, majd először 5 %-kal, utána pedig 10 %-kal növeltem meg a víztartalmukat. Minta jele Kiinduló (optimális) víztartalom [%] Optimális víztartalom 95 %-a a száraz oldalon Optimális víztartalom 95 %-a a nedves oldalon NYT táblázat: NYT-talajminta víztartalmának beállítása [saját szerkesztés] Minta jele Kiinduló (optimális) víztartalom [%] Optimális víztartalom + 5 % [%] Optimális víztartalom + 10 % [%] MA TH MSZ BE táblázat: MA, TH, MSZ és BE talajminták víztartalmának beállítása [saját szerkesztés] A megfelelő víztartalmak beállításának folyamata a nyers talajminta víztartalmának kiszámolásával kezdődik. Ehhez a mintát szárítószekrényben kell kiszárítani, majd a nedves és száraz anyagtömegből meghatározható a minta eredeti víztartalma. Ezt követően, ismerve a víztartalmat, a mérésre szánt nagyobb mennyiségű talajminta száraz tömegét ki lehet számolni a következő képlettel: Ahol: m sz : száraz minta tömege, m n : a nedves talajminta tömege, w: kiinduló víztartalom. 43

47 A minta száraz tömegének kiszámolása után a kívánt víztartalom mennyiségét felhasználva kapjuk meg a mérésre előkészíteni kívánt talajunk nedvesítés utáni tömegét, a következő képletet felhasználva: Ahol: m n : kívánt víztartalmú talaj tömege, m sz : a száraz minta tömege, w: beállításra szánt víztartalom. 5.4 Mintakészítés művelete A tömörítést a TXM-V1-STC-07-V típusú géppel hajtottam végre (41. ábra). 41. ábra: TXM-V1-STC-07-V típusú tömörítő gép [saját szerkesztés] A folyamat során egyszerre három talajminta került a tömörítő gépbe, ehhez szükség volt egy megfelelő mintatartóra (42. ábra), ami ezt lehetővé tette. A mintatartó felülete a gép nyomófej 44

48 felületének a fele volt, ezért a nyomás beállításánál a gép kijelzőjén szereplő érték eléréséhez az azon szereplő nyomás felét kellett alkalmazni. 42. ábra: mintatartó tömörítő géphez [saját szerkesztés] A tömörítés minden esetben 50 percig tartott, és három különböző állandó nagyságú nyomáson is elvégeztem: 1, 3 és 5 bar-on (43. ábra). 43.ábra: A tömörítési folyamat során a feszültségek és az idő kapcsolata [saját szerkesztés] 45

49 A tömörítési idő leteltével a mintákat óvatosan kiszedtem a mintatartóból (44. ábra), és ezzel a minta el is készült egytengelyű nyomókísérlet mérésre. 44. ábra: A mérésre kész talajminták [saját szerkesztés] 5.5 A kiindulási minták talajparamétereinek összehasonlítása A mintagyártást követően a minta paramétereiből kiszámításra kerültek a 2. fejezetben említett talajparaméterek, ezek alapján összehasonlításokat végeztem ezek változásáról a víztartalom és tömörítő munka tekintetében. A következőekben ez kerül bemutatásra. A számolt eredményekből tömörítő feszültség és talajparaméter grafikonokat készítettem, melyeken ábrázoltam a kiszámított értékeket. Az egyes eredményeket és azok átlagértékeit ábrázoltam grafikonon. Ezekre lineáris illesztést alkalmaztam, amelynek alapképlete y=a*x+b. Az a egyenlő a tgα, azaz az illesztett egyenes x -hez viszonyított dőlési szögével, b additív tag pedig a 0 terheléshez tartozó talajparaméter. A későbbiekben bemutatott összehasonlítás alapja a tgα multiplikatív tag. Az ezekhez tartozó eredményeket az alábbiakban mutatom be. Az illesztett grafikonok a 2. mellékletben vannak csatolva Hézagtérfogat függése a víztartalomtól és tömörítő munkától A hézagtérfogat (porozitás) a talajokban lévő hézagok arányát mutatja a minta össztérfogatához képest, és mivel tömörítés hatására a szemcseszerkezet átalakulása miatt a pórusok térfogata csökken, ezáltal a hézagtérfogat is tömörítés hatására csökkenő tendenciát kell, hogy mutasson, ami jól látszik az alábbi 45. és 46. ábrákon is. 46

50 45. ábra: NYT-talajminta a hézagtérfogat és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] 46. ábra: TH-talajminta a hézagtérfogat és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] Az ábrák kiválasztásánál törekedtünk arra, hogy a legnagyobb homok és legnagyobb agyagtartalmú talaj eredményeit mutassuk be, mivel itt látszik leginkább a tömörödések közötti különbség. Míg a homokosabb talaj esetén a megnövelt tömörítési fok kisebb volt, addig a nagy agyagtartalmú talaj esetén nagyobb dőlési szöget, ezáltal nagyobb tömörödést kaptam. 47

51 12. táblázat: Talajfajták tgα értékei a hézagtérfogatra vonatkozóan [saját szerkesztés] Figyelembe véve az összes vizsgált talajfajtát és víztartalmat a 12. táblázatban megadtam a vizsgált talajfajták tgα eredményét. Hézagtérfogatok tgα értékei Legkisebb víztartalmú állapot Közepes víztartalmú állapot Legnagyobb víztartalmú állapot NYT -0,0006-0,0051-0,0095 MA -0,0001-0,0083-0,0153 TH -0,0068-0,0154-0,0291 MSZ -0,0164-0,0246-0,0245 BE -0,0048-0,0120-0,0186 Ezekből jól látszik, hogy a homokosabb talajból az agyagosabb felé valamint a száraztól a nedvesebb talaj felé egyre nagyobb tömörítő hatás mutatkozik, jobban tömörödik a talaj Hézagtényező függése a víztartalomtól és a tömörítő munkától A hézagtényező a hézagok arányát mutatja a szemcsék térfogatához képest, és amiért tömörítés hatására ezeknek a hézagoknak a térfogata lecsökken, mialatt a szemcsetérfogat nem változik, ezért tömörödés hatására a hézagtényezőnek is csökkennie kell, ami a 47. és 48. ábrán is tapasztalható. 47. ábra: NYT-talajminta a hézagtényező és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] 48

52 48. ábra: TH-talajminta a hézagtényező és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] A jól látható tömörödési különbségek miatt választottam a leghomokosabb és legagyagosabb talajt bemutatásra. A hézagtérfogathoz hasonlóan a homokosabb minta ebben az esetben is kisebb mértékben volt tömöríthető, míg az agyagosabb minta nagy dőlésszöge alapján jól tömörödött a tömörítő munka növelésével. Hézagtényezők tgα értékei Legkisebb víztartalmú állapot Közepes víztartalmú állapot Legnagyobb víztartalmú állapot NYT -0,0021-0,0016-0,0247 MA -0,0008-0,0415-0,0753 TH -0,0330-0,0809-0,1603 MSZ -0,0791-0,1258-0,1140 BE -0,0430-0,1041-0, táblázat: Talajfajták tgα értékei a hézagtényezőre vonatkozóan [saját szerkesztés] A homokosabb talajból az agyagosabb felé és a száraztól a nedvesebb talaj felé egyre nagyobb tömörítő hatás mutatkozik, és ez jól látható a 13. táblázatban is Telítettség függése a víztartalomtól és a tömörítő munkától A telítettség talajparaméter a talajban levő víz térfogatát viszonyítja a hézagok térfogatához. Tömörítés hatására a hézagokból a levegő eltávozik, de a víz térfogata nem változik, ezáltal várhatóan a telítettség értékek növekedni fognak, ha a tömörítő erőt és a víztartalmat együtt 49

53 növeljük. Ez a tendencia megfigyelhető a 49. és 50. ábrán. Alacsonyabb víztartalom mellett közel zérus a tgα változása, de a víztartalom megnövelésével, ahogy a tömörítő erő is nő, úgy növekszik a telítettség is. 49. ábra: MA-talajminta a telítettség és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] 50. ábra: MA-talajminta a telítettség és a tömörítési erő függvényében [saját szer.] 50