GEOTECHNIKA I. LGB-SE005-01

Átírás

1 GEOTECHNIKA I. LGB-SE5-1 TALAJALKOTÓK, TALAJALKOTÓK ARÁNYA, TALAJOSZTÁLYOZÁS Wolf Ákos

2 2 Talajok felépítése és tulajdonságaikat meghatározó fő jellemzők

3 Talajok főbb jellemzői 3 Heterogén anyag Mérnöki tulajdonságai pontról-pontra változhatnak A viselkedésük (-) általában nem lineáris an emlékezetük Anizotróp (mérnöki tulajdonágai eltérőek lehetnek a különböző irányokban) Az érintett talajtömeg viselkedését gyakran lokális imperfekciók, gyengébb rétegek befolyásolják Nagyobb tapasztalati korrekciók nagyobb biztonsági tényezők

4 Talaj alkotórészei 4 l v s h Fő alkotók: szemcsék - szilád fázis víz - folyékony fázis levegő - légnemű fázis Száraz állapot l = h s Egyéb alkotórészek szerves anyagok mész vagy más kötőanyagok Telített állapot v = h s

5 Talajok tulajdonságait meghatározza 5 alkotók saját tulajdonságai állandó, azonosító jellemzők alkotórészek aránya állapotjellemzők alkotók kapcsolatrendszere talajszerkezet talajt érő hatások talajtörténet

6 6 Talajalkotók tulajdonságai Szemcsék tulajdonságai

7 Szemcse tulajdonságai 7 méret alak anyagi összetétel sűrűség fajlagos felület

8 Szemcsék mérete 8 névleges átmérő: nagy szemcsék (d >,63 mm): Azon legkisebb kör vagy négyzet alakú nyílás mérete (átmérő/oldalhossz), amin a szemcse még éppen átesik. kis szemcsék (d <,63 mm): Annak az azonos sűrűségű gömb átmérője, mely folyadékban azonos sebességgel ülepedik frakció: durva kavics homok iszap agyag d mm 63 2,63,2 szemeloszlás: szemcsék, illetve frakciók súlyaránya

9 Szemcseméret beosztás 9 Szemcsecsoport Szemcsefrakció Jelölés Nagyon durva Durva Finom Kőtömb LBo > 6 Szemcseméret (mm) Görgeteg Bo > 2 6 Macskakő Co > 63 2 Kavicsok Gr > 2, 63 Durva kavics CGr > 2 63 Közepes kavics MGr > 6,3 2 Apró kavics FGr > 2, 6,3 Homokok Sa >,63 2, Durva homok CSa >,63 2, Közepes homok MSa >,2,63 Finom homok FSa >,63,2 Iszapok Si >,2,63 Durva iszap CSi >,2,63 Közepes iszap MSi >,63,2 Finom iszap FSi >,2,63 Agyag CI,2

10 Szemcseösszetétel jellemzése szemeloszlási görbe: valamely d átmérőnél kisebb szemcsék súlyszázaléka; Mkő (Co) MSZ EN ISO :25 Kavics (Gr) Homok (Sa) Iszap (Si) A. Durva (C) Köz. (M) Apró (F) Durva (C) Köz. (M) Finom (F) Durva (C) Köz. (M) Finom (F) (Cl) Fennmaradt tömegszázalék Átesett tömegszázalék ,3 2,,63,2,63,2,63,2 1,1,1,1 Durva Kavics Apró Durva Homok Köz. Finom MSZ 1443/3:198 Homokliszt Iszap A- gyag

11 Szemcseösszetétel jellemzése 11 százalékos összetétel: Gr, Sa, Si, Cl mértékadó szemcseátmérő: d m egyenlőtlenségi mutató: C u =d 6 /d görbületi mutató: C c =(d ) 2 /(d 6.d ) hatékony szemcseátmérő: d h =d Mkő (Co) MSZ EN ISO :25 Kavics (Gr) Homok (Sa) Iszap (Si) A. Durva (C) Köz. (M) Apró (F) Durva (C) Köz. (M) Finom (F) Durva (C) Köz. (M) Finom (F) (Cl) Kavics: 3 % 9 Fennmaradt tömegszázalék Homok: 59 % Iszap: 36% Átesett tömegszázalék ,3 2,,63,2,63,2,63,2 1,1,1,1 d 6 d m d d Agyag: 2%

12 Szemeloszlási görbe alakja 12 C U C C Lapos > Elnyúló 6 15 < 1 Meredek < 6 < 1 Lépcsős rendszerint nagy akármennyi (rendszerint <,5) Fennmaradt tömegszázalék C u = 22,7 C c =,2 C u = 46,3 C c = 3,4 C u = 1,9 C c = 1, Átesett tömegszázalék ,3 2,,63,2,63,2,63,2 1,1,1,1

13 Szemcseösszetétel jellemzése Homok Sa 2,mm > d >,63mm Kavics Gr d > 2mm Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm

14 Szemeloszlás vizsgálat Fennmaradt tömegszázalék szitálás hidrometrálás Átesett tömegszázalék 8 ha > % ,3 2,,63,2,63,2,63,2 1,1,1,1

15 Szemcsealak 15 Megnevezés alapja szögletesség/ legömbölyödöttség Alak Felület Szemcsealak Nagyon szögletes Szögletes Kissé szögletes Kissé legömbölyödött Legömbölyödött Jól legömbölyödött Zömök Lapos Hosszúkás Érdes Sima

16 Anyagi összetétel 16 ásványfajták kavics kőzettörmelék, kvarc homok kvarc agyag agyagásványok (kaolinit, montmorillonit, illit) jelentősége kavics, homok agyagok mechanikai szemcsekapcsolat, a víz szerepe a kapcsolatban jelentéktelen elektrosztatikus szemcsekapcsolat erős kapcsolódás a vízhez is

17 Szemcsesűrűség 17 jele, mértékegysége s g/cm 3 mérése piknométeres módszer - ritkán felvehető értéke 2,65 g/cm 3 2,7 g/cm 3 2,75 g/cm 3 kavics, homok iszap agyag

18 Fajlagos felület 18 definíciója: egységnyi tömegű szemcse felülete szélsőséges értékei kavics 1 cm 2 /g agyag 1millió cm 2 /g jelentősége: a felületi erők szerepe nő jellemzője: hatékony szemcseátmérő, d h d

19 19 Talajalkotók tulajdonságai íz tulajdonságai

20 íz fizikai tulajdonságai 2 gyakorlatilag összenyomhatatlan viszkozitása Newton törvénye szerint felületi feszültség kapilláris emelkedés a csőátmérővel fordítottan arányban halmazállapot-változások a nyomástól és a hőmérséklettől függően

21 Kapilláris emelkedés 21 A szegletvizekben fellépő kapilláris feszültség következménye a szemcséket összehúzó erő, s ezek összesége a kapilláris kohézió, mely értelemszerűen telítődés vagy kiszáradás esetén eltűnik.

22 íz halmazállapota 22 nyomás p kpa 1 jég víz gőz a telített vízgőz p=f(t) nyomása H, hőmérséklet t C

23 íz kémiai tulajdonságai 23 dipólus jelleg oka következménye: hidratáció disszociáció ph (savas, lúgos) elektrolitikus viselkedés koncentráció jelentősége

24 Felszín alatti vizek típusai 24

25 25 Talajalkotók tulajdonságai Egyéb alkotók tulajdonságai

26 Szervesség 26 Közelítő vizsgálat izzítási veszteség meghatározásával talajminta kiszárítása 6 C-on tömegmérés m 6 talajminta izzítása 6 C-on tömegmérés m 6 izzítási veszteség számítása I o = (m 6 m 6 ) / m 6 meszes talaj esetén előzetes vegyi kezelés szükséges Pontos vizsgálat oxidimetriás eljárással (MSZ ) talajoldat kezelése különböző vegyületekkel titrálás Mohr-sóoldattal tömegmérések viszonyítás tiszta oldatokhoz Talaj A szervesanyag-tartalom ( 2 mm) száraz tömeg százalékában Kissé szerves 2 6 Közepesen szerves 6 2 Nagyon szerves > 2

27 27 Talajalkotók arányai

28 Talajalkotók egymáshoz viszonyított arányai 28 l v s h 1+e e 1 e S r 1 l v s n w = m m v s v s. ρ. ρ v s e.s r. ρ 1. ρ s v víztartalom w = m v / m s homok 5 % agyag 2- % hézagtényező e = h / s homok,3-,6 agyag,5-1, telítettség S r = v / h talajvíz alatt minden talaj 1, talajvíz felett homok,2-,4 agyag,8-,9

29 Talajalkotók teljes térfogathoz viszonyított arányai 29 l v s h 1+e e 1 e S r 1 l v s n s l v hézagtérfogat n = v / szemcsetérfogat s = s / víztérfogat v= v / levegőtérfogat l= l / n = 1-s n = v+l s+v+l = 1

30 Talajok térfogatsűrűsége természetes ("nedves") térfogatsűrűség n = m n / száraz térfogatsűrűség d = m d / telített térfogatsűrűség t = m t / víz alatti térfogatsűrűség súly- és nyomásszámításhoz jellemző érték 1,8...2, g/cm 3 tömörségi mutatóként jellemző érték 1,7...2, g/cm 3 talajvíz alatti talajra jellemző érték 1,9...2,1 g/cm 3 = t - v felhajtóerővel csökkentett súlyból jellemző érték,9 1,1 g/cm 3

31 Állapotjellemzők meghatározása 31 mérhető jellemzők m n m d nedves tömeg száraz (5 C-on kiszárított) tömeg teljes talajtérfogat ismertnek tekinthető sűrűségek s v l szemcsék víz levegő számítási képletek ábra segítségével és definíciókból kiindulva m= összefüggés felhasználásával figyelembe véve m v = m n -m d m s = m d víz tömege szemcsék tömege

32 32 Talajszerkezet Szemcsekapcsolatok Szemcse-víz kapcsolat Szemcsék elrendeződése Hézagrendszerek Erőhatások

33 Szemcsekapcsolatok 33 szegletvíz közvetlen érintkezés Durva szemcsék kapcsolata közvetlen érintkezés normál- és nyírófeszültség Finom szemcsék kapcsolata negatív jellegű szemcsefelület diszpergált taszítóerő koagulálg - vonzóerő

34 Szemcse-víz kapcsolata 34 Szemcsés talajok Agyagok vékony hidrátburok vastag hidrátburok szegletvíz változó vízmegkötés kapilláris hatások elektromos felületi erők kapilláris kohézió változó konzisztencia jelentéktelen szerep meghatározó szerep

35 Kötött talajok konzisztenciája 35 konzisztencia definíciója: az anyagi összetartás mértéke konzisztencia ~ víztartalom kemény merev gyúrható puha konzisztencia határok: változás felmérése Atterberg-határok konzisztencia határ sodrási folyási jele w P w L célja a kemény és a képlékeny állapot elválasztása a folyós és a képlékeny állapot elválasztása gyakorlati tartalma jól megmunkálható % lejtőn lefolyik meghatározása sodrási vizsgálattal Casagrande vagy kúpos vizsgálattal

36 Folyási határ meghatározása 36 Casagrande készülék Kúpos penetrométer víztartalom w [%] 4 w L 2 kút behatolás [mm] 4 2 ütésszám n 25 2 w L 4 5 víztartalom w [%]

37 Finom szemcséjű talajok jellemzése 37 Plaszticitási index Konzisztencia index képlékeny tartomány hossza aktuális állapot jelzője vízfelvevő képesség mérőszáma talaj állandó tulajdonsága I p w L w p szilárdsági index I c w w L L w w p w p w w L w I p = w L -w p I c 1 kemény merev gyrúrható puha folyós

38 Talajszerkezet 38 homokok - kavicsok agyagok csekély összenyomhatóság jelentős összenyomhatóság vibrációs tömöríthetőség gyúró tömörítés súrlódási ellenállás kohéziós ellenállás nagy vízáteresztő képesség kicsi vízáteresztő képesség

39 Szemcsés talajok tömörségi jellemzése 39 durva szemcsék vázszerkezete kitöltve finom szemcsékkel finom szemcsék mátrixában úszó durva szemcsék aktuális állapot jellemzője mechanikai index e max és e min laboratóriumban meghatározható e akt nehezen meghatározható I D e e max max e e min I D felvétele becsléssel (fúrás, közvetett mérés) tömör e min e e max e laza I D 1

40 Talajtörténet 4 jelentősége: talajok emlékeznek az őket ért hatásokra ( memory of soil ) keletkezés módja keletkezés utáni hatások tengeri üledékek feszültségváltozások folyóvízi üledékek szélhorda üledékek reziduális talajok konszolidáció tehermentesülés vízszintingadozás vízmozgások kiszáradás-elnedvesedés fagyás-olvadás cementálódás talajmozgások földrengés gravitációs mozgás

41 41 Talajosztályozás

42 Szabványi háttér 42 MSZ EN ISO : Geotechnikai vizsgálatok, Talajok azonosítása és osztályozása, 1. rész: Azonosítás és leírás közelítő talajazonosítás és leírás szemcsék, plaszticitás, szervesség vizuális és manuális vizsgálatok alapján MSZ EN ISO : Geotechnikai vizsgálatok, Talajok azonosítása és osztályozása, 2. rész: Osztályozási alapelvek MSZ : Talajmechanikai vizsgálatok, Talajok megnevezése talajmechanikai szempontból pontos talajazonosítás és osztályozás szemeloszlás, plaszticitás, szervesség laboratóriumi vizsgálat alapján

43 Talajosztályozás rendje 43 Alapvető jellemzők szemcseméret, frakciók plaszticitás szervesség tagoltság rétegzett, keveredett jelleg geológiai eredet Másodlagos jellemzők állapot egyéb alkotórész szemalak szemcseérdesség szag, szín helyi elnevezés

44 Talajok felismerése MSZ EN ISO Szemcsés talajok a szemcseméret megítélése szemrevételezéssel Nedves kötött talajok késsel vágott felület (iszap matt, agyag fényes) rázogatás, nyomogatás (az iszap gyorsan az agyag lassan adja le és veszi fel a vizet) Száraz kötött talajok szétesés vizsgálata rög vízbemártásával (iszap gyors, agyag lassú) Kötött talaj konzisztenciája sodrással (morzsalékos kemény, vékony szál puha)

45 Talajleírás MSZ EN ISO főfrakció-mellékfrakció nagyon durva és durva szemcséjű talajok tömegarány a meghatározó finom és vegyes összetételű talajok plasztikus viselkedés, vízzel való kapcsolat a meghatározó rétegzettség különböző vastagságú és kiterjedésű rétegek sorozata eredeti rétegződés összekeverve, áthalmozva folytonosság különböző talajfajtákat szétválasztó felületek egy talajon belüli gyenge felületek geológiai eredet szervesség szerves szennyeződés szerves talaj

46 Szervesség 46 Megnevezés Szerves szennyeződés Régi MSZ szerint MSZ EN ISO szemcsés talajok kötött talajok Jellemzés > 3% > 5% Szerves talaj MSZ EN ISO Jellemzés Szervesanyag tartalom ( 2 mm) tömegszázalékban Kissé szerves 2 6 Közepesen szerves 6 2 Nagyon szerves > 2 Rostos tőzeg Rostos megjelenésű tőzeg Amorf tőzeg Mocsári üledék Humusz Rostos szerkezet, könnyen felismerhető növényi szerkezet, csekély szilárdság Felismerhető növényi szerkezet, de annak már nincsen szilárdsága Növényi szerkezet nem látható, pépszerű konzisztencia Lebomlott növényi és állati maradványok, lehetnek szervetlen összetevői is Növényi maradványok, élő szervezetek és váladékaik szervetlen összetevőkkel vegyesen, ez alkotja a termőtalajt

47 Talajosztályozás 47 Nagyon durva és durva szemcséjű talajok (szemcsés talajok) Finom szemcséjű talajok (kötött talajok) Szárazon ömleszthetők Nem plasztikusak Szárazon szilárdak plasztikusan viselkednek Az osztályozás alapja MSZ :26 iszap + agyag tartalom plasztikus index S,63 [%] I P [%] a szemeloszlás, ha < 4 < a plasztikus index, ha > 4 > a szemeloszlás és a plaszticitási < 4 > index együttesen értékelve, ha > 4 <

48 Szemcsés talajok osztályozása 48 Agyag cl d >,2mm Gr = kavics Sa = homok Si = iszap Cl = agyag S = talaj Jelmagyarázat Homok Sa 2,mm > d >,63mm gr = kavicsos sa = homokos si = iszapos cl = agyagos 2 4 Si clsi sicl Cl Si sasi saclsi sasicl sacl clsi sicl Cl grsi grclsi grsicl grcl sisa clsa grsasis grsacls grsasi grsacl sagrsis sagrcls sagrsi sagrcl Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm Si és/vagy Cl grsa sasigr saclgr sigr clgr cl si sagr si és/vagy cl Sa és/vagy Gr 6 7 Kavics Gr d > 2mm 8 9 Sa és/vagy Gr 4 15 Sa grsisa grclsa Gr Gr = kavics Sa = homok Si = iszap Cl = agyag S = talaj Jelmagyarázat gr = kavicsos sa = homokos si = iszapos cl = agyagos Homok Sa 2,mm > d >,63mm 2 4 Si clsi sicl Cl 5 6 sasi saclsi sasicl sacl grsasi grsacl ISZAP/ AGYAG sisa clsa grsi grclsi grsicl grcl sagrsi sagrcl Sa 2 HOMOK grsisa grclsa grsasis grsacls sagrsis sagrcls grsa sasigr saclgr sigr clgr 4 5 sagr KAICS Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm 6 7 Gr Kavics Gr d > 2mm 8 9

49 Szemcsés talajok osztályozása 49 Agyag cl d >,2mm Gr = kavics Sa = homok Si = iszap Cl = agyag S = talaj Jelmagyarázat Homok Sa 2,mm > d >,63mm gr = kavicsos sa = homokos si = iszapos cl = agyagos 2 4 Si clsi sicl Cl Si sasi saclsi sasicl sacl clsi sicl Cl grsi grclsi grsicl grcl sisa clsa grsasis grsacls grsasi grsacl sagrsis sagrcls sagrsi sagrcl Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm Si és/vagy Cl grsa sasigr saclgr sigr clgr cl si sagr si és/vagy cl Sa és/vagy Gr 6 7 Kavics Gr d > 2mm 8 9 Sa és/vagy Gr 4 15 Sa grsisa grclsa Gr Gr = kavics Sa = homok Si = iszap Cl = agyag S = talaj Jelmagyarázat gr = kavicsos sa = homokos si = iszapos cl = agyagos Homok Sa 2,mm > d >,63mm 2 4 Si clsi sicl Cl 5 6 sasi saclsi sasicl sacl grsasi grsacl grsi grclsi grsicl grcl sisa clsa sisa clsa sagrsi sagrcl Sa grsisa grclsa grsasis grsacls sagrsis sagrcls 2 grsa sasigr saclgr sigr clgr 4 5 sagr Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm 6 Gr=3% Sa=59% Si=36% Cl=2% 7 Gr Kavics Gr d > 2mm 8 9

50 Szemcsés talajok osztályozása 5 Gr = kavics Sa = homok Si = iszap Cl = agyag S = talaj Jelmagyarázat gr = kavicsos sa = homokos si = iszapos cl = agyagos Homok Sa 2,mm > d >,63mm 2 4 Si clsi sicl Cl 5 6 sasi saclsi sasicl sacl grsi grclsi grsicl grcl sisa clsa Sa grsisa grclsa grsasis grsacls grsasi grsacl sagrsis sagrcls sagrsi sagrcl 2 grsa sasigr saclgr sigr clgr 4 5 sagr Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm 6 7 Gr Kavics Gr d > 2mm Iszap +Agyag Si + Cl d <,63mm Si clsi sicl cl si si Agyag cl d >,2mm Si clsi sicl Cl Si és/vagy Cl cl si si és/vagy cl Sa és/vagy Gr Agyag cl d >,2mm Sa és/vagy Gr Cl Gr=3% Sa=59% Si=36% Cl=2% Si és/vagy Cl sisa (iszapos homok) si és/vagy cl Sa és/vagy Gr Sa és/vagy Gr 4 15

51 Szemcsés talajok osztályozása 51 egyenlőtlenségi mutató: C u d d 6 görbületi mutató: C c d d 6 2 d C U C C Lapos > Elnyúló 6 15 < 1 Meredek < 6 < 1 Lépcsős rendszerint nagy akármennyi (rendszerint <,5)

52 Finom szemcséjű (kötött) talajok osztályozása 52 Plaszticitási index I p [%] MSZ EN ISO MSZ régi MSZ 154 csoportnév megnevezés gyűjtőnév megnevezés nem plasztikus (szemeloszlás alapján) gyengén kötött homokliszt iszapos homokliszt -15 kissé plasztikus iszap 15-2 közepesen sovány agyag 2- plasztikus közepes agyag - nagyon plasztikus kövér agyag közepesen kötött erősen kötött iszap sovány agyag közepes agyag kövér agyag

53 Szemcsés talajok állapota 53 MSZ EN ISO MSZ Tömörségi index megnevezés I D [%] 15 nagyon laza Relatív tömörség T re [%] régi MSZ 154 megnevezés 1/3 laza laza közepesen tömör 1/3 2/3 közepesen tömör tömör 85 nagyon tömör 2/3 1 tömör

54 Finom szemcséjű (kötött) talajok állapota 54 Konzisztencia index I c [-] MSZ EN ISO MSZ régi MSZ 154 < folyós nagyon puha,25 nagyon puha,25,5 puha puha,5,75 gyúrható könnyen sodorható,75 1, merev sodorható 1, 1,5 kemény kemény 1,5 < nagyon kemény

55 Osztályozási példák 55 sárgásbarna, legömbölyödött szemcséjű, dunai tömör homokos kavics (sagr) kékesszürke, kissé szerves, pannon kemény közepes agyag (Cl) szürke, finom homokerekkel átszőtt, barna, pleisztocén puha közepes agyag (Cl)

56 Mintapélda - állapotjellemzők 56 Feladat: Egy homokminta valamennyi állapotjellemzőjének (e, w, S r, n, d, t, ) kiszámítása. Mért adatok: hengered minta geometriai mérete: d=4 cm, h=6 cm, mért tömegek: m n =154,24 g, m d =137,23 g. Felvehető paraméterek: szemcse sűrűsége: n = 2,65 g/cm 3 térfogat: d h , 4 cm 3

57 57 íztartalom: Hézagtényező: Telítettség: Ellenőrzés: Mintapélda - állapotjellemzők %, m m m m m w d d n d v , m m e d s s s s s s s h 72 1, m m m m m m m m S d s d n v s d s s v v s s v v s v v h v r S v r s v S e m m w

58 Mintapélda - állapotjellemzők 58 Természetes térfogatsűrűség: n m n m d m v s s v v 1 s e S 1 e r v 2, 5 g cm 3 Száraz térfogatsűrűség: m d s d S r = d 182, 3 Telített térfogatsűrűség: g 1 e cm e 1 e cm m t s g S r = 1 t t 2, 13 3