1. Eurocode, szabványok, előírások (jogok, kötelességek) Eurocode 7-1 (MSZ EN ): általános szabványok Eurocode 7-2 (MSZ EN ):

Átírás

1 1. Eurocode, szabványok, előírások (jogok, kötelességek) Eurocode 7-1 (MSZ EN ): általános szabványok Eurocode 7-2 (MSZ EN ): geotechnikai vizsgálatok és eredmények alkalmazási szabályai A 2006-ban megjelent, s 2010-től kizárólagosan alkalmazandó Eurocode 7 elvi szabályozást ad a geotechnikai tervezésre és az ennek alapját adó talajvizsgálatokra. Előírja, hogy egy munka indulásakor a létesítendő szerkezet, az épített és természeti környezet, ill. a talaj és a talajvíz jellemzőit mérlegelve meg kell állapítani az építmények geotechnikai kategóriáját. Ez - ha olyan adat merül fel - menetközben, ill. az építmény részeire vonatkozóan változhat, ill. önkényesen emelhető, ha ezzel előnyösebb eredmény érhető el. Az EC7 a következő módon jelöli ki a geotechnikai kategóriákat: a1. kategóriába sorolja általánosságban a kisméretű, kiskockázatú, egyszerű építményeket, ha felelős szakértő kinyilvánítja, hogy hozzá egyszerű vizsgálat is elég, s ezekre konkrét példaként az egy-két emeletes házakat, a 250 kn pillér- és 100 kn/m falterhű szerkezeteket, valamint a 2 m-nél kisebb mélységű gödröket, támfalakat említi, a2. kategóriába általánosságban a hagyományos, átlagos építményeket sorolja, ha a szakértő szerint rutinszerű labor- és a terepvizsgálat is elég a megvalósításukhoz, konkrét példaként a sík- és cölöpalapok, a tám- és partfalak, a munkagödrök és talajhorgonyok, a földmunkák és az átlagos vízzárással, ép kőzetben építendő alagutak jelennek meg, a3. kategóriába sorolja a nagy, szokatlan, kockázatos építményeket, illetve a szokványosakat kedvezőtlenül, nehéz talajviszonyok esetére. Az előkészítő munkában célszerű követni a fokozatosság elvét. Illeszkedni kell a beruházási folyamathoz, a mindenkor soron levő döntés meghozatalához szükséges információkat érdemes feltárni. A túl korai, részletekbe menő, s ezért gyakran jelentős költségű geotechnikai előmunkálatok indokolatlanok lehetnek, mert feleslegessé válhatnak. Ugyanakkor a nemzetközi tapasztalatok szerint kedvezőbb ajánlatok érkeznek azokra a tenderkiírásokra, amelyek részletesen és megbízhatóan bemutatják az altalajadottságokat, mert ilyeneket kapva a pályázó nem kényszerül utóbb túlzottnak bizonyuló óvatosságra, s ezzel magas ajánlati árra. A vizsgálatok részletességéről az EC7 a következőket írja: előzetes vizsgálatok szükségesek a terület talajmechanikai alkalmasságának és a várható hatásoknak a megítéléséhez, ill. a beavatkozás által érintett talajzóna felméréséhez, tervezési vizsgálatokat kell végezni a terv részletes kidolgozásához szükséges összes geotechnikai információ megszerzéséhez, a méretezéshez szükséges talajparaméterek meghatározása céljából, valamint a kivitelezés megtervezéses szempontjából lényeges adatok megismerése céljából, különös tekintettel az esetleges akadályokra, ellenőrző vizsgálatokat kell végezni az előbbiek kontrolljához. Eddig a hazai gyakorlatban is háromféle geotechnikai szakvélemény készült: a területismertető szakvélemény egy terület beépítésével, felhasználásával kapcsolatos döntésekhez, tanulmánytervekhez szolgáltatott adatokat, általános szakvélemény készült a bejárási, engedélyezési tervekhez, részletes szakvélemény volt szükséges a kiviteli tervekhez, illetve a kivitelezéshez. A jelenlegi beruházási gyakorlatban azonban ez a három szint már nem mindig felel meg. A területismertető szakvélemény általában leegyszerűsödik, csak a megvalósíthatóság megítéléséhez kell adatokat szolgáltatnia, s az esetleges különleges szempontokra kell rámutatnia. Ehhez sokszor új feltárás nem is készül, csak a meglevő információkat "rendezik össze". Ezután a legtöbbször célszerű azonnal a részletes szakvéleményt elkészíteni, melynek az összes további (engedélyezési, tender- és kiviteli) terv elkészítéséhez kell adatokat nyújtania. Sajnos azonban gyakran előfordul, hogy nem elégséges a geotechnikai előkészítés, s ennek néha károsodás, de inkább túlzottan óvatos és drága megvalósítás a következménye. A szakvélemények a geotechnikai információk mellett javaslatokat, ajánlásokat tartalmaznak a geotechnikai feladatok megoldására vonatkozóan, sokszor számításokkal is alátámasztva azokat. Az Eurocode 7 szerinti munka kissé más lesz, mert az előkészítő fázisban a szakvélemény helyett csak a geotechnikai információkat tartalmazó ún. Talajvizsgálati jelentés készül. Ennek nem kell foglalkoznia a geotechnikai veszélyekkel és megoldásokkal, az a Geotechnikai tervre marad. 1

2 2. Teherbírási határállapotok, biztonság A földmű teherbírása azonos tömörség mellett is csökkenhet, ha a víztartalom növekszik. A szemcsés talajokon végzett CBR vizsgálatok eredményéből látható, hogy amennyiben a víztartalom növekszik, Kötött talajok esetében az S=0,75- miatt a teherbírás csökkenni kezd. Elnedvesedett kötött talajok esetében tehát a számszerűen nagy tömörség a nyírószilárdság csökkenése miatt nem biztosít megfelelő teherbírást. Kötött talajú földművek tömörítésekor tehát gondosan kell ügyelnünk arra, hogy a földmű ne ázzon, ne nedvesedjen el, mert a szükséges teherbírás nagy tömörítő munkával sem biztosítható. Biztonságot a Taylor- féle görbékkel határozhatjuk meg. 3. Talajfeltárások tervezett mélysége, feltárások helyének kijelölése, talajfeltárások fajtái (általánosan) A talajfeltárás mértékét, vagyis hogy a feltárás hol és hány rétegben, milyen mélységig, milyen részletességgel, milyen további vizsgálatok céljára és milyen módszerrel készítendő, az épület műszaki jellemzői és a helyszín adottságai együttesen döntik el. A talajfeltárásnak ha arra nézve gyanú merül fel a talaj agresszivitásának vizsgálatára is ki kell terjednie. A vizsgálatokat a feltételezett alapozási sík alatti 50 cm mélységig, az összes talajrétegekből vett és vegyvizsgálat céljára alkalmas minták alapján végzik el. A talajviszonyok és az alapozási mód, alapozási sík közötti szoros összefüggésből következik, hogy a talajfeltárással kapcsolatban a talajvíz-viszonyokat is tisztázni kell (lehetőleg minden, de legalább két feltárásnál végzett mérések és vett vízminták segítségével). Ha a felderítés azt mutatja, hogy az építéssel kapcsolatban az alapozás tervezését és végrehajtását megnehezítő vagy már elkészült alapokat s így az épület állagát veszélyeztető mértékű vagy tulajdonságú talajvízzel kell számolni, meg kell állapítani, a várható legmagasabb talajvízszintet és a vízszint-ingadozás mértékét, a talaj vegyi tulajdonságait (phérétkét, SO3-tartalmát, keménységét, stb.) és hőfokát, valamint ha a körülmények indokolják, a talajvíz áramlási irányát és sebességét, valamint a talajrétegek vízáteresztő képességét Talajfeltárás helyének kijelölése : ahol a feltárást az alapozandó építmény alaprajzi és szerkezeti adottságai, továbbá a terepről, talajról addig szerzett ismeretek indokolják Talajfeltárások fajtái: A talajfeltárások célja az altalaj földtani felépítésének, rétegződésének a rétegek anyagának a megismerése. A talajfeltárásokkal minden esetben fel kell tárni az építendő/épített mérnöki létesítmény által befolyásolt vagy várhatóan befolyásolandó felszín alatti földtani közeget. A talaj tulajdonságainak a felderítésére, megismerésére szolgáló lehetőségeket két alapvető csoportba sorolhatjuk: Közvetlen: (a közvetlen talajfeltárások feltárják az altalajt, lehetőséget biztosítanak a rétegek vizuális megismerésére és mintavételezésére) Fúrás: kézi vagy gépi, illetve kis- és nagyátmérőjű fúrások Akna, kutató gödör Táró 2

3 Közvetett: (A közvetett módszerek nem tárják fel az altalajt, hanem közvetett úton a módszertől függően valamilyen mért paraméterből (pl. fajlagos ellenállás) vagy a talaj válaszreakciójából (behatolási ellenállás, deformáció) következtetnek az altalaj tulajdonságaira várható viselkedésére.) Szondás: statikus (CPT), dinamikus (DP), verőszonda (SPT), nyírószonda (VST), pressziométeres (PMT), mechnikai szondák Geofizikai vizsgálatok (gyors, roncsolás mentes, reprodukálható, folyamatos): próbaterhelés, Erő-feszültségmozgás-alakváltozás mérések 4. Közvetlen talajfeltárások A közvetlen feltárások célja: olyan minőségű talaj- és kőzetminták vétele, amelyek alapján megítélhető a helyszín általános geotechnikai alkalmassága, lehetővé teszik a szükséges talaj- és kőzetfizikai jellemzők laboratóriumi meghatározását; információszerzés az egyes rétegek, tagoltsági rendszerek és vetők szerkezetéről, vastagságáról és irányáról; a rétegek típusának, összetételének és állapotának megállapítása; információszerzés a talajvízviszonyokról, vízmintavétel a talajvíz, talaj, kőzet és szerkezeti anyagok közötti kölcsönhatás megítéléséhez; Fúrás: A talajfeltárás legfőbb módszere a fúrás. A fúróeszközöket meghajtásuk módja és átmérőjük szerint szokás osztályozni. Vannak: kézi vagy gépi, illetve kisátmérőjű (55-56 mm) és nagyátmérőjű ( mm) eszközök. A fúrószerszámokat a talajtól függően kell megválasztani. A spirálfúró csak az "összeálló" talajokban alkalmas, a puha kötött és a szemcsés talajokban a kanálfúró (dobfúró) szükséges. Talajvíz alatt - az agyagok kivételével - csak az iszapolóval érhetünk célt. Igen kemény talajokban, szilárd kőzetekben vésőfúróval aprítják a talajt és azután kanalas fúróval veszik ki az anyagot. Nagyátmérőjű gépi berendezéseket használva kemény talajokban (és főleg kőzetekben) koronafúróval is dolgoznak. A zavartalan minták vételéhez mag-mintavevőket használnak. Ezeket lehetőleg sajtolással kell lejuttatni, de ez a tömörebb, keményebb talajokban csak nagyátmérőjű gépi berendezéssel lehetséges. A többi lehajtásakor - mivel nem tudunk elegendő függőleges erőt kifejteni -"gyenge" ütögetésre is kényszerülünk. A nagyátmérőjű gépi fúróeszközök esetében a speciális többfalú mag-mintavevők és más segédszerkezetek lehetőséget adnak a folyamatos magvételre is. ~2 méternél nagyobb mélység után a kisátmérőjű furatok kötött talajban csak a talajvíz fölött, a nagyátmérőjűek pedig csak kemény talajban maradnak állékonyak is. Minden más esetben béléscsővel kell megvédeni a furat falát a beomlástól. A béléscső mozgatása külön feladat. Megjegyezzük, hogy mindezeken túl a fúrásoknak még számos "fogása", segédeszköze van. E munka minőségére nem szabad sajnálni a pénzt, mert minden további geotechnikai tevékenység erre épül. Kutató gödrökben, aknákban a mélységbeli változások is vizsgálhatók. Általában fontosabb esetekben kerül erre sor, ha a fúrások nem adtak elég pontos képet, ill. bizonyos körülmények esetén ez olcsóbb lehet a fúrásos feltárásnál (pl. ha megfelelő munkagépek egyébként is a helyszínen vannak, és csak kisebb mélységet kell megvizsgálni). Az aknákkal viszont általában csak a talajvíz szintjéig lehet lehatolni. Különleges változata az alapfeltárás, ahol is a már említett okok miatt szükség lehet valamely meglévő építmény alapozási- és altalajviszonyainak feltárására, s ehhez az épület mellett mélyítenek le aknát. A kutató táró bányászati módszerekkel készülő, viszonylag kis szelvényű alagútszerű üreg. Alagutak építéséhez vagy esetleg nagy bevágások készítéséhez végzendő feltárás esetén jön szóba, ahol a felső rétegek ismerete nem lényeges, vagy ha a felülről fúrt furatokkal nem - ill. a tárók készítésénél drágábban - volnának elérhetők a mélyben fekvő rétegek. A mindennapi gyakorlatban ritkán kerül sor az alkalmazására. 5. Közvetett talajfeltárások Jellemzője, hogy az altalajt közvetlen megszemlélés nélkül a felszínen végrehajtott mérésekkel vizsgáljuk. E közös vonáson túl azonban az idesorolható sok-sok módszer mind elvét, eszközét, mind pedig értékét, hasznosságát illetően lényegesen különbözik. Egyesek csak a rétegek elkülönítésére alkalmas, némelyik többféle talajadatot is szolgáltat. Általánosságban igaz még, hogy ezek nem adnak teljes tájékoztatást, ezért csak közelítő vagy kiegészítő vizsgálatoknak tekinthetők. Előnyük viszont a közvetlen feltárással szemben, hogy a megvizsgált talajtömeg egészére vonatkoztatva általában olcsóbbak, és hogy röviddel a vizsgálat után felhasználható eredményt szolgáltatnak. Szondázások: 3

4 Statikus (CPT) (vagy más néven nyomó-) szondázás a legáltalánosabban használatos, a legtöbb adatot nyújtó közvetett módszer. Csak nagyon kemény agyagokban, kőzetekben, durva kavicsban és építési törmeléket tartalmazó feltöltésekben, valamint fagyott talajban nem használható. A vele elérhető mélység m. A szabványosított szondafejnek 60 -os kúpos csúcsa és általában 10 cm2 a keresztmetszete, ill cm2 a palástfelülete van. A beleépített mérőeszközökkel elkülönítetten mérhető a fajlagos csúcsellenállás (qc) és fajlagos köpenysúrlódás (fs), sőt az újabb fejekben egy piezométerrel a víznyomás (u) is. A szondafejet egy rudazat segítségével, a talajba lecsavart horgonyokkal ellensúlyozva, folyamatosan nyomjuk a talajba, és a regisztráló, illetve kiíró szerkezet azonnal megadja a qc, fs, és u paraméterek, ill. az fs/qc hányados, az ún. súrlódási arány mélység szerinti változását. Dinamikus (DP) szondázás - főleg egyszerűségének köszönhetően - szintén elterjedt. Lényegében éppen azokban a talajokban nem használhatók, mint a statikus szondák, és a feltárható mélység is közel azonos. Elve is hasonló, csak ennek fejét veréssel hajtják le, ezért verőszondának is szokás nevezni. A szondafej kialakítása is hasonló, csak méretei mások. Többféle típusa használatos, a leggyakoribb, a könnyű verőszondát 90 kúpszög, 15 cm keresztmetszet, 43,7 mm hossz jellemzi. A fejhez csatlakozó rúd felső végén levő ütőpárnára 50 cm magasságból percenként 50-szer egy 50 kg tömegű kost ejtegetnek, s ez hajtja le a rudat. A lehajtás során azt mérik (az újabb berendezésekben automatikus regisztrálóval), hogy 20 cm előrehaladáshoz hány ütésre van szükség. (Szokásos még a 10 cm behatolást eredményező ütésszám regisztrálása is.) Az egyes mélységekben a talajt ezzel az N20-szal jelölt ütésszámmal lehet jellemezni, ha a rudazaton fellépő súrlódást ki tudjuk küszöbölni. (Ez béléscsövezéssel biztosan megoldható, de a vizsgálatok szerint az is elég, ha a rudat a mért N20 ütőszámoktól függő gyakorisággal és mértékkel elforgatják.) Verőszonda (SPT) ennek csúcsa nyitott, így leverve egyben mintát is vesznek a talajok azonosításához. A már több évtizedes tapasztalatok széles körű használatát teszik lehetővé. Egyszerűbb alapozások tervezéséhez közvetlenül is felhasználják a verési ellenállás mért értékét. Nyírószondázás (VST) puha kötött talajok nyírószilárdságának gyors, helyszíni vizsgálatára szolgáló berendezés. A szárnyszerű szondafej szokásos méretei: h = 8 cm, D = 4 cm. A vizsgálni kívánt mélységig hidraulikus sajtóval nyomják le, majd megfelelő erőátvitellel egy forgatókar segítségével elforgatják, s eközben mérik a forgatáshoz szükséges M nyomaték növekedését, ill. a szögelfordulást. Levezethető, hogy valamely nyomaték mekkora nyírófeszültségnek felel meg, s előállítható diagram. Ha az elforgatást tmax elérése után folytatják, megkapható a csúcsértéknél kisebb reziduális nyírószilárdság is. Mivel puha kötött talajok töréséről van szó, gyors, a nyírás konszolidálatlan terhelésként értékelhető, tehát τ max= c u Méretezéshez azonban az így nyert cu értékeket csak bizonyos csökkentő korrekcióval szabad felhasználni, mivel a forgatási sebesség a szokásos terhelési ("építési") sebességhez képest mindenképpen gyors. Pressziométeres (PMT) vizsgálat elsősorban Franciaországban használatos, ott a rutintervezés az ezzel nyert paramétereken alapul, de néha idehaza is végeznek ilyen vizsgálatot. Lényegében minden talajban használható, melyben állékony furat készíthető. A talajok terhelés alatti viselkedését lehet velük fúrólyukban vizsgálni. A szonda egy belső, vékony gumimembránnal határolt mérő- és egy erősebb, külső gumiköpennyel határolt védőcellából áll. A vizsgálat során lépcsőzetesen növelik a p gáznyomást, mely a gumicellákon át a talajra adódik át, és ennek következtében a talaj összenyomódik. Az összenyomódás nagysága a belső cella AV térfogatváltozásával arányos, amit a vízmércén lehet leolvasni. Ennek egy hosszabb-rövidebb lineáris szakaszából a talaj rugalmas alakváltozási paramétere becsülhető. A talajtörési állapotra utaló p=p t végérintőből pedig, a nyírószilárdságot lehet számítani. A pressziométer legkorszerűbb változatai az "önlefúró" Camkometer és PAFSOR. További mechanikai szondák is vannak még, ilyenek pl. a fúrólyukas tárcsás terhelés, a lapdilatométeres vizsgálat, stb. A mechanikai terhelésen alapuló szondázások mellett még ismertek a különböző geofizikai szondázások, szeizmikus mérések, akusztikus szondázások, georada-ros mérések stb., melyek előzetes vagy kiegészítő információként hasznos segítséget nyújthatnak egy-egy feladat meg- 4

5 Geofizikai vizsgálatok: A geofizikai mérés közvetett vizsgálat, teljesen mást mér, mint amire kíváncsiak vagyunk, ezért nagy szerepe van a pontos értékelésnek, a mért illetve a keresett talajjellemző közötti összefüggésnek. Rendszerint kalibráló, vagy un. pillérfúrásokra van szükség. A geofizikai mérések előnyei: gyors, roncsolás mentes, folyamatos képet ad, reprodukálható. A geofizikai mérést a vizsgált terület talajviszonyai, a feladat és a rendelkezésre álló hely alapján kell első sorban alkalmazni. Próbaterhelések: A helyszíni próbaterhelés célja lehet: egy-egy szerkezeti megoldás, építési eljárás ellenőrzése, különleges, elméletileg nehezen követhető terhelési problémák előzetes vizsgálata. A próbaterheléseket általában egyszerűen modellkísérletnek tekintjük, a mért eredményeket önmagukban értékeljük (pl. egy süllyedést valamely várható teher alatt). Az is szokásos azonban, hogy - a mérési eredményekre megfelelő elméletet alkalmazva - konkrét talajjellemzőket számítunk ki belőlük. (Pl. a süllyedésből és a teherből az altalaj összenyomódási modulusát.) A gyakorlatban a következő próbaterhelések szokásosak: cölöp-próbaterhelések talajhorgonyok feszítése földművek tárcsás terhelése Ezek szinte kötelezően elvégzendők a jelzett okok miatt. Viszonylag ritkább, de előfordul a síkalapok statikus, esetleg a gépalapok dinamikus próbaterhelése, és esetenként előírhatják a talajszegekét is. A próbaterhelések általában nagyon költségesek, ezért előzetes vizsgálatként csak akkor gondolhatunk rájuk, ha jelentős haszon remélhető tőlük, vagy ha nélkülük nem tudnánk a feladatot megoldani. Meg kell azonban jegyezni, hogy néha egészen kis többletköltséggel, többletmunkával "próbaterhelésként" értékelhetők a területen már elkészült szerkezetek is. Ha ugyanis megmérjük, megfigyeljük, értékeljük miként viselkednek (illetve miként viselkedik környezetükben a talaj) terhelésük során, a további ott készülő szerkezetek tervezéséhez a legmegbízhatóbb ismeretekhez (talajadatokhoz) juthatunk. A próbaterhelések esetében általában a mérés nem jelent különösebb nehézséget, hiszen csak erőt és elmozdulást kell mérni. Nagyobb gondot jelent a terhelés ellentartása. Erő, feszültség, mozgás- és alakváltozás mérések: Erőmérésre újabban szinte kizárólag elektromos erőmérő cellákat alkalmaznak, melyeket beépítenek a szerkezeti elemek közé. Az erőt tulajdonképpen a cellában levő acélelem alakváltozásának méréséből határozzák meg. A cellához mérőórát vagy automatikus regisztráló szerkezetet csatlakoztatnak. A talajban fellépő teljes feszültségeket lesajtolt, a talajjal érintkező vékony membránokkal lehet mérni. Ha a mérőfejben a membrán elé egy merev porózus, vízáteresztő anyagot tesznek, akkor a membránok a pórusvíznyomást mérik. A talajjal érintkező szerkezetekre ható földnyomásokat a szerkezet falába épített ilyen cellákkal mérik. A membránokra ható nyomást a belső felületükre ragasztott, kis alakváltozásukat is kijelző nyúlásmérő bélyegekkel érzékelik. Rézsűk, természetes lejtők, munkatér-határolások vízszintes mozgásainak mérésére fejlesztették ki, s ma már gyakran használják az inklinométereket. A talajba függőleges hajlékony műanyag- vagy acélcsövet helyeznek. Az inklinométert a felszínről engedik le e csövekbe, és a mérőfejben levő laprugó görbülését nyúlásmérővel mérik. A felszínen végzett mérésből a cső görbülése, s ezáltal a földtömeg belső vízszintes elmozdulásai meghatározhatók. Ezen az elven pl. töltések alatti függőleges mozgások (a süllyedések) is mérhetők, ha a hajlékony csövet a töltés alá az építés előtt a terepre fektetejük. Ezen húzzák át az inklinométerhez hasonló mérőcellát, s így a cső görbületéből a süllyedéskülönbségekre következtethetnek, míg a cső végeit geodéziai úton mérve a süllyedések abszolút nagysága is regisztrálható. A felszín eltakart pontjainak süllyedése másként hidrosztatikus úton is mérhető. E mozgásmérések nagy értéke, hogy építés közben is mód van rá, ami töltés esetében másként nem is volna megoldható. Épületek esetében a legegyszerűbb módszer az alapokra rögzített fix-pontok hagyományos szintezése. Az ún. extenzométerek segítségével a talaj egy meghatározott sávjának alakváltozása is mérhető. A mérőeszköz két végpontját rögzítik és hosszváltozását elektromos úton mérik. Ez főleg az alagútépítésben (NÖT) szükséges, de mindenféle megtámasztó szerkezet esetében hasznos lehet. Továbbfejlesztett változata a csúszó 5

6 mikrométer, mely teleszkóp-szerűen nyúló vagy rövidülő cső- darabok hosszváltozását méri, amiből a talajzóna fajlagos alakváltozásainak változásai mérhetők. Ez pl. alapok alatti süllyedések, munkagödör nyitások esetén lehet hasznos. 6. Helyszíni vizsgálatok: Cél: az altalaj megismerése. Helyszíni vizsgálatok előnye: folyamatos képet kaphatunk a vizsgált talajrétegek állapotáról, nincs fúrás, mintavétel a talajt természetes állapotában lehet vizsgálni, hasznos kiegészítő információ a talajállapotról. Helyszíni vizsgálatok hátránya: nem helyettesíti a közvetlen mintavételt és laboratóriumi vizsgálatot, csak az adott feszültségállapot mellet lehet vizsgálni a talajt. Nemzetközi viszonylatban is jellemző a talajmechanikai vizsgálatokra, hogy egyre többet végeznek helyszínen (insitu), a talajok jellemző és kívánt paramétereit természetes körülmények között határozzák meg, ezzel elkerülve a talaj többszöri megzavarását, a talajminta a mintavételi, szállítási sérülését, stb. Különböző tervfokozatok eltérő feltárási részletességet igényelnek. Az alacsonyabb szintű (korai) tervfokozatoknál, ahol a terület alkalmassága a kérdés, a nagyléptékű ismeretek a meghatározóak, ott inkább a geológiai megközelítés dominál, a megvalósuláshoz közeledő tervfokozatoknál, ahol a létesítmény viselkedése kerül előtérbe, ott a mérnöki, a geotechnikai megközelítés az erősebb. Helyszíni vizsgálatok csoportosítása: közvetlen feltárások, kis- és nagyátmérőjű fúrással (száraz mag-mintavétellel vagy öblítéssel) illetve feltáró aknák. szondázások, a laboratóriumi méréseknek megfelelő vizsgálatok, geofizikai mérések, a talajok egyéb fizikai tulajdonságaiból következtetnek a talajmechanikai tulajdonságokra, építési folyamat ellenőrzése, monitoring, ami építés előtti, alatti és utáni méréssorozat jelent az igényeknek megfelelően. Vonalas földművek feltárását legalább két ütemben célszerű elvégezni. Az első ütemben a vonalas földmű tengelyében egy gyors vizsgálattal, például felszínközeli geofizikai méréssel meg kell határozni az azonos altalaj szakaszokat. Ezeken az azonos altalaj szerkezetű szakaszokon kell a második ütemben pontosító vizsgálatokat végezni. Butaság az előre elhatározott 500 méterenkénti vagy kilométerenkénti fúrás, mert lehet, hogy több olyan szakasz is kiesik az ismeretből (pl. 50 m hosszú tőzeges rész), ami pedig fontos lehet. 7. Talajfizikai jellemzők (talajok térfogat és tömegaránya) Általában igaz, hogy ha egy talajzóna sok szemcsét tartalmaz, azaz tömör, ill. kevés benne a víz, akkor kedvezőbbek a műszaki tulajdonságai. Fontos tehát számszerűen is leírni az alkotók arányát. Szokás az ezekre bevezetett paramétereket állapotjellemzőknek is nevezni, kifejezve azt, hogy ezek - szemben pl. a szemeloszlással változhatnak. Alkotók egymáshoz viszonyított aránya: A víztartalom a talaj nedvességének mérőszáma. Jele w, és a víz tömegének (mv) valamint a szemcsék tömegének (ms) hányadosaként definiálták: w=mv/ms, és általában %-ban adják meg. Mivel tömegarányt fejez ki, a talaj lazulása és tömörödése nem befolyásolja az értékét, s ezért zavart (szerkezetét, térfogatát nem őrző) mintából is meghatározható. A homokok víztartalma - ha nincsenek a talajvíz alatt - csak 5 % körül van, mert a szemcsék nem 6

7 tudnak több vizet megkötni. Az agyagok víztartalma viszont természetes állapotban %, a szerves talajoké pedig akár % is lehet. A hézagtényező a talaj tömörségének a jellemzője. Jele e, és a talajban levő hézagok (a víz és a levegő együttes) térfogatának (Vh), illetve a szemcsék térfogatának (Vs) hányadosa: e=vh/vs, Értéke egy talajzóna térfogatváltozása (tömörödése vagy lazulása) esetén változhat, meghatározásához zavartalan minta szükséges. Egy tömör homokos kavics hézagtényezője 0,3 körül lehet, laza homokra kb. 0,6 jellemző, míg egy természetes agyag esetében értéke 0,5-1,0 között változhat, s a mélységgel általában csökken. A telítettség azt fejezi ki, hogy mennyire tölti ki a víz a talaj hézagait. Jele Sr, és a víz térfogatának (Vv) és hézagok térfogatának (Vh) arányával számítjuk: Sr=Vv/Vh, értéke vízfelvétel, illetve leadás, valamint lazulás-tömörödés esetén is változik. Ez is csak zavartalan minta adataiból számítható. Értéke elvileg 0 és 1 között lehet. A talajvíz alatt természetesen Sr=1,0, a homokok egyébként 0,2-0,4 körüli telítettségűek, az agyagok viszont még a talajvíz felett is közel telítettek (Sr=0,8-0,9) lehetnek. Alkotók térfogatának aránya a teljes térfogathoz: Hézagtérfogat (n) a hézagtényezőhöz hasonlóan a tömörség mutatója. A hézagok térfogatának (Vh) és az össztérfogatnak (V) a hányadosa: n=vh/v Szemcsetérfogat (s) a tömörség kifejezője, szemcsék térfogatának (Vs) és az össztér-fogatnak (V) a viszonya: s=vs/v Víztérfogat (v) a nedvesség paramétere, a víz térfogatának (Vv) és az össztérfogatnak (V) a hányadosaként kell képezni: v=vv/v Levegőtérfogat (l) hasonlóan számítandó az előbbiekhez: a talajban levő levegő térfogata (Vl) és az össztérfogat (V) aránya: l=vl/v Nyilvánvaló, hogy ezek közül is elég két független paraméter az állapot leírásához. n=1-s; n=v+l; s+v+l=1 E mutatók közül a hézagtérfogatot mindenütt, a többit inkább csak idehaza használjuk, de nálunk is inkább az előbbi csoport (e...w...sr) paramétereivel dolgoznak. 8. Szemeloszlás, hidrometrálás Szemeloszlás: A szemcsék elsődleges jellemzésére a méretüket használjuk. Mivel a szemalak sokféle lehet, a méretet az ún. névleges átmérővel ragadjuk meg. Ezt a nagyobb szemcsék esetében annak a szitának a lyukbőségével azonosítjuk, amelyen a szemcse még átesik. A kisebbek névleges átmérőjének annak (a szemcsével azonos anyagú) gömbnek az átmérőjét tekintjük, amellyel a szemcse egy folyadékban azonos sebességgel ülepedik. A névleges átmérő széles határok között változó tartományát frakciókra osztjuk. A frakciók nevének rövidítésére az angol szavak első betűit kell használni. Egy természetes talajt sokféle méretű szemcse, sőt általában még frakcióból is több alkotja. A szemcsemérete ezért csak a szemcsék előfordulásának valószínűségét mutató szemeloszlással jellemezhető. Ennek meghatározására a szitálás és/vagy a hidrometrálás (ülepítés) szolgál. A szitálás során - összhangban a névleges átmérő definíciójával - azt mérjük meg, hogy valamely átmérőjű szitán a halmaz tömegének hányad része hullik át. A hidrometrálással úgy határozzuk meg az egyes szemcseméretek gyakoriságát, hogy a talaj vizes szuszpenziójának sűrűségváltozását mérjük, ami a szemcsék ülepedésének sebességéről ad képet. A szemeloszlást legkifejezőbben a szemeloszlási görbével adhatjuk meg. Ez azt mutatja meg, hogy valamely átmérőnél kisebb átmérőjű szemcsék a halmaz tömegének hányad részét képezik. Az ábra mutatja a szokásos szemilogaritmikus ábrázolási módot, a frakcióhatárokat és három jellegzetes talaj görbéjét. Az A jelű egy olyan iszapos homoké, mely csaknem azonos méretű szemcsékből áll, a B jelű talaj egy folytonos szemeloszlású, vegyes összetételű talajra példa, a C jelű pedig egy frakcióhiányos (lépcsős szemeloszlású) homokos kavicsot ábrázol. 7

8 A szemeloszlást gyakran csak az egyes frakciók részarányával adják meg, pl. a C talajra Gr=59 %, Sa=40 % és Si=1 % állapítható meg. Sokféle számszerű paraméterrel is jellemzik a szemeloszlást, melyek közül az Cu = D60/D10; képlettel számítható egyenlőtlenségi mutató a leglényegesebb (a B jelű talaj esetében Cu=0,30/0,007=43). Ez a szemeloszlás folytonosságát jellemzi és különösen a talajok tömöríthetőségének elbírálására ad jó információt. Könnyen belátható, hogy az egyszemcsés, kb. Cu=1,9 jellemzőjű A jelű talaj alig tömöríthető, szemben a vegyes összetételű B talajjal, s ezt a Cu értékek különbsége jól érzékelteti. Elsősorban a szemcsék vízzel kapcsolatos viselkedésének jellemzésére használatos a Dh hatékony szemcsenagyság, mely annak a gömbnek az átmérőjével azonos, melynek fajlagos (tömegegységre vonatkoztatott) felülete a vizsgált talajéval azonos. A kutatások szerint jó közelítéssel Dh = D10, ami abból következik, hogy a finomszemcsék adják a felület túlnyomó részét. Hidrometrálás: A geotechnikai gyakorlatban a finom szemcsék eloszlását hidrometrálással határozzuk meg, amikor is a talaj vizes szuszpenziójának sűrűségváltozását mérjük, ami a szemcsék ülepedésének sebességéről ad képet. A fizikából ismert Stokes-törvény szerint az ülepedés sebessége arányos a gömb alakú szemcseátmérő négyzetével. A talaj folyadékelegy (szuszpenzió) sűrűsége pedig arányos a még le nem ülepedett szemcsék mennyiségével. Ülepedés közben mérve a sűrűséget, meghatározható az összetartozó átmérő és súlyszázalék. A Stokestörvény gömb alakú szemcsék ülepedésére érvényes, ezért a tényleges szemcseeloszlást korrekcióval kapjuk. 9. Talajok tömörítése A hatékony és gazdaságos tömörítés megkívánja, hogy a tömörítést a talajnemnek legjobban megfelelő tömörítő eszközzel végezzük el. Általános irányelvként elfogadható, hogy: kötött talajokat gyúró tömörítéssel, szemcsés talajokat vibrációs tömörítéssel, köves sziklás talajokat döngölő tömörítéssel célszerű tömöríteni. Az egyes tömörítő eszközöket a következőképpen jellemezhetjük: Gumiabroncsos hengerek a legáltalánosabban használható, leghatékonyabb tömörítő eszközök. Tömegük t közölt változik. Fajlagos tömörítő-képessége, gyúróhatása és sebessége nagy. Optimálisan iszapos talajokon alkalmazható. Vibrohenger elsősorban a homokos kavics, durva homok, esetleg iszapos talajok tömörítésére alkalmas. Finom futóhomokok tömörítésére nem alkalmas. Juhláb vagy fogashenger kizárólag erősen kötött agyagos talajok tömörítésére alkalmazható t tömegűek, nagy fajlagos tömörítő munkával dolgoznak, miközben a száradást elősegítik. 10. Konzisztencia határok, indexek Valamely anyag konzisztenciáján az anyagi összefüggés mértékét értjük. Talajok konzisztencia állapotát rendszerint a kemény, merev, képlékeny, folyós stb. jelzőkkel illetjük. 8

9 A geotechnikában a következő konzisztenciahatárok használatosak: folyási határ, plasztikus vagy képlékenységi határ, zsugorodási határ, telítési határ. A konzisztenciahatár alatt egy olyan víztartalmat értünk, amely mellett a talaj bizonyos meghatározott tulajdonságot mutat. A vizsgálat két részből áll: először előállítjuk a kérdéses konzisztencia állapotot és az előállított állapotba megmérjük a talaj víztartalmát. A konzisztenciahatárok közül a folyási határt és a sodrási határt, valamint ezekből származtatott talajfizikai jellemzőket a talajok osztályozására és a talajállapot jellemzésére alkalmazunk. A zsugorodási határ a hő hatására bekövetkező vízleadási vagy száradási, a telítési határ pedig a vízfelvétel hatására bekövetkező térfogatváltozási vagy duzzadási folyamat része, amelyeket a későbbiekben tárgyalunk. Folyási határ: Ha egy talajhoz sok vizet keverünk, akkor elérünk egy olyan állapotot, amikor a talajban a szemcsék közötti összetartó erők gyakorlatilag teljesen megszűnnek, nincs kohézió, a talaj pépszerű viszkózus anyaggá válik. Azt a víztartalmat, amely ennek az állapotnak az eléréséhez szükséges, folyási határnak nevezzük. Meghatározására szabványos kísérleteket dolgoztak ki (pl. Casagrande eljárás, a Cütovics és a svéd kűpkísérlet). A hazai gyakorlat a Casagrande-féle szabványos eljárást vette át. Minden talajnak egy határozott víztartalommal definiálható folyási határértéke van, és éppen ezért alkalmas a talajok osztályozására. (Tájékoztató átlagértékeket a 1-2. táblázat tartalmaz). Természetes dolog, hogy minél durvább szemcsékből áll a talaj, annál kisebb lesz a folyási határ értéke. A nagy folyási határral bíró talajok mindig nagyon finom szemcséjűek, az agyagon kívül igen sok vizet lekötő agyagásványt is tartalmaznak. Ezek a talajok bizonyos esetekben építési szempontból kedvezőtlenek, veszélyesek és fokozott óvatosságot igényelnek. A talaj folyási határának az ismeretében megállapíthatjuk, hogy a talaj természetes állapotában milyen messze van a kritikus állapottól és mekkora a folyási veszély. De a termett talaj folyóssá válásához nemcsak a folyási határ víztartalmának az elérése kell, hanem az is, hogy a talaj szerkezetét valamilyen hatás szétroncsolja. Plasztikus határ: Ha egy nedves, képlékeny talajt fokozatosan kiszárítunk, a képlékenységét, alakíthatóságát elveszti, nem gyúrható, nem sodorható, mert rögökké, morzsákká esik szét. Azt a víztartalmat, amely mellett a talaj képlékeny állapotból merev állapotba megy át, plasztikus vagy képlékenységi határnak nevezzük. A képlékenységi határ előállítása nagyon egyszerűen történik. A vizsgálandó agyagból egy darabkát szűrőpapíron tenyérrel úgy sodrunk ki 3 mm-es szálakká, hogy azok éppen töredezzenek. A plasztikus határ állapotát többszöri próbálgatással, a felhasznált minta szárításával vagy nedvesítésével lehet előállítani. A plasztikus állapotra kisodrott szálak víztartalmát megmérjük és ez adja a keresett képlékenységi határ víztartalmát. A plasztikus határ fizikai magyarázata az, hogy ez a víztartalom a talajszemcséket még nem választja el egymástól, elegendő nagy felületi feszültséget létesít ahhoz, hogy a talajszemcsék között érintkezési nyomás legyen és a talaj "félig szilárd" agyagként viselkedjék. A plasztikus határnak mérnöki vonatkozásban nagy jelentősége van. A talaj megmunkálása, a földmunka végzése ilyen állapotban a leggazdaságosabb, mert a szerszámokhoz nem tapad és a fejtési ellenállása még nem nagy. Az ilyen állapotú 9

10 földutak és építés alatti földművek jól járhatók, továbbá ilyen víztartalom mellett a leggazdaságosabban tömörithetők, mivel igen közel vart az optimális víztartalomhoz. Plasztikus index: A folyási határ és a plasztikus határ víztartalom különbségét plasztikus indexnek nevezzük: Ipl=WL-Wp. A plasztikus index értéke a különböző talajoknál igen tág határok között változik egy egy talajra jellemző érték, ezért a talajok megkülönböztetésére, azonosítására és osztályozására használható. Azoknak a talajoknak, amelyeknek nincsen plasztikus határa, vagyis a durva szemcsés talajoknak (homok, kavics) nem értelmezhető a plasztikus indexe sem. Néhány tájékoztató értéket a 1-2. táblázat mutat be. A plasztikus index arányosan növekszik a finom szemcsék, különösen a kolloidok arányával. A plasztikus index többé-kevésbé meghatározza a talaj kohézióját is, mert minél nagyobb a plasztikus index, annál nagyobb lehet a kohézió is azonos körülmények (terhelés nagyság, sebesség stb.) mellett. Relatív konzisztenciaindex, relatív folyási határ: A konzisztenciahatárok ismeretében már elemezni lehet a talaj természetes állapotát is. E célból egy új fogalmat, a relatív konzisztenciaindex (Ic) fogalmát vezetjük be: Ic=(WL-W)/(WL-WP)=(WL-W)/Ip. A képlet azt mutatja, hogy a természetes állapotú talaj víztartalma hogyan aránylik a mesterségesen előállított, átgyúrt állapotú talaj konzisztencia határaihoz. A hazai gyakorlattól eltérően a nemzetközi irodalom nagy része nemcsak a relatív konzisztenciaindexet, hanem a relatív folyási indexet is alkalmazza: IL=(W-Wp)/(WL-WP)=(W-Wp)/Ip 11. Talajok osztályozása, kapcsolódó talajfizikai jellemzők Osztályozás alapelve: A talajosztályozás célja az, hogy a különböző talajokat olyan egységes rendszerbe foglalja, hogy egy-egy talajnak a rendszerben elfoglalt helyéből további tulajdonságaira is következtethessünk. (Hasonlóan pl. az elemek periódusos rendszeréhez, ahol az elem rendszámából rögtön következnek a legfontosabb kémiai tulajdonságok: atomsúly, vegyérték stb.) Sajnos, a talajmechanikában ilyen természetes rendszert még nem sikerült megalkotni. Az ismert osztályozási módszerek mindegyike önkényes, és csak egy, vagy néhány szempontot elégít ki. Céljuk rendszerint az, hogy a főbb talajtípusoknak nevet adjanak és azokat egy-két talajfizikai jellemző alapján egymástól megkülönböztessék; vagy az, hogy a talajokat valamilyen gyakorlati felhasználás szempontjából csoportosítsák. Talajok megnevezése: A mélyépítési munkahelyen nagyon sok esetben van szükség arra, hogy a talajokat pontosabb vizsgálat nélkül gyorsan azonosítsuk. Például meg kell tudni ítélni egy töltésépítésre kiszállított talaj fajtáját, el kell tudni dönteni, hogy a kiemelt munkagödör alján valóban az a talaj van-e amelyikre a terv szerint alapozni kell, stb. Különféle egyszerű módszerekkel legalább közelítően osztályozni kell tudni a talajokat. A szemcsés talajok közül a kavicsok és a homokok szabad szemmel is felismerhetők. Szemrevételezéssel még a szemeloszlásukról is képet alkothatunk. A kötött talajok szabad szemmel már nem különíthetők el, különböző fogásokhoz kell folyamodnunk. A száraz rögöket ujjal szétnyomva érdemes vizsgálni, vagy víz alatti szétesésükből lehet fajtájukat megállapítani. Az iszapok könnyen szétnyomhatók, illetve gyorsan szétfolynak, az agyagok - minél kötöttebbek - annál nehezebben, illetve lassabban esnek szét. Nedves állapot esetén gyúrással, rázással lehet - bizonyos gyakorlat után - a plasztikusság mértékét megítélni. A másik jó lehetőség, hogy késsel sima felületet vágunk a mintán. Ha bársonyos lesz, iszappal van dolgunk, minél fényesebb, "szappanosabb" a felület annál kötöttebb a vizsgált anyag. A talajállapot sodrással értékelhető, a sodrási határtól való távolság - már kis gyakorlattal - elég jól megítélhető. A szervesség a bomlás miatti jellegzetes szagról és a sötétszürke-fekete színről ismerhető fel. Osztályozás talajfizikai jellemzők alapján: Talajok osztályozásánál általában két talajfizikai jellemzőt vesznek alapul: szemcsés talajoknál a szemeloszlási görbét, kötött talajoknál a plasztikus indexet. A szemeloszlási görbe olyan szemcsés talajok osztályozására alkalmas, amelyek csak kevés finom frakciót (iszap, agyag) tartalmaznak. Alapvető kérdés, hogy egy változó szemnagyságokból álló, több frakciót is tartalmazó talajt hogyan nevezzük meg: Jáky szerint ez a mértékadó szemnagyság (dm) ismeretében dönthető el. A talaj annak a frakciónak a nevét kapja meg, amelyikbe a mértékadó szemnagyság tartozik. Ez a módszer azonban csak szabályos szemeloszlási görbével bíró talajoknál adhat helyes eredményt, kevert talajoknál nem vezet célra. Egy másik módszer szerint a talajokat a szerint a frakció szerint nevezzük el, amelyikből a legtöbbet tartalmazza. Ez a módszer kavics- és homoktalajoknál alkalmazható, apróbb szemcséjű talajoknál azonban előtérbe lép a finom frakciók hatása, amelyek - kisebb arányuk ellenére is - döntően meghatározzák a talaj viselkedését. Mindenesetre megállapíthatjuk, hogy a 10

11 szemeloszlási görbéből csak durva tájékoztatást kaphatunk a talajok viselkedésére. Kötött talajok osztályozása a plasztikus index alapján történik. A talajfizikai tulajdonságok legtöbbje ugyanis kapcsolatba hozható a plasztikus index változásával, a folyási és sodrási határral. Éppen ezért a lényeges építési tulajdonságok szempontjából jól azonosítja a talajokat. Egyszerű lehetőséget ad a talaj osztályozására az Ip és wl alapján a Casagrande-féle osztályozási diagram. A képlékenységi grafikon (A) vonala kevés kivétellel elválasztja a szerves és szervetlen talajokat, amint ezt a tapasztalat is igazolja. Az azonos geológiai eredetű talajok pontjai egy tartományba esnek, többnyire az A vonallal párhuzamos sávot alkotnak. Az (Ao) vonal az Ip és wl összefüggés valószínű felső határértékét adja meg. Az (A) egyeneshez viszonyított helyzetváltozás bizonyos tulajdonságok változását jelenti; az egyébként azonos elnevezésű talajok tulajdonságaira pedig pontosabban következtethetünk. Ez az osztályozási módszer célszerűen alkalmazható nagy területek feltárása esetén a talajok osztályozására, a további laboratóriumi vagy helyszíni vizsgálatok szükséges és gazdaságos szinten tartásának az eldöntésére. A plasztikus tulajdonságukat illetően a közel azonos szemeloszlási görbéjű talajok sokszor nagyon lényegesen eltérhetnek egymástól. Ez a finomszemcsék - iszap, agyag, kolloid agyag - kiemelt jelentőségére utal. A 8-as számú diatómaföldnél 27% az agyagfrakció, és képlékenységet még sem mutat, így konzisztenciahatárról sem beszélhetünk. A geotechnikában még számos más osztályozási módszer létezik, de ezekkel itt nem foglalkozunk. 12. Lineáris zsugorodás, duzzadás A különböző természeti hatások ciklikus ismétlődése miatt a talaj nemcsak az egyszeri zsugorodási folyamatot írja le, hanem ezt követően vizet vehet fel, megduzzad, majd a folyamat többször is megismétlődhet. A folyamat a fázisos állapotot tekintve legtöbbször irreverziblis. Az ábrán a (0) jelenti kezdeti természetes állapotot, (1) a kiszáradást, (2) a duzzadást és a tetszőleges folyamat utáni fázisos összetételt az (n). Ebből az következik, hogy megváltozik a talaj szilárdsági és alakváltozási tulajdonsága. Ezért elemeznünk kell a duzzadási folyamat néhány lényeges törvényszerűségét is. A duzzadási folyamatot az ábrán vázolt készülékben, kompressziós feszültségállapotban vizsgáljuk, ahol a vízszintes alakváltozás ε 1=0. A vizsgálatra előkészített talajmintát elárasztjuk és σ 1= konstans feszültség mellett mérjük a fajlagos duzzadást (β d = Δh/h) Ez a mennyiség lényegében a fajlagos térfogatváltozásnak az ellentétes folyamata. Az ábra konkrét esetben bemutatja a duzzadási folyamatokat; az idő és alakváltozás összefüggését, változó σ 1 feszültségek mellett. 11

12 Az ábra a fajlagos alakváltozás és feszültség összefüggését a szabad és gátolt duzzadás határértékeihez adja meg. A fajlagos duzzadás illetve duzzadási nyomás nagysága nagyon sok tényezőtől függ, pl. ásványi összetétel, talaj szerkezete, fizikokémiai folyamatok, szerves alkotórészek mennyisége stb. A duzzadási folyamat kialakulásában fontos szerepe van az előterhelésnek is. Ez a kísérletből is megállapítható, hiszen az előterhelés a szabad duzzadás mértékét jelentősen mérsékeli. A duzzadási hajlam megítélésére az aktivitás, plasztikus index és a szabad duzzadás értéke használható. A fajlagos szabad duzzadás lényegében a duzzadás potenciáljának is tekinthető. Az ábrán a római számok növekedésével a duzzadás mértéke és veszélye csökken. A duzzadási vizsgálat nagyon sokszor alkalmasabb a víztartalom változás hatására bekövetkező térfogat változási folyamatok elemzésére, mint a zsugorodási analízis. Ez a vizsgálat abból a szempontból is alkalmasabb, mert nemcsak az alakváltozást, hanem a duzzadási nyomást is elemezni lehet a vízfelvétel alatt. Ennek az elemzése azért is fontos, mert a vízfelvétel nem mindig duzzadást eredményez (ld. 84. ábrát). Ha a talaj laza, akkor a vízfelvétel roskadást is eredményezhet. A gyakorlati tapasztalatok szerint a folyási határnak és a száraz térfogatsűrűségnek van egy olyan összefüggése, amely mellett a víz hatása nem eredményez térfogatváltozást (βd= 0). Ha a talaj tömörsége csökken, akkor roskadási, ha tömörség növekszik, akkor duzzadási folyamat következhet be. A 2 ábra tömörített talajok alakváltozási folyamatait mutatta be. A jelenségek termett állapotú talajokban is hasonlóak. 13. Talajokban keletkező feszültségek A feszültség fogalomnak az értelmezésével nem foglalkozunk, az a korábbi tanulmányokból ismert. A mechanika a feszültség fogalmát olyan anyagokra (építőanyagokra) vezette be, amelyeket a molekuláris szerkezettől eltekintve - a makroszkopikus szilárdsági vizsgálat szempontjából folytonosnak lehet tekinteni, rájuk a differenciális elem fogalmát 12

13 is lehet alkalmazni. A talaj ezzel szemben diszperz rendszer, amelyben az alkotórészek - szilárd, víz, levegő - folytonos eloszlása még közelítően sem igaz. Vizsgáljuk meg a vízszintes térszínnel határolt végtelen félteret, amit egy durva szemcsés talaj (homok) tölt ki. A talaj az önsúlya hatására egyensúlyban van, részecskéi mozdulatlanok. A szemcsék közötti molekuláris eredetű felületi erők zérusnak tekinthetők. A talaj teljesen száraz, pórusait levegő tölti ki, abban a légköri nyomás uralkodik (Id. ábra). Ha a féltér felszínére egy végtelen kiterjedésű egyenletesen megoszló terhelést hordunk fel, akkor az a szemcsékben és a póruslevegőben feszültségeket okoz. A szemcsék elmozdulnak és egy új nyugalmi egyensúlyi helyzet áll elő. A folyamat közben a pórusokból a levegő egy része eltávozik, abban a nyomás ismét a légköri nyomással lesz azonos. A terhelés végül a talajtömeg összenyomódását okozza. Az összenyomódás nyilvánvalóan nem a szemcsék összenyomódásából jön létre, mivel ezek a mérnöki szerkezetek által keltett feszültségek mellett gyakorlatilag összenyomhatatlanok. Az összenyomódás a póruslevegő eltávozásából, a pórusok csökkentéséből származik. Ha a pórusokat víz töltené ki, akkor a folyamat nagyon hasonlóan következne be. Ekkor a pórusokból víznek kellene távozni, mivel a víz gyakorlatilag szintén összenyomhatatlan, a pórusok pedig nyitottak. A víz és levegő az ismert tulajdonságaik miatt - nyitott rendszerben - terhelést nem tudnak felvenni. Végső soron a terhelést csakis a szilárd vázszerkezet viseli. Tehát a talajtömeg nyugalmi egyensúlyi helyzetében nemcsak az önsúly, hanem a terhelésből származó többlet feszültségek is a részecskék érintkezési felületein adódnak át. A szemcsés halmazra ható erők az egyes szemcséken belül eltérő belső feszültségeket okoznak. Ezért bármilyen síkmetszetet vegyünk is fel, a feszültségeloszlás soha nem lesz folytonos még az egyes szilárd alkotórészeken belül sem. Ha az ábra x-x síkmetszetét vizsgáljuk meg, akkor a szemcsék érintkezési helyén nagy feszültség csúcsokat kapunk, a hézagok helyén viszont a terhelésből származó többlet feszültség nyugalmi egyensúlyi állapotban - zérus (ld. ábrát). Az ábra x-x metszetében működő tényleges feszültségek alapján értelmezhető és kiszámítható a feszültség átlagértéke. Feltételezhető, hogy nagyobb felületet véve figyelembe, a helyi feszültségcsúcsok kiegyenlítődnek; az átlagérték pedig a halmaz viselkedésének a leírására lesz alkalmas. Tehát talajokban keletkező feszültségek alatt mindig egy nagyobb méretű felületrészre ható, nem folytonos feszültségeloszlás statisztikai átlagértékét kell érteni, ha az elméleti vizsgálatokban ezt a differenciálszámítás alkalmazásával tárgyaljuk is. 14. Talajokban keletkező önsúlyfeszültségek számítása Alkalmazzuk egy vízszintes síkkal határolt, súlyos közeggel (γ) kitöltött, végtelen kiterjedésű, terheletlen térszín esetére (ld. a ábrát). Nyilvánvalóan síkbeli alakváltozási állapottal van dolgunk, mivel bármely függőleges sík szimmetria sík. Minthogy vízszintes irányban a végtelen kiterjedés miatt a feszültségállapotban változás nincs, ezért az x szerinti differenciálhányadosok zérussal egyenlők, és így σ z/ z= γ Az integrálást elvégezve a függőleges feszültség: σ z =z *γ +c A kerületi feltétel a felszín terheletlen voltából következik: ha z = 0, akkor σ z =0 tehát terheletlen súlyos közegben a teljes függőleges feszültség: σ z = z γ 13

14 Ennek a változását az ábra szemlélteti. Ha a végtelen félteret q intenzitású egyenletesen megoszló erő terheli, akkor: σ z=z* γ+c ha a kerületi feltételek szerint: z = 0, akkor σ z=q tehát: σ z= z* γ+q Ennek a változását a b ábra szemlélteti. Az itt bemutatott, egyenletesen megoszló felszíni tehertől eltérő eseteket az Alapozás c. tárgy ismerteti. A (σ,σ,τ ) x z feszültségek egyensúlyát kifejező egyenlet, önmagában nem ad lehetőséget a x σ feszültség meghatározására. Ehhez a mechanikából ismert feszültség és alakváltozás összefüggések alkalmazására van szükség. 15. Síkbeli feszültségállapot, Mohr kör Aktív feszültségi állapot A nyugalomban lévő földtömeg feszültségállapotát jellemző Mohr-féle kör még nem érinti a Coulomb-féle egyenest, tehát a törési feltétel még nincs kielégítve. A feszültségállapot megváltoztatása miatt hozzunk létre a talajban először egyenletes lazulást (expanziót), amely a természetben úgy játszódhat le, hogy a földet megtámasztó fal kissé előre billen a földnyomás hatására. Az előrebillenés nagysága egészen csekély, inkább "moccanásról" lehet beszélni. Az expanzió után egy vizsgált sík fölött elhelyezkedő talajréteg vastagsága változatlan addig, míg a Mohr-féle kör a Coulomb-féle egyenest érinti. 16. Talajtörés, Coulomb egyenes, földnyomások fajtái Talajtörés: Amikor valamilyen talajtörési problémát vizsgálunk, akkor a terhelt talajzónában törési mechanizmusokat tételezünk fel, vagyis az adott geometriai és mechanikai feltételek mellett veszélyesnek vélelmezhető tönkremeneteli (csúszási) felületek mentén bekövetkező (nagy) elmozdulások lehetőségét (valószínűségét) elemezzük. Gyakorlatilag mindig a Coulomb-féle törésfeltételt alkalmazzuk, azaz a nyírószilárdságot a törési síkon ható normálfeszültségből, a belső súrlódási szögből és a kohézióból számítjuk. Ezen belül két alapvető módszert különböztetünk meg. Coulomb egyenes: A Coulomb-Mohr-féle törési feltétel azt jelenti, hogy a talajtömegben a törés akkor következik be, ha a feszültségi állapotot jellemző Mohr-féle kör a Coulomb-egyenest érinti. A törés nem azon a síkon fog bekövetkezni, ahol a nyírófeszültség a legnagyobb, hanem ott, ahol az eredő feszültség a lehető legnagyobb szöget zárja be a felületelem normálisával. A csúszó lapot az α hajlású egyenes adja meg. Az egyenes egyenlete: A képletben szereplő (ϕ) a talaj belső' súrlódási szögét, (c) a kohéziónak a felületegységére jutó értékét jelenti (dimenziója kpa). Megjegyzés: Azt a felületet, amelynek minden egyes pontjában a fellépő' normál- és nyírófeszültség kielégíti az összefüggést, csúszó lapnak nevezzük. Földnyomások fajtái: A földnyomások problematikáját Terzaghi modellkísérletei tisztázták. Ő egy, az alsó sarokpontja körül elforduló, merev, függőleges fal mögé homoktalajt töltött, és mérte, miként változik a falmozgástól függően a 14

15 falra ható nyomóerő. A kísérletet és eredményeit a 3.2. ábra érzékelteti, mely szerint a falmozgástól függően háromféle földnyomási határállapotot lehet megkülönböztetni: Nyugalmi állapotban van a mozdulatlan fal mögötti talaj, amelyben a nyírószilárdság csak részben mobilizálódik, s a falra a kezdeti vízszintes feszültségek (σ x0), ill. eredőjük, a nyugalmi nyomóerő (E 0) hat. Aktív állapotban van a talaj által terhelt, a földtől elmozduló, távolodó fal mögötti talaj, melyben a nyírószilárdság teljesen mobilizálódik, ezért már viszonylag csekély (x a) elmozdulás után kialakulnak az aktív vízszintes feszültségek (σ xa) és ezek eredőjére, az aktív földnyomási erő (E α) értékére csökken a falra ható erő. Passzív állapot alakul ki a talajban, ha egy erő a talaj felé nyomja a falat, s ezzel szemben a mobilizálódó nyírószilárdság révén földellenállás fejlődik ki. Viszonylag nagy (xp) elmozdulás után fejlődnek ki a passzív földnyomási feszültségek (σ xp) és eredőjük, a passzív földnyomási erő (E γ). 17. Talaj szilárdsági paramétereinek meghatározása Egyirányú nyomókísérlet: A vizsgálathoz zavartalan talajmintát kell venni. Az egyirányú nyomókísérleti mintát növekvő tengelyirányú nyomásnak vetjük alá, a terhelést szabad oldalkitérés mellett törésig fokozzuk. Az egyirányú nyomókísérlet elvben megegyezik az építőanyagok (beton, habarcs, falazat, kőzet stb.) vizsgálatánál alkalmazott nyomópróbával. A kísérlet sajátosságából következik, hogy csak kohézióval bíró talajokra alkalmas a módszer. A talajból hengeres mintát készítünk, két nyomólap közé helyezzük, a mintára tengelyirányban növekvő terhelést adunk át és törésig fokozzuk. Terhelés közben mérjük a minta függőleges Ah és vízszintes Ad deformációját. Közvetlen nyírással: Eszköze a nyíródoboz, mely egy alsó és egy felső egymásra helyezett keretből áll, ami egymáshoz képest vízszintesen elmozdítható. A kísérleti eszköz szemcsés és kötött talajok vizsgálatára egyaránt alkalmas. A talajminta két fogazott szűrőkő vagy fésűs fémbetét közé kerül. A talajmintára állandó függőleges normális terhelést (N) adunk, az alsó keretet fixen rögzítjük, a felső keretre vízszintes nyíróerőt (T) adunk, amit a törésig fokozunk. A törés - a csúszólap - a keretek vízszintes elmozdulási síkjában alakul ki. A nyíróerőt növeljük és mérjük a minta vízszintes As és függőleges Ah deformációját. Az eredményeket többféleképpen ábrázolhatjuk: nyírófeszültséget a elmozdulás fv.-ében függőleges elmozdulást a vízszintes elmozd. fv.-ében nyírófeszültséget a normálfeszültség fv.-ében 15

16 Háromtengelyű nyomókísérlettel: A vizsgálatra előkészített talajmintát először egy vékony gumihártyával vesszük körül, a cellát vízzel töltjük fel, a cellában hidrosztatikus feszültségállapotot állítunk elő, tengelyirányban Aa deviátor feszültséget működtetünk, (vagyis a mintát tengelyszimmetrikus feszültségállapot alá helyezzük). A kísérletet úgy végezzük el, hogy a leírt feltételek mellett a mintát hidrosztatikus feszültségállapotba helyezzük. A mintát tengelyirányban törésig terheljük mind a két terhelési esetben a vizsgálathoz szükséges időt kivárjuk, ami attól függ, hogy melyik kísérleti típust választottuk. A Ah és Ad értékeit a deviátorfeszültség Aa növelésével együtt folyamatosan mérjük. A AV vagy (U) értéke közül a kísérlet feltételeinek megfelelő mennyiségeket megmérjük, a törési állapotot adó Mohr-kört és Coulomb-féle egyenest ábrázoljuk, a nyírószilárdsági paramétereket meghatározzuk. Meghatározás esetei: (UU, CU, CD vizsgálatok) 18. Talaj-víz kölcsönhatása 19. Talajvíz áramlás, Darcy törvénye Nagyon sok műszaki probléma megoldásában játszik fontos szerepet az a körülmény, hogy a víz könnyen vagy nehezen tud-e mozogni - szivárogni - a pórusokban. A talajnak ezt a tulajdonságát vízáteresztő képességnek nevezzük, ami egyike a legfontosabb talaj jellemzőknek. 16

17 A víz felületi feszültsége és a szemcsék felszínén fellépő erők hatása elhanyagolható. Feltételezzük, hogy a talaj vízzel teljesen telített (Sr = 1), a szilárd szemcsék vízmozgás hatására nem mozdulnak el, hanem szilárd vázszerkezetet alkotnak. Ilyen jellegű vízmozgást számos körülmény létrehozhat. Két tipikus példát az ábra szemléltet. A talajban a különböző alakú és nagyságú szemcsék között a pórusok egy teljesen rendszertelen hálózatot (változó átmérőjű, érdességű, zeg-zugos csőrendszert) alkotnak. Ezért a talajban lejátszódó folyamatok tárgyalása előtt vizsgáljuk meg egy d átmérőjű, állandó keresztmetszetű, egyenes csőben áramló víz törvényszerűségeit. A fizikából ismert, hogy ez a mozgás kétféle lehet: Lamináris mozgás, ahol a részecskék pályája meghatározott és egyik sem metszi a másik útját. Turbulens mozgás, ahol a részecskék pályái szabálytalanok, egymást keresztezik. Az alapvető törvényt, amely eldönti, hogy mely esettel van dolgunk, Reynolds határozta meg. A kísérletei alapján megállapítható, hogy a sebesség és a gradiens - egységnyi hosszra eső nyomásveszteség - között különböző törvényszerűséget követő szakaszok határolhatók el. A sebesség növelésétől, illetve csökkentésétől függően három szakasz adható meg (ld. I., II., III.). A vízmozgás lamináris és turbulens szakaszát a kritikus sebesség (vk) határolja el. Amennyiben a vízmozgás sebessége ennél kisebb, a vízmozgás lamináris. Reynolds kimutatta, hogy A képlet felhasználásával igazolható, hogy a talajban fellépő vízmozgás sebessége - még durvaszemcsés talajokban is - jóval alatta marad a kritikus értéknek. Ezért a szivárgási kérdések elemzésében mindig lamináris vízmozgást tételezünk fel. A hidraulikus gradiens az egységnyi hosszra jutó potenciál különbséget (vagy potenciálesést) jelenti: Definiálhatjuk az egységnyi térfogatra jutó áramlási erőt: Darcy-törvény: v=k*i A Darcy-féle törvény szerint a sebesség a nehézségi erővel egyenletesen, a súrlódási ellenállással fordítottan arányos. (Elhanyagoljuk a tehetetlenségből származó ellenállásokat.) Ezért a törvény érvényességét sok kutató vitatja. A tapasztalatok szerint a törvény érvényességének van egy felső és egy alsó határa. Az áteresztőképességi együttható számszerű meghatározására három lehetőség van: laboratóriumi vizsgálatok; helyszíni vizsgálatok; elméleti tapasztalati képletek. 20. Áteresztőképességi együttható meghatározása A talaj áteresztőképességi együtthatójának a meghatározásához természetes állapotú zavartalan mintát kell venni, mivel az a szerkezettől és a tömörségtől is függ. Állandó víznyomású készülék (állandó potenciálkülönbség): Az állandó víznyomással működő készüléket kizárólag nagy áteresztőképességű talajok vizsgálatára alkalmazzuk. A zavartalan 17

18 mintát egy fémhengerbe helyezzük, amelynek az alsó síkja egy durva szitaszöveten áll. A mintát tartó fémhengert vízzel telt edénybe állítjuk. Az alsó és felső edényben a vízszint állandóságát folyamatos vízutánpótlás mellett túlfolyókkal biztosítjuk. A kísérlet a Darcy-törvényen alapul. Egy (h) konstans víznyomás mellett megmérjük az (A) keresztmetszetű mintán (t) idő alatt átfolyó (Q) vízmennyiséget. A mérési adatokból az áteresztőképességi együttható számolható: Változó víznyomású készülék (változó potenciálkülönbség): Kis áteresztőképességű talajokban változó víznyomásos készüléket használunk. Ezt a módszert akkor alkalmazzuk, ha az átfolyó vízmennyiség kevés, és még a párolgás is meghamisítaná a mérést. Ilyen esetben az átfolyó vízmennyiséggel arányos nyomásváltozást mérjük meg. A vizsgálatra előkészített mintát és a hozzá csatlakozó A 0 állandó keresztmetszetű beosztással és csappal ellátott üvegcsövet. Ha a vázolt berendezést vízzel feltöltjük, a csapot megnyitjuk, akkor megindul a vízszivárgás. A vázolt készülékben a víz a mintán alulról fölfelé áramlik és az állandó szintet a minta fölötti túlfolyó biztosítja. A vízszivárgás megindulása után az (A 0) keresztmetszetű csőben a vízszint és ezzel együtt a nyomása fokozatosan csökken. A csőből eltávozó víz azonban az (l) hosszúságú (A) keresztmetszetű mintán szivárog át. Az (A 0) keresztmetszetű csőben (t1) időpontban (h1) és (t2) időpontban (h2) nyomást mérhetünk. A mérési adatokból az áteresztőképességi együttható számolható: Többrétegű rendszerek: Az építmények altalaja rendszerint különböző rétegekből áll. Ilyenkor szükség lehet az áteresztőképességi együttható átlagértékeinek a meghatározására. ahol (z) a teljes rétegvastagság, (zi) az i-edik réteg vastagsága, (ki) az i-edik réteg áteresztőképességi együtthatója. 21. Hidraulikus talajtörés és megelőzése. Talajfolyás jelensége Talajtörés: Függőleges talajvíznyomás esetén az önsúlynak nagyobbnak kell lennie, mint az áramlásból keletkező veszteség magasságnak. Talajtörés következik be, ha: i krit<i tényleges (hmax/lmin) Ekkor alakulhat ki pl. buzgárképződés, amely kimossa a teherbíró talajt az építmények és műtárgyak alól, jelentős állékonysági problémákat, esetenként teljes tönkremenetelt idézve elő. Megelőzés: i tényleges csökkentése nyomómagasság csökkentése (buzgár megfogása) átfolyási hossz növelése (vízzáró réteg beépítése) Talajfolyás: Erős rázkódás vagy a földrengéseket kísérő rezgéshullámok hatására a talaj tömörödni kezd, a szemcsék közötti hézagok térfogata lecsökken. Ha ezek a pórusok korábban vízzel voltak telítve, akkor a pórusvíz nyomása 18

19 megnő. Amennyiben ez a terhelés rövid időn belül többször is előfordult, tipikusan egy földrengés során, akkor a pórusvíz nyomása elérheti a felette lévő talajrétegek nyomását és a talaj úgy kezd viselkedni, mint egy viszkózus folyadék. A folyósodás hatására a talaj elveszti teherhordó szilárdságát és nagy deformációkat szenved. A talajfolyósodásra leginkább hajlamos talajok a fiatal, üledékes, homokos vagy löszös talajok (amelyek Magyarország nagy részét is borítják), amelyek több méter vastag rétegben fekszenek és vízzel teltek. Ezek a leggyakrabban folyómedrek mellett, tavak vagy tengerek partján vagy olyan helyen fordulnak elő, ahol a szél homokot vagy löszt halmozott fel. A földrengések mellett a talajfolyósodás okozza a folyós homok vagy fosóhomok néven ismert jelenséget. A talajszemcsék közötti távolság és a közöttük elhelyezkedő víz mennyiségétől függően a talajok kétféleképpen reagálnak a nyomásra. Az első esetben a laza szemcsés homok az első nyomás hatására folyósodik, azonnal elveszti szilárdságát és folyadék módjára kezd viselkedni. A második esetben a talaj kezdetben a nyomás hatására megkeményedik, azonban ha a nyomás ciklikusan ismétlődik (pl. földrengések talajhullámai) és a ciklusok között a nyomás nem csökken, akkor bekövetkezik a ciklikus talajfolyósodás. A folyósodás mértéke ebben az esetben függ a talaj sűrűségétől, a nyomásciklusok mértékétől és idejétől, illetve a talajban felhalmozódott feszültségtől. 22. Kapillaritás talajokban Kapilláris jelenségek a talajban: A vékony hajszálcsövekben a víz a talajvízszint fölé emelkedik és ott tartósan megmarad. A kapilláris csőben fölemelkedő vízoszlop magasságát képletekkel határoztuk meg. A talajokban lévő hézagok zegzugos hálózata a sima falú kapilláris üvegcsövektől nagy mértékben eltér. A talaj szabálytalan kapilláris csőrendszerében az emelkedés magasságát a felületi feszültség illetve a vízfilm nyomása hozza létre. A bonyolult szerkezet nagyon összetett állapotot eredményez. Ez elsősorban abban fog jelentkezni, hogy a hézagok különböző méretei miatt egyes helyeken kisebb, máshol nagyobb lesz az emelkedés magassága, és emiatt a talaj egy bizonyos határ fölött háromfázisúvá válik. A víztartalom eloszlása a talaj tulajdonságain - a hézagok rendszerén - kívül a talajvízszint magasságának is a függvénye. Fontos szerepet játszik a fázisos összetétel kialakulásában az a körülmény is, hogy az egyensúlyi állapot hogyan jött létre: Az eredetileg száraz talajban a talajvízszint emelkedése révén kapilláris vízmozgás indul meg, és a fázisos állapot megváltozása ennek lesz az eredménye. Az eredetileg vízzel telt talajban a talajvízszint jelentősen lesüllyed, a gravitációs és kapilláris erők hatására egy új, megváltozott fázisos állapot alakul ki. Annak ellenére, hogy mind a két esetben ugyanaz a két erő működik, a talajvízszint fölötti talajban a fázisos összetétel jelentősen eltér egymástól. A viszonylag durvaszemcsés talaj telítettségének a változását a szabad talajvízszint feletti magasság függvényében az 1. ábra szemlélteti. Az a ábra a kapilláris vízfelszívást, a b ábra a nehézségi erő hatására bekövetkező víztelenítést mutatja. Az (1) és (1') pontok a maximális telítettség tartományait jelölik. A h kmin - a minimális emelkedés magassága, ahol a telítettség konstans és közel áll az egységhez. A h k0 - a zárt kapilláris víz tartományát adja, ahol közelítően Sr 1,0. A (2) pont a kapilláris vízfelszívás - emelkedés - magasságát (h k), a (2') a maximális kapilláris emelkedés magasságot h kmax határozza meg. A (2') pont azt a magasságot mutatja, ameddig víztelenítés után folytonos vízszálak maradhatnak fenn. A négy különböző magasság a kapilláris emelkedés határértékeit adja meg vízfelszívás és víztelenítés esetére, ahol: h kmin<h k0<h k<h kmax 19

20 A víztelenítés és vízfelszívás hatására kialakuló különböző magasságokat a 2. ábra alapján egyszerűen be lehet látni. Ha egyenes falú csőről van szó, akkor a kapilláris magasság konstans, amit a mindenkori csőátmérő határoz meg, ha a felületi tulajdonság illetve α értéke változatlan. Ha un. öblös - kiszélesedő és keskenyedő - csövet vizsgálunk, akkor emelkedésnél a d1, víztelenítésnél d2 átmérő lesz a meghatározó, következésképpen a kapilláris csőben a vízszint nem lesz konstans a két esetben, mert a csőátmérő sem konstans. A kapilláris emelkedés magassága nagyon sok tényezőtől függ: a pórusok nagyságától (alakjától, a tömörségtől); szemcseösszetételtől (a mérettől, az alaktól, a felület tulajdonságaitól); a vízfilm tulajdonságaitól, a kapilláris egyensúly kialakulás feltételeitől; a víz tulajdonságaitól (hőmérséklettől, összetételtől). A kapilláris folyamat szempontjából lényeges az a körülmény, hogy milyen a talaj kezdeti telítettsége. Minél nagyobb ez az érték, annál kevesebb vizet képes kapilláris úton felszívni (ld. 72. ábrát). Egy finom homok kezdeti telítettségének (Sr) a függvényében konstans idő (t = 10 ) alatt bekövetkező végső telítettség (S r) összefüggését a 72. ábra srafozott területe szemlélteti. A kezdeti telítettség növekedésével a végső telítettség fokozatosan csökkent. A kötött talajokban agyagokban, iszapokban a vízmozgás jellege egész más, a hézagok kicsik, a bennük lévő víz jórésze erősen kötött. A kapilláris mozgást létrehozó erőknél jóval nagyobb elektromos erők kötik le a vizet a szemcse felületére, ezért szabad pórustér alig áll rendelkezésre. Ezekben a talajokban a mozgás rendkívül lassú. Az agyagokban többnyire akkor tapasztalunk a nehézségi erővel szembeni, térfogatváltozással nem járó mozgást, ha annak másodlagos szerkezete van, ha elválási síkok hálózzák be. Kapilláris vízmozgás törvényszerűségei: Az 1. ábrán vázolt kapilláris jelenségekből látszik, hogy az emelkedés magassága nem jellemezhető egyetlen számmal. A gyakorlatban a legtöbbször a (h k) kapilláris emelkedés magasságára és a (h k0) zárt kapilláris tartomány magasságára van szükség. Az első a fagyveszély elemzéséhez, az utóbbi a gravitációs víztelenítés hatásának a vizsgálatához szükséges. A kapilláris vízmozgással kapcsolatos törvényszerűségekből a (h k, h k0) meghatározását, a kapilláris emelkedés időbeli folyamatát és a gravitációs víztelenítés hatását elemezzük. A (h k) érték, a kapilláris vízfelszívás határmagassága legegyszerűbben úgy határozható meg, hogy egy vízzel telt edénybe beállítunk egy 8-10 mm belső átmérőjű üvegcsövet, amelybe a száraz, szemcsés talajt a természetes állapotnak megfelelő tömörségűre berázzuk. A vízfelszívást - a kapilláris úton átnedvesedett talajfelszín magasságát - az idő függvényében meghatározzuk. A kísérletet megfelelő hosszú ideig folytatva, a kapilláris emelkedés és idő összefüggése meghatározható (Id. 3. ábrát). Ha a mérési adatokat kettős logaritmikus koordináta-rendszerben ábrázoljuk, akkor a kapilláris emelkedés két egyenes szakasszal írható le. Az első szakasz a közel telített talajzónát, a másik a nyílt kapilláris zónát írja le. Ha nem vizsgáljuk, hogy a kapillárisán átnedvesedett tartományban, a szabad talajvízszint felett milyen relatív nedvesség alakul ki, csupán az átnedvesedő tartomány határát keressük az idő függvényében, akkor jól alkalmazható Jáky közelítő képlete: h k=a*t b ; ahol (t) az időt, (a) és (b) a kísérlet alapján a vizsgált talajra meghatározott paramétereket jelenti. Ezzel a módszerrel homokok, iszapos homokok és homoklisztek vizsgálhatók. Agyagokra ez a vizsgálat nem alkalmas. A 4. ábra jellegzetes kapilláris emelkedés görbéket mutat be. Az emelkedés mértéke és sebessége a különböző talajoknál igen erős eltérést mutat. Homokokban a sebesség gyors, és rövid idő alatt kialakul a végső érték. Homokliszt és iszapos homokliszt talajban az emelkedés hasonlóan gyors és az emelkedés magassága is nagyobb. Agyagtalajokban az emelkedés lassú, de itt éri el a víz felemelkedése a legnagyobb értéket. 20

21 23. Szűrőszabály A szűrő-védő réteg a felső finomszemcsés és az első szigetelőréteg fölötti szivárgó réteg közé kerül, de egyszerűbb esetekben szerepét betöltheti maga a szivárgó réteg is. Feladata kettős: biztosítani a csapadékvíz bejutását a szivárgó rétegbe megakadályozni a kimosódó finom szemcsék révén a szivárgó réteg eltömődését Anyaga lehet: természetes mesterséges (geotextília) A természetes anyagú szűrőréteg meghatározott, a szűrőszabálynak megfelelő szemeloszlású homokból, homokos kavicsból vagy kavicsból épített réteg. A szűrőréteg szemeloszlását alapvetően a hulladék szemcsemérete és szemeloszlása fogja meghatározni, s alkalmazhatunk bármely már jól bevált szűrőszabályt (kútszűrők, szivárgók méretezése). A klasszikus megoldás a Terzaghi féle szűrőszabály, ami a következőket kívánja meg: A szűrőréteg szemeloszlása megfelelő, ha a szemeloszlási görbéjén a 15 súlyszázalékhoz tartozó szemcseátmérő (D15sz) legalább négyszerese a hulladék megfelelő szemcseméretének (d 15h), de legfeljebb negyede a 85 súlyszázalékhoz tartozó hulladék szemcseátmérőjének (d 85h). 24. Fagyjelenség talajokban A hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő vízmozgás a természet közismert jelensége. A víz elsősorban páraként mozog a hidegebb és ezért kisebb nyomású helyek felé. Így van ez a talajban is, ám ott a vizsgálatok szerint még a szemcsék hidrátburkai között is lezajlik vízmolekula átadás, s az is a hidegebb hely felé irányuló vízmozgást eredményez. A mérések szerint a talajhőmérséklet hazánkban az ábra szerint alakul. A semleges szint kb. 4,0 m mélyen van, ez alatt a léghőmérséklet hatása már nem érvényesül, a talajhőmérséklet időben állandó. 2,5 m alatt azonban már alig van változás, legalább is nem akkora, hogy vízmozgást keltsen. A változások mértékét persze a talajfajta és a fedettség is befolyásolja. Látható, hogy télen, ill. nyáron hajnalban alakul ki felfelé csökkenő hőmérséklet, s ezzel felfelé irányuló vízmozgás. Az előbbi eredménye a megfagyó talajzóna elnedvesedése, az utóbbié a talajvízszintet csökkentő párolgás. Télen a felszín felől lehűlő talajzóna felé az előbbiek szerint alulról víz áramlik, s ott megfagy. Az iszapokban és az agyagokban ún. jéglencsék alakulnak ki, melyeket az alulról jövő víz egyre hizlal. A jéggé fagyó víz térfogata egyébként is megnő, így a jéglencsék szétrepesztik a talajszerkezetet, növelik a talajtérfogatot, megemelhetik a felszínt, illetve a ráhelyezett szerkezetet, esetleg össze is törhetik azt. Ezt a jelenséget hívjuk fagykárnak. Tavasszal az olvadás is felülről indul meg, a kiolvadt többletvíz azonban nem tud beszivárogni, mert alatta még jég van, ezért a felső zóna puha lesz, teherbírása erősen lecsökken. A rajta levő szerkezet a meggyengült alátámasztáson terhelés alatt tönkre mehet. Ez az olvadási kár. A károk akkor nagyok, ha a fagyás alatt sok víz juthat a jéglencsékhez, ami akkor valószínű, ha 21

22 a talajvíz közel van, s onnan a víz kapillárisan pótlódhat abba a zónába, ahonnan a hőmérsékletkülönbség miatt felfelé áramlik a víz, a talaj homokliszt, iszap, sovány agyag, mert ezekben elég gyorsan elég magasra emelkedhet kapillárisan a víz, jéglencsés fagyás alakul ki és elnedvesedve csökken a teherbírásuk, a fagyás viszonylag lassú és tartós, mert így van idő a kapilláris emelkedésre, mélyen átfagy a talaj, amivel növekszik a kritikus állapotba jutó talajzóna. Mindezeket az előírások szerint pontosabban is értékelni kell. Hazánkban úgy tartjuk, hogy a felszín alatti 2,2 m-nél magasabb téli talajvízszint már kritikus, ha a talaj homok+kavicstartalma 75 %-nál kisebb és egyben az iszap+agyagtartalom 10 % feletti. A fagymélységet általában cm-re vesszük az építés helyétől függően, de a felszínt takaró burkolatok hőszigetelő képességét figyelembe véve ez csökkenthető. Az épületek esetében általában úgy védekezünk a károsodás ellen, hogy az alapsíkot a fagyhatár alá helyezzük. Az új közlekedési pályák esetében a védelem fő módszere az, hogy a fagyhatárig csak fagyálló talajt (homokos kavicsot) építünk be. Régi pályák esetében - ha a terepadottságok azt lehetővé teszik - a talajvízszint csökkentésével érhetjük el a legjobb eredményt. 25. Talajok alakváltozása A talajra átadott terhelés feszültségeket és végső soron alakváltozásokat (süllyedéseket) okoz. Ennek mértéke és időbeli folyamata döntően a talaj tulajdonságaitól, az alkotórészek arányától; a terhelés nagyságától, sebességétől és eloszlásától függ. Az így bekövetkezett süllyedés általában négy részből tevődik össze: azonnali összenyomódás (szemcseváz átrendeződése); elsődleges konszolidáció (pórusvíz és póruslevegő kinyomódása); másodlagos összenyomódás (a finom szemcsék felszínén fellépő, a mozgás sebességét lassító erők hatása); oldalkitérés (a szemcseváz oldalirányú elmozdulása). Valamely építmény süllyedésének a nagysága és állékonysága végső soron attól függ, hogy a négy hatás közül melyek lesznek a dominánsak (Id. 1. ábrát). Az 1.a ábra egy terhelt alapesetet mutat. A 1.b ábra az alakváltozás időbeli folyamatát szemlélteti. Ha a vázolt alaptest alatt a talaj tulajdonsága, illetve az építmény által keltett feszültségek nagyságai változnak, akkor három jellegzetes alapeset fordulhat elő: y = konst. vonal akkor igaz, ha a (3) és (4) alatti süllyedésrész elhanyagolhatóan kicsiny. Ez elsősorban száraz vagy telített durvaszemcsés talajokban (kavics, homok, illetve kemény iszap, agyag talajokban) következik be. y konst. vonal akkor igaz, ha a (4) alatti süllyedésrész elhanyagolhatóan kicsiny. Ez a folyamat általában telített kövér agyagokra, szerves agyagokra, tőzegekre jellemző, ahol a finomszemcsék felszínén fellépő erők szerepe már jelentős, és a másodlagos hatás nem hanyagolható el. Az építmény tervezett élettartama alatt ezt az értéket is számításba kell venni. y vonal akkor igaz, ha az összes hatás érvényesül, de ezen belül a (4) hatása a domináns. Ez akkor áll elő, ha a talajra átadott terhelés nagy, vagy a talaj fizikai tulajdonságai kedvezőtlen irányba jelentősen megváltoznak. Ilyenkor a talaj belső ellenállását a külső erők legyőzik és "képlékeny folyási" jelenség indul meg, "talajtörés" következik be. A kérdés elemzésével az Alapozás tárgy részletesen foglalkozik. 22

23 Az építmények állékonysága miatt ennek az esetnek bekövetkezését nem szabad megengedni, vagy azt megközelíteni. Ha a talaj képlékeny határállapotának a bekövetkezésétől távol vagyunk, akkor oldalirányú elmozdulások nem jönnek létre, vagy legalábbis elhanyagolhatóan kicsiny értékűek lesznek. A talaj alkotórészei csak függőleges mozgást végeznek, un. kompressziós feszültségállapot uralkodik. A talaj alakváltozását tehát olyan kísérlet alapján elemezhetjük, ahol a talajminta terhelés hatására csak függőleges összenyomódásokat szenved, mert oldalirányban mereven le van határolva (ld. 2. ábrát). A 2.a ábra a kompressziós feszültség-állapotot, a 2.b ábra a kísérleti eszközt, az ödométert mutatja. Kompressziós feszültségállapotban aσ 3/σ 1=K 0=konstans; értékét a talaj fizikai tulajdonsága határozza meg, részletes elemzésével a Geotechnika tárgy foglalkozik. A 9.1 fejezetben kompressziós feszültségállapotban - ödométerben - vizsgáljuk a talajok alakváltozását. A készülék csak függőleges összenyomódást és függőleges vízmozgást tesz lehetővé. Két kérdést fogunk részletesen elemezni: Konstans terhelés alatt, az alakváltozás időben hogyan játszódik le; A terhelés változása, növelése vagy csökkenése hogyan hat ki a talajok végső alakváltozásának a nagyságára. 26. Konszolidáció, annak időbeli lefolyása Az építmények süllyedési folyamatának, stabilitásának és földművek állékonyságának a kérdéseiben a konszolidációnak nagy szerepe van. Ezért a pórusvíznyomás meghatározásának ma már nemcsak kiterjedt elméleti irodalma, hanem korszerű helyszíni és laboratóriumi eszköztára van. Itt a Terzaghi alapfeltevésein alapuló egydimenziós konszolidáció elméletével foglalkozunk. Az egydimenziós konszolidáció elmélete a következő feltételek alapján vezethető le: A talaj hézagai vízzel telítettek; A szilárd szemcse és a víz összenyomhatatlan; Érvényes a Darcy-törvény; Süllyedés csakis a víz eltávozásából következik be; Az összenyomódó réteg oldalirányban határolt, bármely vízszintes metszetben, egy adott időpontban a semleges, a hatékony és a teljes feszültség konstans; A talaj homogén, izotróp; A vizsgált feszültségi tartományban a talaj összenyomódási modulusa: ahol ε a fajlagos alakváltozás σ a hatékony feszültség. Az a ábra a vizsgált agyagréteg metszetét mutatja. A víz alsó és felső határfelületen el tud távozni. A réteg középvonalától a felszínig, illetve az alsó síkig a vízrészecskének (H) hosszúságú utat kell megtennie. A b ábra a hatékony és semleges feszültségek változását szemlélteti. Az 1-1 metszettől balra a terhelés előtti állapot, attól jobbra a terhelés utáni állapot t = 0, t > 0 és t időponthoz tartozó izokrónja látható. A folyamat leírásához vizsgáljuk meg egy z mélységű és dz elemi vastagságú réteg összenyomódását térben és időben. 23

24 Az egyenlet alapján a konszolidáció differenciál egyenlete a σ =σ + u feltétel szerint nem csak (u), hanem a (σ ) értékeire is igaz. A fenti egyenlet a hővezetés ismert differenciál egyenletével azonos. A differenciál egyenlet megoldása (ld. Kézdi: 1969) a részletek ismertetése nélkül: Az U0 a σ = konstans terhelés hatására t0 = 0 időpontban keletkező pórusvíznyomás. Elméletileg a vizsgált modellnél t0 = 0 időpontban σ 0 U, (N) tetszőleges egész szám, (T) időtényező (dimenzió nélküli szám). A képletben (k) a talaj áteresztőképességi együtthatóját, (Es) a talaj összenyomódási modulusát, (t) a terhelés pillanatától eltelt időt, (h) a vízrészecske legnagyobb úthosszát jelenti. Az utóbbi értéket nyílt és félig zárt talajrétegekre a 43. ábra szemlélteti. A képlet egy érdekes törvényt, az elsődleges konszolidáció modell-törvényét tartalmazza. Ha valamely esetben (k) és (Es) konstans, akkor egy (H) vastagságú réteg (t) konszolidációs ideje alapján, egy (H1) vastagságú réteg(t1) konszolidációs ideje számítható: A törvény szerint azonos fizikai jellemzők mellett a konszolidációs idők a rétegvastagságok négyzetével fordítottan arányosak. Ez a törvény azért fontos, mert a laboratóriumi modell alapján a tényleges állapot egyszerűen elemezhető. 24

25 27. Előterhelés, roskadás 27. Talajvízzel kapcsolatos talajmechanikai kérdések Talajvíznek a felszín alatti első vízzáró réteg feletti, a talaj hézagait összefüggően kitöltő vizet nevezzük. Ha felszínén légköri nyomás uralkodik, akkor szabad (nyílt) víztükrűnek nevezzük, ha felszínén nagyobb a nyomás, akkor nyomás alattinak (zárt víztükrűnek) A talajvíz felszínének alakja sokféle lehet. A legjellemzőbbeket az 1.9. ábra érzékelteti. A kiterjedt, többé-kevésbé sík vízfelszín a sík vidékekre jellemző. Koncentrált beszivárgás esetén alakulnak ki a vízdómok, míg egy vízzáró agyaglencse felett lebegő vagy altalajvíz jelentkezhet. Lejtős terepeken a vízfelszín általában követi a domborzatot, és tartós esés alakulhat ki nyílt vizek mentén is. Sajátos rétegviszonyok esetén a talajvíz tószerűen vagy talajvízfolyók formájában is jelentkezhet. A talajvíz szintje valamely helyen időben nem állandó, ezért dinamikus vízszintként szokás felfogni. Az évi vízjárás jellege alapvetően az éghajlattól függ, lehet óceáni vagy kontinentális jellegű. A vízjárást befolyásoló hatások szerint beszélhetünk zavartalan (szabályos) talajvízről; természetes hatások (folyók, stb.) által befolyásolt talajvízről; mesterséges hatások (pl. öntözés) által befolyásolt talajvízről. A vízszint helyzetét a csapadék, a párolgás, valamint az el- és hozzáfolyás időben és a mélységtől is függő aránya szabja meg. A talajvíz jellemzőit a dinamikus vízszint helyzete szerint az 1.5. táblázat foglalja össze. A talajvíz vegyi összetétele is rendkívül fontos, esetleges agresszivitása az építőanyagokban cserebomlást, oldódást, duzzadást okoz. A legveszélyesebb a szulfátion duzzasztó hatása. A hazai előírások különböző agresszivitási kategóriákat rögzítenek, melyeket elsősorban a szulfátion és a ph érték alapján kell megítélni. Az egyes kategóriákhoz védekezési módszereket is rendelnek. (Pl. növelt cementtartalom, vastagabb szerkezet, szulfátálló cement, stb.) A talajvízjárás évi menetgörbéjét zavartalan (kontinentális) talajvíztípus esetében a március-áprilisi maximum és a szeptember-októberi minimum jellemzi. Az előbbi annak következménye, hogy az őszi-téli csapadék, melyből a hőmérsékleti viszonyok miatt alig párolgott el, addigra beszivárog, a minimum viszont az erőteljes tavaszi-nyári párolgás miatt alakul ki. A vízjáték átlagosan 70-90, maximum cm, függ a mélységtől s a talajfajtától. A természetes módosító hatások közül a folyóké a legjelentősebb (1.10. ábra). Ha a talajvízhez közvetlenül kapcsolódik folyó vize (1), akkor a folyó váltakozóan táplálhatja és meg is csapolhatja a talajvizet. Az ingadozás és a kihatási távolság a talajfajtától függ. Ha a talajvíz vízzáró medrű folyó felett van (2), akkor talajvíz állandóan táplálja a folyót. Az ellenkező, viszonylag ritka esetben, a lebegő medrű folyó (3) független a talajvíztől. Az állóvizek hatása jellegében hasonló, de az ingadozás általában kisebb. A mesterséges módosító hatások közül a tározók a talajvízszint tartós növekedését okozzák. Az öntözés - ha a víz máshonnan kerül oda - viszont többféle hatást okozhat: időben s mértékében eltolódó, de egyébként a szabályoshoz hasonló vízjárást, arányos emelkedést a rendes" vízjárás fennmaradásával, 25