Buzgár és liquefaction

Átírás

1 Buzgár és liquefaction Dr. Nagy László BME Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék Évről-évre többet tudunk meg a buzgáros talajtörés folyamatáról. A hazai kutatások a hetvenes évek jó indítása után abbamaradtak. Nem így a külföldi vizsgálatok, melyek az ezredforduló után az elméleti megközelítést 1:1 modell kísérletek egészítették ki. Magyarországon hosszú éveken keresztül a megnyugtató védekezésen volt a hangsúly. A szakmai publikációk is csak néhány esettanulmány bemutatására szorítkoztak (Horváth, Nagy 1998, 1999,, 3, stb). A buzgárokkal kapcsolatos hazai vizsgálatoknak az 1998 óta tartó rendszeres adatgyűjtés, a buzgárból kimosott talaj elemzése jelentette (Nagy 14). Ezeken is túlmutat a buzgáros talajtörés és a földrengéskor kialakuló megfolyósodás (liquefaction) összehasonlításával foglalkozó jelen közlemény. A hidraulikus gradiens, a helyszínen lévő talaj jellemzői (benne hangsúlyozottan a szemeloszlás) és a hozzá kapcsolódó rétegződés lehet az a koordináta rendszer, ami közelebb visz a buzgár jelenség megismeréséhez. Mindhárom tényező szerepe fontos abban, hogy adott környezeti feltételek mellett a buzgár beindul. Buzgár kialakulásának három feltétele tehát a talajrétegződés, víznyomás, hidraulikus gradiens, szemeloszlás, mint a talajréteg legfontosabb paramétere. Mind a három kritérium alapvető fontosságú, de mint látjuk nem szabad misztikusan kezelni ezeket. Az árvízszintek emelkedésével adott gátnál finoman nő a hidraulikus gradiens értéke. A szemeloszlás azokat a talajokat mutatja meg, melyek a legkisebb hidraulikus gradienssel elmoshatók. A rétegződés ugyan adott, de nincs pontos (legalább deciméter pontosságú) információnk a helyzetéről. Ilyen körülmények között minden buzgár megjelenése a biztonság, a biztonsági tényező kimerülését mutatja. További feltétel lehet az árvíz tartóssága, ami csak konkrét árvízvédekezéskor jelentkezik, ugyanis az elméleti megközelítés mindig statikus vízszintet és az ehhez tartozóan kialakult szivárgási áramképet tételez fel. A nyugati szakirodalom nevesít még egy feltételt, a buzgárosodó talaj feletti önhordó talajréteget, azonban ez egyrétegű buzgár esetén nem szükséges feltétel.

2 1. kép Az évi dombrádi buzgár körülzárása és a kimosott anyag kúpja a vízszint csökkenése után. A képen jól látható, hogy zsákok elszedésével lehet a vízmagasságot szabályozni az ellennyomó medencében. Korábbi tapasztalatok alapján az mondható, hogy egy adott keresztszelvényben buzgár megjelenése a mentett oldalon a következő helyeken várható gyakorisági sorrendben: a töltésláb környékén, ahol legnagyobb az altalajszivárgásból származó víznyomás, a gátban lévő műtárgyhoz csatlakozó csatorna fenéken, ahol a környező terepszinthez képest jelentős mélyedés van, holtág keresztezésnél, ahol a környezetétől eltérő, szemcsésebb talaj betelepülése észlelhető, a töltés mentett oldali rézsűjének alsó részén és a töltés lábától távolodva egyre kisebb valószínűséggel. 2. kép A Mosoni-Duna bal part 13+9 tkm (Püspökerdő) buzgár, mentett oldali töltéslábtól 36 m-re, az erdőben közel kör alakú ellennyomó medence lett kialakítva, nem teljesen szabályos kialakítású, nincs túlfolyója.

3 Határgörbék A 13. év előtti vizsgálatokról, a buzgárból kimosott talaj azonosításáról több közlemény is megjelent (Nagy 12, 13), ezek alapján az összehasonlításához összevontan kerültek megrajzolásra az 1. ábra határgörbéi. A 13. év előtti mintáknál a görbék külső határoló felületét egyenessel közelítve berajzolható egy jól definiált tartomány (4. ábra). Megállapítható, hogy a 13. évi Dunai árvízhez kapcsolódó mérések mind a korábban meghatározott határgörbék közé estek. Amíg a nagyobb szemcsékre illesztett egyeneshez a görbék hozzá simulnak, a finomszemcsékhez tartozó határoló felület mintha bőven lett volna felvéve (2. ábra). SZEMELOSZLÁSI GÖRBE SZEMELOSZLÁSI GÖRBE Tisza Bölcske holtág Dombori 41+6 Tiszasas Millér Tiszakürt Sajó Tivadar Mosoni Duna jobb part Mosoni Duna bal part Szigetközi Nagy-Duna Surány + Tahitótfalu Ebtófoki csatorna Marcal Abda Dombrád Kettős-Körös jp. Tahitótfalu Bogyiszló,1,, 1,,, 1. ábra A szemeloszlási görbék és a határgörbék a 13 előtti mintákon (Nagy 12, 13, 14),1,, 1,,, 2. ábra A szemeloszlási görbék és a határgörbék bemutatása a 13. évi mintáknál (Nagy 13, 14) A 13 előtti mintákra meghatározott határgörbék megfelelőnek bizonyultak még azután is, amikor 13. évi árvizeknél a buzgárból kimosott talajminták száma háromszorosra szaporodott. A határgörbékkel kapcsolatban két fontos megállapítást lehet tenni: Nem jelenti a jelen megállapítások helytelenségét az, ha a jövőben a határgörbéken kívül eső szemeloszlást tapasztalunk egy buzgárnál. Ezek a görbék azt mutatják, hogy a magyarországi rétegviszonyok között, az itthoni hidraulikus állapotoknál ezek a talajok mosódnak ki. Megismételve a sokszor hangoztatott megállapítást, nem szabad elfelejteni, hogy megfelelően nagy víznyomással minden talaj elmosható (csak a jet - grouting technológiára, vagy néhány rosszul alapozott nagygát tönkremenetelére kell gondolni). A finom frakció oldali határgörbe meghatározásánál szempont volt a Milléri minták kizárásának elkerülése (1. ábra bal oldalán minták világoskék szemeloszlási görbék). Jelenleg, amikor már több, mint háromszor annyi vizsgálat áll rendelkezésre, mint az első határgörbék megrajzolásakor 1/3-ad nagyságrenddel a határgörbe a durva frakció felé eltolható lenne. Sőt még jobb megoldás, ha tört vonallal közelítenénk a finom frakció oldalát.

4 C U = 3-6 d =,3 -,45 C U = 2-5 d =,42 -,5,1,, 1,,, 3. ábra A szemeloszlási görbék burkológörbéje a Nagy-Duna és Mosoni-Duna 13. évi mintáin (Nagy 14) Egy-egy kisebb területre az 1. és 2. ábrákon bemutatottnál szűkebb határgörbék is adhatók, így például a Nagy-Dunára és Mosoni-Dunára 3. ábra szerintiek, amelyeknél nem feltétlenül kell egyenessel közelíteni a határoló felületet. A szemeloszlási görbe egyenessel való közelítésénél a görbék által kijelölt tartományt az 5. ábra mutatja.,1,, 1,,, 4. ábra Határgörbe helyzete az összes minta feldolgozásával (Nagy 14) Földrengés hatására kialakult megfolyósodás A földrengés kiváltotta megfolyósodás a kutatók által részletesen feltárt, a tudományos ismeretek átmentek a gyakorlatba, a gyakorlat folyamatosan alkalmazza az empirikus

5 megközelítés eredményeit (rendszerint 15 méternél mélyebben nem alakul ki megfolyósodás, stb). A megfolyósodás számításának alapja a terhelések és ellenállások összehasonlítása, melynek elméletét CPT szondázásra dolgozták ki. A földrengés kiváltotta megfolyósodásra hajlamos talajok a talajmechanikai környezet viszonylag szűk spektrumán fordulnak elő. Az egyszemcsés, telített, laza szerkezetű üledékek nagy hajlandóságot mutatnak a megfolyósodásra. Ez a hajlandóság általában alacsonyabb mértékű az öregebb üledékek esetében. Ennek következtében a pleisztocén üledékek kisebb valószínűséggel folyósodnak meg, mint a holocén korban képződöttek. Mivel a megfolyósodás csak telített talajok eseten fordul elő, ezért a talajvíz mélysége nagymértékben befolyásolja azt. A talajvízszint mélységének növekedésével ez a hajlandóság csökken. A megfigyelések alapján a jelenség leggyakrabban olyan helyeken fordul elő, ahol a talajvízszint mindössze pár méterrel található a felszín alatt. Például Christchurch (Új-Zéland, 11. februári földrengés 3. kép) környékén a talajvíz felszíne átlagosan 1-2 m mélységben található, és a legmélyebb pontokon is csak 5 méterrel van a felszín alatt. A terepi tapasztalatok alapján a jelenség elsősorban egyszemcsés finom talajoknál alakul ki leggyakrabban. 3. kép Új-Zéland földrengéskor tapasztalt megfolyósodás 11-ben és Mosoni-Duna bal parti buzgárok 13-ban Ugyanakkor sok éven keresztül úgy gondolták, hogy a megfolyósodás kizárólag a okra korlátozódik. A finomabb szemcsés talajokat nem tartották képesnek arra, hogy a jelenség bekövetkezéséhez szükséges többlet pórusvíznyomás kialakuljon bennük. Míg a durvább szemcsés talajok esetében a nagy vízáteresztő képességnek köszönhetően a megfolyósodás kialakulása előtt könnyen lecsökkenhet a pórusvíznyomás. Az újabb kutatások azonban részben rácáfoltak ezekre a feltételezésekre, ugyanis méretű szemcsék esetében is mind terepen, mind laboratóriumi keretek között megfigyeltek folyósodást. A jelenség azonban csak kohézió mentes szabálytalan alakú szemcsékből álló oknál következett be. A kohézióval rendelkező ok, hasonlóan az okhoz nem hajlamosak megfolyósodásra. Durva oknál, finom oknál is megfigyelhető hasonló jelenség, azonban csak abban az esetben, ha a pórusvíznyomás leépülését valamilyen vízzáró réteg akadályozza, így előidézve a drénezetlen állapotot. A szemeloszlás, valamint a szemcsealak is jelentősen befolyásolja a megfolyósodási hajlamot. A jól graduált és szögletes szemcsés talajok kevésbé, az egyszemcsés és gömbölyded szemcséjű talajok jobban hajlamosak a megfolyósodásra. Ennek köszönhetően a gyakran laza és kerek szemcsékből álló folyami üledékek igen veszélyeztetettnek számítanak.

6 A szemeloszlási görbe alakja is nagymértékben befolyásolja a jelenségre való hajlamot. A japán Szállítási Minisztérium (Ministery of Transport) által ben meghatározott határgörbék C U > 3,5, illetve C U < 3,5-nel egyenlőtlenségi mutató esetére vonatkoznak (5. ábra). 5. ábra Japán Szállítási Minisztérium által megfolyósodásra veszélyesnek tartott szemeloszlási görbék C U > 3,5 illetve C U < 3,5-nel egyenlőtlenségi mutató esetére A 4. ábra tartománya roppant mód hasonlít a szemcsés talajok földrengéskori megfolyósodásának (liquefaction) határát reprezentáló tartományokhoz. Smoltczyk (2) könyvében megjelent megfolyósodásra veszélyességet mutató talajok ábrájába (a kevésbé veszélyes zóna sötétszürke színnel a 6. ábrán, a nagyon veszélyes zóna világosszürke színnel a 6. ábrán) bejelölhetők a buzgárból kimosott talajok szemeloszlásának határgörbéi az 4. ábrának megfelelően. A korábban is felvetődött hipotetikus kérdésre talán egyértelmű válasz adható, az árvízkor keletkező buzgár alakra a földrengéskor tapasztalt megfolyósodáshoz hasonló felszíni jelenséget mutat (egy vulkáni kúpot, melynél a kürtőből áramlik ki a víz, szemcséket sodorva magával), a szemeloszlási görbék tartományának hasonlósága ( 6. ábra) arra hívja fel a figyelmet, hogy a két jelenség valóban közel állhat egymáshoz.,1,, 1,,, 6. ábra A megfolyósodásra leginkább veszélyes talajok (Smoltczyk 2), kiegészítve a buzgár határgörbékkel.

7 Meg kell jegyezni, hogy zagygátak tönkremenetelével kapcsolatban több olyan szakértői vélemény is készült korábban, melyek szerint a gátszakadást liquefaction okozta, de földrengésről az adott tönkremenetelnél nem számoltak be. Ez azt jelenti, hogy a laza zagyból készült zagygátaknál a megfolyósodás (liquefaction) statikus terhelés hatására is kialakulhat, a talajszerkezetben törés következik be és hirtelen egy kisebb hézagtényezőjű állapot alakul ki. Ez a folyamat hasonló, mint a lösz talajok roskadása azzal a különbséggel, hogy a zagy telitett állapotban van, és a roskadás az egyre növekvő terhelés hatására következik be. (A roskadás szó azért van idézőjelben, mert a geotechnikában a roskadás a lösz makroporózus szerkezetének tönkremenetelére van fenntartva.) Analógia a tönkremenetelek között A bemutatottak alapján az analógia egyértelmű a három tönkremeneteli mechanizmus között. Árvíz esetén is pórusvíznyomás növekedés van, ugyanaz a szemcsetartomány a legveszélyeztetettebb, és hasonló a felszíni megjelenési forma is. Ugyanaz a jelenség, a szemszerkezet, csak a kiváltó ok eltérő (ld. 1. táblázat). A zagykerté szkedéssel készült zagygátak roskadása is pórusvíznyomás növekedéssel jár, mert telített anyagról van szó, ugyanakkor a zagygátak ilyen típusú anyagáról kevesebb információval rendelkezünk. Kiváltó ok 1. táblázat Buzgár jelenség kialakulásához vezető folyamatok Árvízi buzgár Liquefaction Zagygát Vízterhelés hatására a szivárgó víz nyomásának növekedése. Kritikus hézagtényezőnél lazább talaj földrengés okozta tömörödése. A laza zagy saját súlya alatt elveszti a szerkezetét, roskad és tömörödik. Pórusvíznyomás Növekedés kvázi statikusan Hirtelen Hirtelen Talaj Finomszemcsés talaj (finom, os, os ), alapvetően alacsony egyenlőtlenségi mutatóval. Jelenség A pórusvíz a leggyengébb pontokon keresztül a felszínre tör, talajból kiáramló víz szemcséket hoz magával. Irodalomjegyzék Ishihara K. (1985): Stability of natural deposits during earthquakes, Proc. 11 th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1, Rotterdam, pp , Balkema. Ishihara K. (1993): Liquefaction and flow failure during earthquakes, Géotechnique 43(3), pp Horváth E. (1): A Tiszasasi buzgár: a Kinizsi vár, Hidrológiai Közlöny, 81. évf. 3. szám, pp Nagy L. (1999): A Tivadari buzgár vizsgálata, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (1999): A Tivadari buzgár, 17. MHT Vándorgyűlés Miskolc, 1. kötet, pp Nagy L. (1999): Az novemberi Tivadari buzgár vizsgálata, Hidrológiai Közlöny, 79. évf., 4. szám, pp Nagy L. (): Az árvízvédelmi gátak geotechnikai problémái. Vízügyi Közlemények, LXXXII. évf., 1. füzet, pp ,ISSN Nagy L. (): Talajmechanikai vizsgálatok végzése a Tiszasasi buzgár környékén, Talajmechanikai szakvélemény, Kézirat. Nagy L. (2): Geotechnical Aspects of Years Dike Failures in the Carpathian Basin. 12 th Danube- European Soil Mechanic and Geotechnical Conference, Editor: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, Publisher: Verlag Glückauf, Passau, pp , ISBN , Nagy L. (3): A Dombrádi buzgár vizsgálata, Vízügyi Közlemények külön szám, 1. kötet, pp Nagy L. (6): Szentendrei buzgár vizsgálata, Talajmechanikai szakvélemény. Nagy L. (): Árvízvédekezés a településeken, Innova -Print Kft. nyomda, ISBN , 2. kiadás. Nagy L. (): Buzgárok, XXVIII. MHT Vándorgyűlés, július 7-9. Sopron, 3. szekció, 24. cikk, ISBN Nagy L. (): Hogyan is mennek tönkre az árvízvédelmi gátak?, XXVIII. MHT Vándorgyűlés, július 7-9. Sopron, 3. szekció, 22. cikk, ISBN

8 Nagy L. (): Lessons from historical dike breaches in the Carpathian -Basin. Riscuri si Catastrofe, IX. évfolyam, 1/ szám, pp , Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN Nagy L. (11): Árvízvédelmi gátak történelmi tönkremeneteli mechanizmusa, Hidrológiai Közlöny, 91. évfolyam, 1. szám, pp ISSN Nagy L. (11): Buzgárból kimosott talajok vizsgálata, XXIX. MHT Vándorgyűlés, Eger, július 6-8, 4. szekció, 19. cikk, ISBN Nagy L. (11): Buzgárok anyagának szemeloszlása, MMK Geotechnikai Tagozat konferencia CD kiadványa, Ráckeve, okt ISBN Nagy L. (11): Buzgárokból kimosott vizsgálata, Hidrológiai Közlöny, 91. évfolyam, 5. szám, pp ISSN Nagy L. (11): Gátszakadások mechanizmusa, MMK Geotechnikai Tagozat konferencia CD kiadványa, Ráckeve, okt ISBN Nagy L. (11): Investigation of soils outwashed from piping, Untersuchung den durch piping ausgewaschenen Böden, Österreichischer Ingenieur- und Arcitektenverein, 156. Jahrgang Heft 1-12, pp Nagy L. (11): Piping phenomenon at the flood control dikes in the Carpathian -Basin I., Riscuri si Catastrofe, X. évfolyam, 2/11 szám, pp , Ed. Sorocovschi V., Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN Nagy L. (11): The grading entropy of piping soils, Zbornik Radova Gradevinskog Fakukteta. Universitet u Novum Sadu Gradevinski Fakultet, Subotica, pp ISSN Nagy L. (11): Történelmi buzgárok, Hidrológiai Közlöny,. évfolyam, 3. szám, pp ISSN Nagy L. (12): A Milléri árvízi jelenség vizsgálata és elvi helyreállítási javaslata, geotechnikai szakértői vélemény, Kézirat. Nagy L. (12): Buzgárból kimosott talaj szemeloszlása, Mérnökgeológia Kőzetmechanika Konferencia 11, Mérnökgeológia-kőzetmechanika Kiskönyvtár 12. (Szerk: Török Á. és Vásárhelyi B.), pp ISBN Nagy L. (12): Geotechnikai szakértői vélemény és elvi helyreállítási javaslat a Tiszakürti buzgárról, Talajmechanikai szakvélemény, Kézirat. Nagy L. (12): Milléri és Tiszakürti árvízi jelenségek geotechnikai vizsgálata és elvi helyreállítási javaslat készítése, Szakértői vélemény, Nagy L. (12): Piping phenomenon at the flood control dikes in the Carpathian -Basin II., Riscuri si Catastrofe, XI. évfolyam, 1/12 szám, pp , Ed. Sorocovschi V., Editura Casa Cartii de Stiinta, Cluj-Napoca. ISSN Nagy L. (13): A buzgárképződés szemeloszlási kritériuma, In: Nagy L, Takács A (szerk.) 3. Kézdi Konferencia kiadványa, BME Geotechnikai Tanszék, pp ISBN: Nagy L. (14): A Duna jp. buzgárok vizsgálata a 13. évi árvíz után a 1.3. árvízvédelmi szakaszon, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (14): A Marcal bal parti buzgárok vizsgálata a 13. évi árvíz után, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (14): A Mosoni -Duna menti buzgárok vizsgálata a 13. évi árvíz után, Szakértői vélemény, kézirat. Nagy L. (14): Buzgárok az árvízvédelemben. Innovaprint Nyomda, p. 242, ISBN Smoltczyk U. ed. (2): Geotechnical Engineering Handbook.