Mérnöki faszerkezetek II. Dr. Wittmann, Gyula

Mérnöki faszerkezetek II. Dr. Wittmann, Gyula

Mérnöki faszerkezetek II.: Dr. Wittmann, Gyula Publication date

Tartalom 1.... 1 1. Mérnöki faszerkezetek II.... 1 2.... 2 1. 15. Faszerkezetek tárolása, szállítása, szerlése... 2 1.1. 15.1. Faszerkezetek tárolása... 2 1.2. 15.2. Faszerkezeti elemek megfogása... 3 1.3. 15.3. Faszerkezeti elemek szállítása... 5 1.4. 15.4. Faszerkezetek szerelése... 9 1.4.1. 15.4.1. Elemek egyenkénti elhelyezése... 9 1.4.2. 15.4.2. Kapcsolt elemek ill. mezők szerelése... 12 1.4.3. 15.4.3. Összevont gyártás és szerelés... 15 3.... 16 1. 16. Faszerkezetek alapozása... 16 1.1. 16.1. Talajmechanikai alapfogalmak... 16 1.1.1. 16.1.1. A talajok fizikai tulajdonságai... 16 1.1.2. 16.1.2. A talaj szilárd alkotórészei... 23 1.1.3. 16.1.3. A talaj folyékony és légnemű alkotói... 25 1.1.4. 16.1.4. A talajban előforduló egyéb anyagok... 29 1.1.5. 16.1.5. A talajok osztályozása... 30 1.1.6. 16.1.6. Vízmozgás a talajban... 32 1.1.7. 16.1.7. A talajok alakváltozása és szilárdsága... 38 1.1.8. 16.1.8. A talaj önsúlyfeszültségei... 46 1.1.9. 16.1.9. A talajok teherbírása, a süllyedések számítása... 53 1.2. 16.2. Talajfelderítés és talajmechanikai szakvélemény... 73 1.2.1. 16.2.1. A talajfelderítés célja és módszerei... 73 1.2.2. 16.2.2. Talajmechanikai szakvélemény... 77 1.3. 16.3. Alapozási módok, eljárások... 78 1.3.1. 16.3.1. Faszerkezetek alapozásának sajátosságai... 78 1.3.2. 16.3.2. Facölöpök alkalmazása... 78 1.3.3. 16.3.3. Favázas épületek síkalapozása... 79 1.3.4. 16.3.4. Az alapok kivitelezésének főbb szabályai... 115 4.... 118 1. 17. Faszerkezetek építésével kapcsolatos építéshelyszíni mérési és kitűzési feladatok... 118 1.1. 17.1. Mérő és kitűző eszközök, mérőműszerek... 124 1.1.1. 17.1.1. Egyszerű mérő és kitűző eszközök... 124 1.1.2. 17.1.2. A közvetett távolságmérés eszközei és eljárásai... 129 1.1.3. 17.1.3. Geodéziai műszerek szögmérő elemeinek leolvasó berendezései 134 1.1.4. 17.1.4. Geodéziai műszerek... 137 1.2. 17.2. Mérési és kitűzési eljárások... 142 1.2.1. 17.2.1. Mérési feladatok... 142 1.2.2. 17.2.2. Kitűzési eljárások... 148 5.... 154 1. 18. A faszerkezetek méretezését és gyártását befolyásoló sajátosságok... 154 1.1. 18.1. A természetes faanyag és a faalapú anyagok fizikai-mechanikai tulajdonságainak anizotrópiája... 154 1.1.1. 18.1.1. Az anizotrópia mint a belső mikro- és makroszerkezeti felépítés következménye... 155 1.1.2. 18.1.2. A fizikai-mechanikai tulajdonságok leírása... 161 1.1.3. 18.1.3. Rugalmas tulajdonságok... 166 1.1.4. 18.1.4. Elaszto-viszkózus tulajdonságok... 179 1.1.5. 18.1.5. Elaszto-plasztikus tulajdonságok... 187 1.1.6. 18.1.6. Keménységi tulajdonságok... 194 1.1.7. 18.1.8. Faszerkezeti eleinek erőtani méretezésének alapelve... 206 1.2. 18.2. Az inhomogenitás hatása a faanyag és faalapú anyagok feszültségi és alakváltozási állapotára... 217 1.2.1. 18.2.1. Az inhomogenitás modellezése... 217 iii

Mérnöki faszerkezetek II. 1.2.2. 18.2.2. A réteges felépítés befolyása a külső terhelésből származó feszültségek eloszlására, eredő rugalmas állandók... 218 1.2.3. 18.2.3. Faszerkezeti elemek sajátfeszültségei... 234 6.... 269 1. Irodalomjegyzék... 269 1.1.... 271 1.1.1. Egyéb kiadványok... 271 iv

1. fejezet - 1. Mérnöki faszerkezetek II. Szerkesztette: Dr. Wittmann Gyula Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó Budapest, 2001 Ez a könyv a Földművelésügyi és Vidékfejlesztési Minisztérium Intézményközi Tankönyvkiadási Szakértő Bizottsága támogatásával készült. Az agrár-felsőoktatásban javasolt tankönyv. Írta: Dr. Wittmann Gyula Bátki Károly Dr. Kosztka Miklós Dr. Szalai József Lektorálta: Dr. Mistéth Endre Dr. Rónai Ferenc ISBN 963 356 331 3 Dr. Wittmann Gyula, 2001 Kiadja a Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó 1142 Budapest, Erzsébet királyné útja 36/b Telefon: 252-4772 Szerkesztette: Tabéry Gábor Tipográfia: Keresztes Júlia Felelős szerkesztő: Krecz Ildikó Felelős kiadó a kiadó ügyvezető igazgatója 1

2. fejezet - 1. 15. Faszerkezetek tárolása, szállítása, szerlése 1.1. 15.1. Faszerkezetek tárolása A faszerkezeti elemek tárolásának problémája a gyártást követően többször is felvetődik: a gyártócsarnokban, raktárban, építés helyszínén. Az említett helyeken kialakítandó tárolási rend több tényezőnek a függvénye, melyek: a rendelkezésre álló terület méretei, a tárolt szerkezeti elemek méretei, súlya, jellege ill. alakja, a tárolás és mozgatás céljára rendelkezésre álló eszközök, gépek típusa stb. az építés helyszínén az alkalmazott építéstechnológiai eljárás is. Ideiglenes, ill. kültéri tárolóhelyek kiválasztása során sár- és növényzetmentes, száraz, kiegyenlített felületű terepszakaszt kell választani. A máglyázás során a faanyagú alátétek és hézaglécek méreteit és kiosztását úgy kell megválasztani, hogy biztosítva legyen az elemek feszültség- és alakváltozás-mentes helyzete, ne lépjen fel az elemek felületi benyomódása vagy sérülése (az alátétek felülete és kiosztása biztosítsa, hogy a fajlagos felületi nyomás maradjon a faanyag rostra merőleges nyomószilárdsága alatt), biztosított legyen a máglya akadálytalan átszellőzése, máglyabontás során legyen elkerülhető az elemek sérülése. Helyes máglyakialakításokat szemléltet a 15.1. ábra. 15.1. ábra. Tartószerkezetek máglyázása 2

15.2. ábra. Tárolt tartószerkezeti elemek csapadék elleni védelme Ha a máglyák nedvesség elleni védelmére ideiglenes jelleggel fóliaborítást alkalmazunk (15.2. ábra) a fólia belső felületén meg kell akadályozni, hogy a harmatponti hőmérséklet elérésekor páralecsapódás történjen (átszellőzés, perforálás). 1.2. 15.2. Faszerkezeti elemek megfogása A szerkezeti elemek mozgatása, betárolása, felterhelése stb. során több alkalommal is meg kell fogni és fel kell emelni azokat. Az elemek megfogását lehetőleg gyorsan ugyanakkor biztonságosan és az elem sérülésének elkerülése mellett kell megoldani. Az elemek közvetlen megfogására kenderkötél ill. nagy szilárdságú textilheveder szolgál (15.3. ábra). Nagyobb súlyú elemek esetében még textilheveder alkalmazása esetén is kívánatos az élvédő alátétek használata (15.3. ábra), melyek készülhetnek fából, gumiból, esetleg más rugalmas anyagból. A függesztő kötél egy-, kettő- és többágú (15.4. ábra) lehet. A kötél ágai közötti szög értékét az emelés hatására a szerkezeti elemben fellépő derékerő (15.5. ábra) csökkentése érdekében 120 alatt kívánatos felvenni (15.4. ábra). Tömör-, rétegelt-ragasztott és rácsos tartóelemek a szelvényméretükből adódóan, gyakran elégtelen merevséggel rendelkeznek és így helytelen megfogás esetén fennáll 15.3. ábra. Textilhevederes megfogás (függesztés) 15.4. ábra. Függesztőkötél kialakítások 3

15.5. ábra. Az emelés során fellépő derékerő 15.6. ábra. A kihajlás veszélye emelés közben a kihajlás ill. a törés veszélye (15.6. ábra). Ilyen esetekben a statikus tervező feladata az emelés közbeni megfogási pontok meghatározása. Viszonylag egyszerűen oldható meg a panelelemek megfogása és emelése, például a tömör szelvényű panelkeretbe hajtott szemes függesztőcsavarok segítségével. Ha az elemeket fekvő ill. bizonyos szög alatt hajló helyzetben (pl. tetőelemek) kell megemelni (15.7. ábra), kissé bonyolultabb a helyzet. Ilyenkor az egyes kötélhosszak helyes megválasztásával tudjuk az elemek helyzetét megválasztani és stabilizálni. Nagyobb szerkezeti elemek emelésekor ún. kiegyenlítő himbákat alkalmaznak (15.8. és 15.9. ábra). Ilyenkor a derékerőket maga a kiegyenlítő himba veszi fel, ill. azok a szerkezeti elemben kismértékben ill. rövid szakaszon (a kötélágak között) jelentkeznek. 15.7. ábra. Födém illetve tetőelemek megfogása és emelése 15.8. ábra. Tartók kiegyenlítőhimbás emelése (1 tartó, 2 görgők, 3 függesztőkötél, 4 himba) 4

15.9. ábra. Panelek (felületelemek) kiegyenlítőhimbás emelése (1 hosszirányú himba, 2 keresztirányú himba, 3 függesztőkötél) 15.10. ábra. Oszlopelemek megfogása és emelése Az ún. oszlopelemek emelése rátételem vagy furaton át dugott köracél segítségével viszonylag egyszerűen megoldható (15.10. ábra). Nagyméretű elemek függőleges helyzetű tartásához (pl. bebetonozás) táv- ill. önkioldó függesztő himbákat is kifejlesztettek. Kisebb méretű elemek (pl. szelemenek) megfogása és emelése csoportosan is történhet. 1.3. 15.3. Faszerkezeti elemek szállítása A tartószerkezeti elemek szállítása során problémát jelenthet, hogy az elemek felületei rendszerint bizonyos mértékű felületkezelést kapnak a gyártó üzemben és a szállítás során meg kell akadályozni ezeknek a bevonatoknak a sérülését. A másik probléma az elemek méreteivel van összefüggésben. A kisebb méretű elemek szállítása a már említett felületi érzékenységük ellenére ritkán okoz problémát, mert hosszuk nem vagy csak kismértékben haladja meg a szállító jármű méreteit, súlyuk viszonylag kicsi, az elemek elmozdulás ellen jól és könnyen rögzíthetők a rakfelületen. Közepes fesztávolságú elemek egyszerű utánfutó alkalmazásával és az elfordulás lehetőségének biztosítása mellett közönséges gépkocsival is szállíthatók (15.12. ábra). A tartók csapadék és kisebb mechanikai sérülések elleni fóliás védelmét szállítás közben is alkalmazni lehet. Jelentősen nagyobb gondot okozhat a nagy fesztávolságú szerkezetek szállítása. A szállítás vasúton vagy közúton szokásos, esetenként vízi úton és kivételesen (rövidebb útszakaszon) akár helikopterrel is történhet. Nagy fesztávolságú és különleges alakú szerkezetek vasúti szállítása sokszor csak úgy oldható meg, hogy a mozdony mindössze egy-két vasúti kocsit vontat (15.13. ábra). Nagyobb üzemek a közúti szállítás céljaira különlegesen kialakított járműveket (15.14. ábra) tartanak fenn, melyek könnyebbé teszik ezt a komplikált műveletet. Az ilyen különleges szerelvények közlekedése csak útvonalengedély alapján, gyakran csak éjjel, továbbá felvezető- és kísérő kocsi alkalmazása mellett engedélyezett. Előzetesen pontosan tanulmányozni kell az útvonalat (alagutak és aluljárók, felüljárók, vasúti kereszteződések, kanyarulati viszonyok stb.). Szükségből a szállítás univerzális eszközök igénybevételével is történhet (15.15. ábra), ez azonban nagy körültekintést igényel. 5

15.11. ábra. Szelemenek felterhelése és szállítása 6

15.12. ábra. Közepes fesztávolságú egyenes tartók szállítása és védelme 15.13. ábra. Nagy fesztávú fa tartók vasúti szállítása 7

15.14. ábra. Nagyméretű elemek szállítása speciális gépkocsival Nem egyszerű feladat a lamella-elemek szállítása sem, például héj szerkezetek építéshelyszíni gyártásához, amikor az említett problémák mellett további gondot okoz a kis szelvényméretű elemek szállítás közbeni biztonságos alátámasztása és megfogása (15.16. ábra). Különleges szállítási feladat a paneles vagy kész (cellás) faházak szállítása. A paneleket gyakran különleges kialakítású kalodás rakfelületű gépkocsikkal végezzük, mert ezek a szerkezetek nagyon érzékenyek. A panel felületein alkalmazott lemezborítás akár kisebb igénybevételek hatására is megsérülhet. Ezért az elemeket leginkább álló helyzetben, megfelelően kitámasztva és merevítve szokták szállítani. Ennek biztosításában segít a panelméretek figyelembevételével kialakítandó kalodás megfogási rendszer. A cellás jellegű házakat összeszerelt állapotban szállítják. Hasznos a konténerméret alkalmazása, mert a különleges szállító járművek jelentős részének rakfelülete is ehhez igazodik. 15.15. ábra. Nagy fesztávolságú elemek szállítása tréleren 8

15.16. ábra. Vékony, hosszú lamellák szállítása tréleren 1.4. 15.4. Faszerkezetek szerelése Faszerkezetek szerelésén az építés helyszínén végzendő szerelési jellegű munkálatokat értjük. Az előszerelés fogalomkörébe tartoznak azok a munkálatok, melyek a körülmények függvényében a gyártó üzemben vagy az építés helyszínén egyaránt készülhetnek. Ilyen feladat a kapcsolószerelvények és kötőelemek elhelyezése, ha az valamilyen okból nehezebb szállítás, gépjármű kihasználás stb. nem az üzemben történik. Ezt a feladatot rendszerint megfelelően el lehet végezni a majdani épület területén nyers padozatán. Ebbe a kategóriába sorolható az elemek ikresítése is, amikor az üzemben legyártott szóló elemeket beemelés ill. beépítés előtt páronként össze kapcsoljuk, ikresítjük. A tulajdonképpeni szerelés történhet az elemek egyenkénti elhelyezésével, összekapcsolt elemek (mezők) beemelésével és szerelésével, a gyártás és szerelés egy fázisban végzett összevont megoldásával. 1.4.1. 15.4.1. Elemek egyenkénti elhelyezése Az elemenkénti elhelyezés jellemzőnek mondható a faszerkezetes építés egyes területein: a hagyományos ácsszerkezetek egy részénél, a faházépítés szinte valamennyi formájánál, esetenként az oszlopra támaszkodó tartószerkezetek beemelésénél, ritkán a 2 és 3 csuklós szerkezetknél, üzemben előregyártott térrács- és felületszerkezetek egy részénél, egyéb faszerkezeteknél (zajvédő létesítmények, vízi építkezés stb.). Természetesen ez esetben eltekintünk attól a nyilvánvaló ténytől, hogy a szerkezetek egy része még a gyártó üzemben több szerkezeti elem összekapcsolása útján jön létre. Ilyenkor az elemekből összeállított tartót tekintjük egy szerkezeti elemnek. 9

Az elemenkénti elhelyezés sémája a 15.17. ábrán látható. Szerelés során a szerkezeti elemek közötti kapcsolatok végleges kialakításáig különösen nagy gondot kell fordítani az ideiglenes kapcsolatokra és a szél elleni merevítésre. Három csuklós szerkezetek elemenkénti szerelése, sokban hasonlít a következőkben tárgyalandó kapcsolt szerelési eljáráshoz. Eltérés csupán annyi, hogy 2-2 szemben elhelyezkedő főtartó egyenként kerül beemelésre, s a szelemenek és szélrácsrudak minden mezőben utólagosan nyernek elhelyezést. Ritkán, talán csak kiegészítő jelleggel indokolt alkalmazni, mert nagy az elemek kihajlásának veszélye. Oszlopelemek elhelyezésekor gyakori követelmény a függőleges helyzet beemelés közbeni biztosítása. Nagyobb méretű elemek beemelésekor célszerűen befolyásolható és szükség szerint rögzíthető az elem térbeli helyzete irányítókötelek használatával (15.18. ábra). A rögzítőelemek elhelyezéséhez legkedvezőbb az emelőkosár alkalmazása (15.19. ábra). 15.17. ábra. Elemenkénti szerelés sémája 10

15.18. ábra. Irányítókötelek használata 11

15.19. ábra. Gépkocsira szerelt emelőkosár 1.4.2. 15.4.2. Kapcsolt elemek ill. mezők szerelése Előzetesen összekapcsolt tartóelemek szerelése (beemelése) elsősorban oszlopra támaszkodó tartószerkezetek egy részénél (15.20. ábra), háromcsuklós keretek és íves tartók, fahidak stb. esetében nevezhető jellemzőnek. Összekapcsolt elemek (mezők) beemelése során különös gondot kell fordítani a kapcsolatok szakszerű kialakítására, a megfogási helyek megválasztására. Az összekapcsolt mezők kialakítása a talaj szinten történik. Beemelés után az ideiglenes biztosítás eszközeit (támaszok, andráskereszt) csak a végleges kapcsolatok kiépítése és ellenőrzése után szabad eltávolítani. Kapcsolt mezők szerelésével a háromcsuklós szerkezetek építése során találkozunk a leggyakrabban. Az eljárást három csuklós ívek szerelésén keresztül mutatjuk be (15.21. ábra). 12

15.20. ábra. Szomszédos tartóelemek összekapcsolása beemeléshez 15.21. ábra. Háromcsuklós ívek kapcsoltmezős szerelési sémája A szerelés fontosabb fázisai: Az egyik oldal tartóelemeinek beemelése, a talpponti csapszegek elhelyezése és a tartók építmény belseje felé történő buktatása úgy, hogy a gerinccsukló a talajra helyezett pallón vagy alacsony támasztóbakon támaszkodjon. A tartók felső (belső) harmadában az oldalirányú kihajlást gátló ideiglenes ácsolat kialakítása és elhelyezése. A szomszédos főtartókat összekötő szelemenek, szélrácsrudak (ha vannak) esetleg más merevítőelemek elhelyezése és rögzítése. 13

A másik (szemközti) oldal tartóinak beemelése és buktatása úgy, hogy a gerinccsukló vasalása az előző tartók élfelületein vagy megfelelően kialakított támaszokon nyugodjon. 15.22. ábra. Háromcsuklós ívek emelése és szerelése A kihajlást gátló ideiglenes támasz és az összekötő elemek behelyezése a szomszédos tartók közé. Két szemközti daruval az összekapcsolt mezők felemelése a talpcsukló körül eszközölt elforgatással, a gerinccsukló csapszögének behelyezése (emelőkosárból). Az üres mezők (minden második) szelemenjeinek behelyezése és rögzítése. A vázszerkezet beszabályozása, hosszirányú merevítése (függőlegesbe állítás, szélrácsrudak meghúzása), a segédtámaszok eltávolítása. Héjaló, szigetelő és burkolóelemek elhelyezése. A beemelés gyakorlati végrehajtására mutat példát a 15.22. ábra. A szomszédos mezők utólagos összekapcsolásakor a szükséges távolság beszabályozására jó szolgálatot tesznek a házilag is kialakítható csavarorsós szabályozók, amikor az U-alakú fogófejeket a főtartók szelvényére ráhúzva, hosszúszárú szárnyas anyával lehet a távolságot beszabályozni. így a szelemenek elhelyezése melyeket daruval akár csoportosan lehet a tetőre emelni rendkívül egyszerűvé válik. Egyenes tartókból kialakított háromcsuklós szerkezetek esetén ha 1 db, de nagyobb teljesítményű daru áll csak rendelkezésünkre a szomszédos főtartókat a pillérek felső felületére rögzített görgőkön célszerű elhelyezni úgy, hogy a gerinccsukló csapszögét a tartók beemelésével és megfelelő alátámasztásával egy időben a helyére teszik, majd a két tartópárt a szelemenek és szélrácsrudak behelyezésével összekapcsolják és a daru gerinctáji megfogással addig emeli azokat, míg a talpcsuklók csapszögei is behelyezhetők lesznek. Az emelést rendkívül óvatosan kell végrehajtani, s a tartók alsó (talpcsukló felőli) részének oldalirányú megtámasztását az emelés során acél támasztóbakokkal szükséges biztosítani. Különösen nagy súlyú vagy/és nagyobb kiterjedésű kapcsolt szerkezeti egységek pl. nagyobb fesztávolságú hidak, tartórácsok, helyszínen előregyártott héjszerkezeti részegységek stb. beemelésekor ugyanazon kapcsolt elem emeléséhez két daru egyidejű alkalmazására is szükség lehet. Ilyenkor a pontos összehangolt munka alapkövetelmény. Az irányítás a körülményektől függően vizuális úton vagy rádió alkalmazásával egyaránt megoldható. 14

1.4.3. 15.4.3. Összevont gyártás és szerelés Bizonyos szerkezeteknél (pl. egyes héj szerkezetek, függőtetők) előfordulhat, hogy szállítási vagy egyéb problémák miatt a szerkezetet nem lehet üzemben készre gyártani, legfeljebb egyes alkotóelemek előzetes legyártásának van meg a lehetősége. így a gyártás részben vagy netán teljes egészében az építés helyszínén történik, a gyártás és szerelés műveletei összemosódnak. Az ilyen probléma megoldása építéstechnológiai szempontból is nagyon összetett feladat. Gyakran van szükség bonyolult szerelőállványzat kialakítására (pl. egyes függőtetők szerelése, építése). Beemelés szempontjából pedig együtt jelentkezik a nagyméretű, nagy súlyú előregyártott elemek (pl. rétegelt-ragasztott tartók) és a filigrán, hosszú, de kis szelvényméretű (instabil) és kis súlyú lamellák beemelésének igénye. Rendkívül nagy körültekintést igényel az esetleges építéshelyszíni ragasztás is. Ismert tény, hogy mérsékeltövi klimatikus adottságaink mellett kevés az olyan napok száma, amikor a szabadtéri klíma 24 órán át folytatólagosan megfelel a ragasztási követelményeknek. így a szerelés alatt álló félkész szerkezetet gyakran óvni kell az időjárási behatásoktól (hő, víz, pára, szennyezés). Nagy kiterjedésű szerkezetek védelme (takarása) drága és körülményes. A ragasztott szerkezeti részek pedig a ragasztó teljes kikeményedéséig részlegesen sem terhelhetők. Különleges gondosságot igényel továbbá a szükséges présnyomás és a nyomás egyenletes eloszlásának biztosítása. 15

3. fejezet - 1. 16. Faszerkezetek alapozása 1.1. 16.1. Talajmechanikai alapfogalmak A talajjal mint teherbíró szerkezettel, ill. mint építőanyaggal a talajmechanika foglalkozik, támaszkodva a geológia, talajtan, mechanika, fizika és hidraulika eredményeire. Vizsgálja a talaj mérnöki szempontból fontos fizikai tulajdonságait, ismerteti ezek meghatározását, valamint azokat az alapelveket, amelyek a földből készült, vagy földet megtámasztó szerkezetek, alapozások méretezésénél, tervezésénél felhasználhatók. A talajmechanikai ismeretek alapján határozhatók meg azok az építési módok és előírások, amelyek az építéssel foglalkozó mérnökök számára fontosak. A talajmechanika sajátos semiempirikus tudomány. A műszaki jellemzőket befolyásoló nagyszámú tényező miatt a valós helyzet leegyszerűsítésével tudja az ismert törvényszerűségeket alkalmazni. Ezeket laboratóriumi kísérletekkel és helyszíni megfigyelésekkel kiegészítve vonja le a végső következtetéseket, és adja meg a felmerülő kérdésekre a megfelelő válaszokat. 1.1.1. 16.1.1. A talajok fizikai tulajdonságai Az építőanyagként vagy teherviselésre szánt talaj a földkéreg felső, mállás útján kialakult viszonylag vékony rétege, amelynek kialakulásában különböző erők játszottak szerepet és hozták létre a talaj elsődleges szerkezetét. A talajszerkezet kialakulásakor a durva szemcsék esetében a nehézségi erő játssza a szerepet, ennek hatására egyszemcsés szerkezet jön létre. A finom szemcsés talajokban a talajszerkezet kialakulásában már a szemcsék felületén fellépő erők is hatnak és sejt, ill. pehely szerkezet alakulhat ki. Külső hatásokra (időjárás, terhelés stb.) a talaj elsődleges szerkezete másodlagos szerkezetté alakulhat, alapvetően megváltoztatva az elsődleges szerkezet tulajdonságait. A talaj fizikai tulajdonsága ezért elsősorban nem az eredeti kőzettől, inkább a szilárd alkotók szemcseméretétől függ. A talaj keletkezésekor nem jön létre a szilárd alkotók homogén rendszere, hanem egy háromfázisú diszperz rendszer jön létre, amelyben a szilárd rész mellett megjelenik az ezeket körülvevő és a hézagokat kitöltő víz és a levegő is. A háromfázisú talajban fellépő Fizikai, kémiai erők, a vízben keletkező feszültségek kombinációinak nagy száma miatt a talaj nem jellemezhető egyetlen fizikai jellemzővel. Ahhoz, hogy a talaj különböző hatásokkal szemben tanúsított viselkedését meghatározhassuk, a talajfizikai jellemzők sorozatát kell figyelembe venni. 1.1.1.1. 16.1.1.1. A talaj alkotórészeinek értelmezése és jellemzése A talaj, mint háromfázisú diszperz rendszer szilárd, folyékony és légnemű anyagok különböző arányú keveréke. Szilárdnak tekintjük ebben a rendszerben a 105 C-on súlyállandóságig kiszárított talajrészt, míg az eközben eltávozott vizet folyékony fázisnak nevezzük. A teljes térfogatra kiegészítő hányad a légnemű fázis (16.1. ábra). 16

16.1. ábra. A talaj fázisos összetétele A talaj szilárd részének jellemzésére szolgál a testsűrűség, amely a hézagmentes talajtömeg térfogategységnyi mennyisége: ahol: ρ s a talaj testsűrűsége, kg/m 3, m d a súlyállandóságig szárított talaj tömege, kg, V s a súlyállandóságig kiszárított talaj hézagmentes térfogata, m 3, amit piknométerben lehet meghatározni. A talajok testsűrűségét az ásványi összetétel határozza meg és a talajt alkotó ásványok átlagos testsűrűségeként értelmezhető. Az ásványi talajok testsűrűsége szűk határok között változik, ezért a kisebb pontosságot igénylő talajmechanikai számításokhoz táblázatból is kivehető ez az adat (16.1. táblázat). 16.1. táblázat. A talajok átlagos testsűrűsége Talaj Testsűrűség ρ s, t/m 3 Kavics, homok 2,65 Lősz, homokliszt, homokos iszap 2,67 Iszap 2,70 17

Sovány agyag 2,75 Kövér agyag 2,80 A folyékony fázis jellemzésére szolgál a víztartalom. Ez kifejezi, hogy a 105 C-on szárítással eltávolított vízmennyiség hogyan aránylik a kiszárított talaj tömegéhez: ahol: w a talaj víztartalma, %, m n a talaj nedves tömege, kg, m d a 105 C-on kiszárított talaj tömege, kg. 1.1.1.2. 16.1.1.2. A talajalkotók mennyiségének meghatározása A szilárd, folyékony és légnemű részek arányainak változásával a talaj állapota is megváltozik. Ez kihat a talaj építési tulajdonságaira is, ezért a fázisarányok változását rögzíteni kell. A fázisok jellemzése az egységnyi térfogatú talajrészben jelenlévő szilárd (s), folyékony (v) és légnemű (l) anyag részarányával (térfogatarányával) történhet (16.1. ábra). A talaj teljes térfogata: V = V s + V v + V 1. Végigosztva V-vel, a fázisok térfogatarányát kapjuk: A fázisarányok kifejezhetők a talaj és a víz testsűrűségének ismeretében. A szilárd rész mennyisége: A folyékony rész mennyisége: A levegő mennyisége: l = 1 (s + v). A fázisarányokat háromszögdiagramban ábrázolva az adott talaj állapotát egy pont fogja jellemezni. A fázisarányok változását egy pontsor jellemezi, amelyet összekötő vonal kifejezi a talaj állapotának változását. 1.1.1.3. 16.1.1.3. A halomsűrűség 18

A háromfázisú talajra jellemző mennyiség a teljes tömeg és a teljes térfogat arányát kifejező viszonyszám, a halomsűrűség: Ez az érték a nedves talajokra jellemző nedves halomsűrűség. Amikor a talaj teljesen száraz, száraz halomsűrűségről beszélünk: ρ d = s ρ s. Telített talajokra a telített halomsűrűség jellemző. Ekkor a hézagokban nincs levegő (l = 0, v = l s): ρ t = s ρ s + (1 s) ρ v = s (ρ s ρ v) + ρ v. A halomsűrűséget laboratóriumban úgy határozzuk meg, hogy a talajminta nedves, vagy száraz tömegét viszonyítjuk a talajminta térfogatához. Eszerint a nedves, vagy a száraz halomsűrűséghez jutunk: A talajmechanikában gyakran egyszerűbb számításokat tesz lehetővé, ha a halomsűrűség helyett a térfogatsúllyal számolunk, amely az egységnyi térfogatban helyet foglaló talajtömegrc ható erő, a súlyerő. Nagysága a nedves, ill. a száraz halomsűrűségből számítható. Eszerint beszélünk nedves (γ n), ill. száraz (γ d) térfogatsúlyról: γ n = g ρ n, γ d = g ρ d. 1.1.1.4. 16.1.1.4. A talajalkotók arányát kifejező talajfizikai jellemzők A talajalkotók mennyiségének kifejezésére a fázisarányokon kívül további talajfizikai jellemzők is használatosak. A talajban lévő levegővel és vízzel kitöltött összes hézag jellemzésére szolgál a hézagtérfogat és hézagtényező (16.2. ábra). Hézagtérfogat (n%): a talajban lévő hézagok térfogatának viszonya a teljes térfogathoz %-ban kifejezve: 19

16.2. ábra. A hézagtérfogat és a hézagtényező Hézagtényező (e): a talajban lévő hézagok aránya a szilárd rész térfogatához viszonyítva, viszonyszám formában kifejezve: A hézagtérfogat és hézagtényező egymásból átszámítható: A hézagtérfogat és hézagtényező laboratóriumi meghatározásához V térfogatú zavartalan talajmintát veszünk ki a talajból, és kiszárítás után lemérjük annak száraz tömegét. A hézagtérfogat és hézagtényező ezután számítható: A talajok hézagtérfogata tág határok között változhat. Egyenlő gömbökből álló halmaz hézagtérfogata leglazább állapotban 47,6%, legtömörebb állapotban 25,9%. A természetben előforduló talajokra ez csak durva közelítés, de a közel egyenlő átmérőjű szemcsékből álló futóhomok esetében például jó egyezést találunk (n rnax = 50%, n min = 30%). Vegyes nagyságú szemcsék halmazában a nagyobb szemcsék hézagait kitöltő apróbb szemcsék miatt a hézagtérfogat az elméleti értéknél kisebb is lehet. A kötött talajok leülepedésük közben koagulálnak és nagy pelyheket alkotva rakódnak egymásra. Ezeknek a talajoknak a hézagtérfogata sokszor 50 70%, ami igen laza talajszerkezetet jelent. A jelentős szerves anyagot tartalmazó tőzegek hézagtérfogata elérheti a 80 90%-ot. A talaj hézagainak egy részét általában víz tölti ki. A vízzel kitöltött hézagok térfogatának arányát a talajban lévő összes hézag térfogatához viszonyítva a telítettség fejezi ki (16.3. ábra): 20

16.3. ábra. A telítettség értelmezése A víztartalommal és hézagtérfogattal kifejezve: A telítettség értéke: teljesen száraz talaj esetében S = 0, vízzel telített talaj esetében S = 1. A víztartalom változásával együtt változó telítettség a talaj állapotára jellemző (16.4. ábra). 21

16.4. ábra. A telítettség és víztartalom közötti összefüggés 1.1.1.5. 16.1.1.5. A relatív tömörség és a tömörségi fok A hézagtérfogat nagysága erősen függ a szemcsék alakjától és egyenletességétől, ezért önmagában ez a talaj laza vagy tömör állapotára nem ad felvilágosítást. Jellemző számértéket kapunk azonban a szemcsés talajok állapotára, ha az adott talaj hézagtényezőjét (e) összehasonlítjuk az adott talaj leglazább (e max) és legtömörebb (e min állapotához tartozó hézagtényezőkkel: A relatív tömörség szerint a talaj: laza, ha A leglazább és legtömörebb állapot előállítása nehézkes, ezért a talajok tömörségének kifejezésére az általánosságban elterjedt tömörségi fokot használjuk. A tömörségi fok (T rp) a vizsgált talaj száraz halomsűrűsége (ρ d) és a legnagyobb száraz halomsűrűség (ρ d max) viszonyát fejezi ki: A maximális száraz halomsűrűséget tömörítési kísérlettel (Proctor vizsgálattal) kell meghatározni. A kísérlet közben szabványos méretű edénybe, előírt fajlagos tömörítő munkával, öt rétegben egyazon víztartalom mellett a talajt betömörítjük, majd meghatározzuk a talaj víztartalmát és száraz halomsűrűségét. A vizsgálatot többféle víztartalom mellett el kell végezni és az eredményeket diagramba kell ábrázolni. A vizsgálat eredménye egy jellegzetes maximummal bíró görbe a Proctor görbe lesz (16.5. ábra). A görbe legmagasabb pontja a legnagyobb száraz halomsűrűség (ρ d max), az ehhez tartozó víztartalom az optimális tömörítési víztartalom (w opt). 22

1.1.2. 16.1.2. A talaj szilárd alkotórészei A talaj szilárd része különböző nagyságú szemcsék halmazából áll, amelyek aránya meghatározza a talaj alapvető tulajdonságait. A tág határok között mozgó szemcsék halmazából az átmérők (d) alapján közel azonos tulajdonságú csoportokat lehet kialakítani. Az Attenberg által meghatározott osztályozás szerint ezek elnevezése: Az ásványi szemcsék szabálytalan alakúak, nagyságuk nem jellemezhető egyetlen átmérővel. A szemcseátmérők ezért névleges átmérők, amely a meghatározás módjától függ. A 0,06 mm-nél nagyobb átmérőjű szemcséket szitálással választjuk szét. Ebben az esetben az átmérő annak a legkisebb kör, vagy négyzet alakú nyílásnak az átmérője, ill. oldalhossza, amelyen a szemcse még éppen átesett. A d < 0,06 mm 23

szemcse átmérőjét egy olyan azonos anyagú gömb átmérőjével helyettesítjük, amely valamely folyadékban azonos sebességgel ülepedik le. Meghatározása a Stokes-törvényen alapuló hidrométeres eljárással történik. A talajalkotó szemcsék nagyságát, ezek eloszlását és a kiválasztott átmérők közé eső mennyiséget (tömcgszázalékát) szemeloszlási vizsgálattal állapítjuk meg. A vizsgálat eredményét szemeloszlási görbén ábrázoljuk (16.6. ábra). A több nagyságrendet átfogó átmérőtartomány miatt a szemeloszlási görbét semilogaritmikus rendszerben ábrázoljuk. A vízszintes tengelyen a mm-ben kifejezett szemcseátmérő logaritmusát, a függőleges tengelyen a tömegszázalékot ábrázoljuk aritmetikusan. A szemeloszlási görbe egyes pontjait megadó átmérő-tömegszázalék érték párokat kétféle eljárással határozzuk meg. A szitálható 0,06 mmnél nagyobb talajrészt szitálással választjuk szét, míg a d < 0,06 mm átmérőjű talajrészt a hirometrálásos eljárással vizsgáljuk. A szemeloszlási görbe egy összegező (integráló) görbe, amelynek egy pontja megmutatja, hogy egy bizonyos átmérőjű szemcsénél kisebb szemcsék összesen hány százalékban vannak jelen a halmazban. 16.6. ábra. Szemeloszlási görbe A szemeloszlási görbe ismeretében értékes következtetéseket vonhatunk le a talaj műszaki tulajdonságairól. A meredek lefutású szemeloszlási görbe közel azonos átmérőjű szemcsékből álló talajra jellemző, amelynek stabilitása vízzel és erőhatásokkal szemben kicsi. Jóval kedvezőbb tulajdonságú a lapos, több frakciót átmetsző szemeloszlás, mert a jobb térkitöltés, a folyamatos kitámasztás miatt ezek mindig stabilabbak, vízállóságuk pedig növekszik. Fagyveszélyesség szempontjából azonban az egyenletes szemeloszlás kedvezőbb. A szemeloszlási görbe lefutása tehát a talaj fontos jellemzője, amelyet az egyenlőtlenségi mutató jellemez: ahol: U az egyenlőtlenségi mutató, d 60 a 60 súlyszázalékhoz tartozó átmérő, mm, d l0 a 10 súlyszázalékhoz tartozó átmérő, mm. A kis egyenlőtlenségi mutató meredek lefutású görbét jelöl (U = 1 az azonos átmérőjű gömbök halmaza) lapos görbéknél értéke több száz is lehet. Az U = 2 5 egyenlőtlenségi együtthatóval jellemezhető homoktalajok megjelenése földmunkánál okozhat nehézséget. Vízzel telítve ezek sűrű folyadékként viselkednek, amelyek vízáramlás hatására folyadékhoz hasonlóan viselkednek, ezért folyós homoknak is nevezzük. Néhány jellemző szemeloszlási görbét a 16.7. ábra mutat be. 24

16.7. ábra. Jellemző szemeloszlási görbék A szemeloszlási görbéről határozható meg a hatékony (vagy effektiv) szemnagyság (d e), amely közelítőleg megegyezik a d 10 átmérővel. Ez a talaj vízáteresztő képességére ad tájékoztatást. A szemeloszlási görbét a talajok azonosításán és osztályba sorolásán kívül még számos célra felhasználhatjuk, így: kiszámítható valamely frakcióhoz tartózó talajrész tömegaránya; következtetni lehet a talaj vízáteresztő képességére; előírt határgörbék közé eső szemeloszlási görbe előállítása két vagy több talaj keverékéből; keverési arány meghatározása; szivárgók anyagának kiválasztása; víztelenítési lehetőségek mérlegelése stb. 1.1.3. 16.1.3. A talaj folyékony és légnemű alkotói 1.1.3.1. 16.1.3.1. A talajban lévő víz és levegő megjelenési formái A természetben előforduló talaj hézagainak egy részét víz, másik részét levegő tölti ki, amelynek mennyiségét külső és belső körülmények határozzák meg. A talajban előforduló víz részben a hézagokban szabadon áramolhat, másik része a szemcsék felületéhez közel helyezkedik el, ahhoz a kialakuló felületi erők miatt erősebben vagy gyengébben kapcsolódik. A hézagokban szabadon előforduló víz mennyiségét hidrológiai és meteorológiai körülmények befolyásolják. Különösen a felső 1,5 2,0 m vastag rétegben a talaj vízáteresztő képességétől függően a víztartalom évszakok szerint változik, leggyakrabban tavasszal érve el a maximumot. A mélyebben fekvő rétegek víztartalmát a talajvízszint ingadozása és a kapilláris viszonyok határozzák meg. 25

16.8. ábra. A talajban lévő víz megjelenési formái A talaj függőleges metszetében tehát a víz mennyisége és megjelenési formája különböző (16.8. ábra). A leütött megfigyelő csőbe bizonyos mélység elérése után víz áramlik be a szemcsék közül. Ez az áramlás egy idő után megszűnik és a vízállás állandósul. Ez a vízszint a vizsgált időponthoz tartozó talajvízszint. A talajvízszint alatt a talaj pórusai gyakorlatilag vízzel telítettek (S = 1,0). A talajvízből a talaj kapilláris hézagaiban felemelkedő víz bizonyos magasságig továbbra is telített zónát hoz létre. A változó keresztmetszetű hézagokban azonban a víz nem egyformán emelkedik, ezért egyre több légzárvány kerül bele, a talaj háromfázisúvá válik. A talajvíz fölött így alakul ki először a zárt, majd a nyílt kapilláris zóna. A kapilláris zóna fölött elhelyezkedő vízre jellemző, hogy az általában hidrofil tulajdonságú kőzetek felületét a lehető legnagyobb mértékben burkolja. Ennek megfelelően a hézagokba nyomuló víz gömbalakot igyekszik felvenni, amely gömböket vízpárával telített levegő tölt ki. A talaj és a levegő érintkezési felületén meniszkuszok alakulnak ki. Az ezekben ébredő feszültségek a csapadékból a talajba szivárgó vizet a hézagokban függve tartják. Az így kialakuló vízréteg a függővíz. A talaj levegővel közvetlenül érintkező része légszáraz állapotba kerül, amely látszólag már nem tartalmaz vizet. A valóságban az ilyen szemcsék felületét vékony vízréteg borítja, felületi erőkkel kötődve a talajszemcséhez. A talaj felületéhez kötődő vízburok főként az agyagtalajoknál érhet el jelentős vastagságot, sok kellemetlen tulajdonságot előidézve. A talajszemcséhez kapcsolódó, különböző alakban megjelenő víz más-más fizikai állapotot jelez: A pórusvíz a hézagokban szabadon áramló víz, amelynek mozgását a gravitációs erő, a hidrosztatikus nyomás és a kapilláris erők befolyásolják. Ez képezi a szabad talajvizet, a zárt és nyílt kapilláris vizet, a függővizet, valamint a szegletekben meghúzódó szegletvizet, filmvizet. Szolvátvíz fogja körül vékony rétegben elektrosztatikus és ionos kötőerőkkel a talajszemcséket. Ez a víz még szilárdan nem kötődik, de sűrűsége és viszkozitása a pórusvíznél nagyobb. 26

Adszorbeált víz fogja körül a szemcséket 1 10 molekulányi rétegben főként az agyagásványok felületén. A kötőerők nagyok, hidrodinamikus módszerekkel a víz a felületről nem távolítható el. A szabad víztől lényegesen eltérő tulajdonságot mutatnak. A szerkezeti víz a kristályrács része, egy hidroxil csoport, amely így már lényegében nem víz. Eltávolítása csak magas hőmérsékleten, a kristályrács tönkretételével lehetséges. A víztartalom változásával összefüggő fizikai változások a pórusvíz és a szolvátvíz mennyiségében bekövetkező változásokkal függ össze. Mivel az adszorbeált víz és szerkezeti víz mennyiségében normális nyomáson és hőmérsékleten változás nem következik be, ezek közvetlenül az építési gyakorlat szempontjából jelentéktelenek. 1.1.3.2. 16.1.3.2. Konzisztenciahatárok Valamely anyag konzisztenciáján az anyagi összefüggés állapotát értjük, amelyet puha, gyúrható, kemény stb. szavakkal jellemezünk. A kötött talajok konzisztenciáját víztartalmuk határozza meg. A vízzel fokozatosan telített talajpép bizonyos víztartalom elérése után saját súlya alatt lefolyik a lejtőn. Lassan szárítva a talajt először az folyós állapotból képlékeny, majd kemény állapotba kerül. Az a víztartalom, amelynél a talaj az egyik konzisztenciából a másikba megy át a konzisztenciahatár. Ez sajátosan jellemző az egyes talajokra, ezért ezeken a határállapotokon mérhető víztartalom a talajok azonosítására és összehasonlítására alkalmas. Mivel a határok nem különülnek el élesen, ezért ezeket többé-kevésbé önkényesen kellett definiálni. A konzisztenciahatár tehát az a víztartalom, amelynél a talaj egy bizonyos állapotba kerül. A konzisztenciahatár megállapításának módja az, hogy valamilyen eljárással a talaj víztartalmát a konzisztenciahatár víztartalmára beállítjuk, majd meghatározzuk ehhez az állapothoz tartozó víztartalmat. A konzisztenciahatárok közül legfontosabbak a folyási határ és a sodrási (plasztikus) határ, valamint a belőlük képzett index számok. Megemlíthető konzisztenciahatár még a zsugorodási és a telítési határ. Folyási határ A talaj víztartalma akkor van a folyási határon, amikor a talaj a folyós és a szilárd állapot határán van, sűrű péphez hasonló és a lejtőkön saját súlya alatt lecsúszik. Meghatározására a Cassagrande készüléket használjuk. Eszerint a talaj akkor van a folyási határ víztartalmán (w L), amikor a Cassagrande készülék csészéjébe helyezett talajpépbe húzott szabványos kialakítású árok a csésze 1 cm magas ejtegetése közben 25 ütésre 1 cm hosszan összefolyik (16.9. ábra). 16.9. ábra. Cassagrande készülék A folyási határ víztartalmát nehéz pontosan beállítani, ezért a laboratóriumban a folyási határ víztartalmát közvetve állapítjuk meg. Különböző víztartalmak mellett meghatározzuk az összefolyáshoz tartozó ütésszámot. 27

Az összetartozó ütésszám (n)és víztartalom (w%) értékeket semilogaritmikus rendszerben ábrázoljuk, a vízszintes tengelyen az ütésszám logaritmusát, a függőleges tengelyen aritmetikusan a víztartalmat. A kapott pontok egy egyenes a folyási egyenes mentén helyezkednek el, ahonnan a 25 ütésszámhoz tartozó víztartalom leolvasható (16.10. ábra). A folyási határ a talajok osztályozására alkalmas talajfizikai jellemző, amelynek értéke a szemcsés talajoktól a kötött talajok felé egyre nő: a homoké 15 20%, a homokliszté 20 30%, az agyagé 40 150%. 16.10. ábra. Folyási egyenes Azok a talajok, amelyek folyási határa magas, építési szempontból kedvezőtlenek, mert erősen összenyomódók és csúszásra hajlamosak. A természetes talaj víztartalma csak olyan külső hatásra juthat a folyási határ közelébe, amely a talaj átgyúrásával annak szerkezetét tönkreteszi. Sodrási (plasztikus) határ A folyási határ állapotában lévő talajt szárítva az először alakíthatóvá válik, majd alakíthatóságát elveszti, tovább nem sodorható, kis rögökké, morzsákká esik szét. Azt a víztartalmat, amelynél a talaj képlékeny állapotból merev állapotba megy át, plasztikus (képlékenységi) vagy sodrási határnak nevezzük (w p). A sodrási határ az a legkisebb víztartalom, amelynél a talajból kisodort 3 4 mm szálak töredezni kezdenek. A talaj megmunkálása, ill. fejthetősége, földmunka végzése a sodrási határ állapotában a legkedvezőbb, mert ekkor igényli a legkisebb erőt és nem ragad a szerszámhoz sem. A sodrási határ a következőképpen változik: homoknál nincs, nem értelmezhető, homokliszt: 17 20% (nem határozható meg mindig), iszap: 20 25%, agyag: 25 50%. 28

Plasztikus index A folyási és sodrási határ különbsége a plasztikus index (I p): I p = w 1 w p. Ez az érték jellemző a talajok kötöttségére, ezért a talajok osztályozásának alapja. Azoknak a talajoknak, amelyeknek nincs plasztikus határok, plasztikus indexük sem értelmezett. Ezek a szemcsés talajok, mint a kavics és a homok. A homokliszt talajok 0 10% plasztikus indexe azt jelenti, hogy a sodrási határ víztartalmához képest pár százalék víztartalom-növekedés hatására a talaj folyóssá válik. Iszap talajok plasztikus indexe 10 15%, míg az agyagoké 15% fölött helyezkedik el. Konzisztencia index Azonos talajok tulajdonságai különböző víztartalmak mellett nagyon eltérőek lehetnek. Mivel a természetes talaj víztartalma változó, ezért fontos ismemi, hogy az adott természetes víztartalom mellett milyen a talaj tulajdonsága. Ennek számszerű jellemzésére vezették be a konzisztencia indexet, amely megmutatja, hogy a talaj természetes víztartalma hogyan helyezkedik el a folyási és plasztikus határ között: Eszerint a folyási határon lévő talaj konzisztencia indexe I c = 0, míg a sodrási határon lévő talajé I c = 1,0. A konzisztencia index alapján a talajállapot elnevezését a 16.2. táblázat tartalmazza. Alapozás és teherbírás szempontjából a kemény (I c > 1,0) talajrétegek a megbízhatók. 16.2. táblázat. Talajállapot megnevezése a konzisztencia index (Ic) alapján Talajállapot Konzisztencia index (Ic) Igen puha, folyós 0,00 0,25 Puha 0,25 0,50 Képlékeny 0,50 0,75 Még sodorható 0,75 1,00 Kemény 1,00 1,50 Igen kemény >1,50 Folyási index A talajok víztartalom változásra történő folyósodására ad felvilágosítást a folyási index, amely a folyási egyenesen a 10 és 100 ütésszámhoz tartozó víztartalmak különbsége: I L = w 10 w 100. Azok a talajok, amelyeknek folyási indexe alacsony könnyen folyósodnak és vízérzékenyek. 1.1.4. 16.1.4. A talajban előforduló egyéb anyagok 1.1.4.1. 16.1.4.1. A talaj szervesanyag-tartalma 29

A talaj szilárd alkotórésze az ásványi anyagok mellett a talajban műszaki szempontból kedvezőtlen szerves anyagok is előfordulnak. Ezek rendszerint laza felépítésük nagy hézagtartalmuk és magas víztartalmuk miatt terhelés hatására nagy alakváltozásokat szenvednek. Jó víztartó képességük miatt a környező talajrétegek kiszáradását megakadályozzák, csökkentve ill. tartóssá téve a lecsökkent teherbírást. A folyamatos oxidáció miatt bekövetkező térfogat csökkenés a szerves réteg alakváltozását évtizedekig fenntartja. A szervesanyag-tartalmat az izzítási veszteség száraz tömegre vonatkozó értékével jellemezzük: ahol: m 60 a 60 C-on kiszárított talaj tömege, m 600 a 600 C-on kiizzított talaj tömege, A hazai talajosztályozás szerint szervesnek minősül a talaj, ha: i > 3% a szemcsés talajoknál, i > 5% a kötött talajoknál. Az izzítási veszteség szerves iszapoknál elérheti a 30%-ot, tőzegeknél a 60 80%-ot is. 1.1.4.2. 16.1.4.2. A talaj káros vegyületei A talajban vannak olyan anyagok, amelyek az építőanyagok korrózióját idézik elő. Káros hatásukat vízben oldva, az építőanyaggal érintkezve fejtik ki. A mélyépítés szempontjából elsősorban a betont megtámadó kénsav és kénsavas sók vízben oldódó szulfát ionjai károsak. Károsak a magnézium sói, az ammonium és a szénsav. Ezek szintén mind a betont támadják meg. Az ilyen vegyületeket tartalmazó talajokat és talajvizeket agresszív talajoknak és talajvizeknek nevezzük. A talaj agresszivitását főként az SO 3 gyök tartalma és ph-ja határozza meg, amelynek függvényében a védekezés módja és mértéke meghatározó. 1.1.5. 16.1.5. A talajok osztályozása A talajosztályozások célja, hogy a műszaki felhasználás szempontjából azonos tulajdonságú talaj csoportokat alakítsunk ki néhány talajfizikai jellemző alapján, majd a talajcsoport többi tulajdonsága alapján következtessünk a vizsgált talaj egyéb tulajdonságaira. A talajosztályozási rendszerek mindegyike önkényesen választja meg az osztályozás alapját, ezért csak néhány szempontot tudnak kielégíteni. Az országonként és felhasználási területenként változó rendszerek közül mindig a célunknak legmegfelelőbbet kell kiválasztani. A magyar talaj osztályozás alapvetően két csoportra osztja a talajokat: Szerves a talaj, ha az izzítási veszteség a szemcsés talajoknál i > 3%, a kötött talajoknál i > 5%. Ezek a talajok műszaki szempontból kellemetlenek, felhasználásukat lehetőleg el kell kerülni. Szervetlen talajok azok, amelyeknél i < 3%, ill. i < 5%. A műszaki szempontból felhasználható talajok tartoznak ide. A szemcsés talajok osztályozása a szemeloszlási görbéjük alapján történik. A talaj elnevezése vagy annak a frakciónak a neve, amely a legnagyobb arányban fordul elő a halmazban, vagy amelybe a mértékadó szemnagyság esik (16.3. táblázat). 16.3. táblázat. Szemcsés talajok csoportosítása az átmérő szerint 30

16.4. táblázat. Kötött talajok osztályozása 16.11. ábra. Cassagrande-féle képlékenységi diagram A kötött talajokat a plasztikus indexük alapján osztályozzuk (16.4 táblázat). Erre alkalmas még a Cassagrandeféle képlékenységi diagram (16.11. ábra). Ebben a rendszerben az A vonal fölött és alatt 3-3 tartomány helyezkedik el. Az A vonal fölött szervetlen agyagok, az A vonal alatt szervetlen iszapok foglalnak helyet. A tapasztalat azt mutatja, hogy az azonos geológiai eredetű rétegből származó talajminták pontjai az A vonallal párhuzamosan futó egyenes mentén helyezkednek el. 31

A talajok közelítő helyszíni osztályozását kellő gyakorlattal tapintással és szemrevételezéssel is el lehet végezni. 1.1.6. 16.1.6. Vízmozgás a talajban A talajban előforduló vízben különböző erőhatások vízmozgást hoznak létre. Legfontosabb ezek közül a gravitáció és a kapilláris erő, amelyen kívül vízmozgást idézhet még elő a hőmérséklet, az elektromos hatás, bizonyos kémiai folyamatok. 1.1.6.1. 16.1.6.1. Gravitációs vízmozgás a talajban A talajban áramló vízre vonatkozó törvényszerűségeket az áramlástan általános törvényszerűségeiből lehet levezetni (16.12. ábra). A csőben balról jobbra víz áramlik. Az egymástól L távolságra lévő 1. és 2. megfigyelőcsőben H 1 és H 2 magasságban áll a folyadék szintje. Ez nyomáskülönbséget jelez, amelynek nagysága arányos 32

16.12. ábra. A vízáramlás alapvető törvényszerűségei a h = H 1 H 2 magasságkülönbséggel. A víz áramlását fenntartó nyomáskülönbség az 1 2 szakaszon h γ v nagyságú, amely nyomás fel is emésztődik a belső ellenállások miatt. Ennek a nyomásmagasság-különbségnek az egységnyi hosszra eső részét hidraulikus gradiensnek nevezik: A folyadék sebességét a hidraulikus gradiens függvényében ábrázolva azt tapasztaljuk, hogy az összefüggést leíró vonal három jól elkülöníthető szakaszra oszlik. Az a b szakaszon az egészen kicsi hidraulikus esések tartománya helyezkedik el, amely olyan csekély, hogy hatására vízáramlás nem indul meg. A b c szakaszon a hidraulikus gradiens és a sebesség között egyenes arányosság áll fenn. Ilyenkor a részecskék határozott, sima vonalú pályán mozognak, az áramlás lamináris. Erre a szakaszra érvényes Darcy törvénye. A nyomást fokozva örvénylő, kavargó mozgás alakul ki, amely felemészti a mozgási energia egy részét, ezért a c d szakaszon a görbe ellaposodik. A víz áramlása turbulenssé válik. A talajban előforduló pórusok általában olyan kicsik, hogy bennük a vízáramlás lamináris, amit a továbbiakban is feltételezünk. A Darcy törvény értelmében a laminárisán áramló víz sebessége egyenesen arányos a hidraulikus gradienssel: ahol a k arányossági tényező, a talaj áteresztőképességi együtthatója. Az így értelmezett áteresztőképességi együttható sebesség dimenziójú, amely gyakorlatunkban cm/s nagyságrendben fordul elő. Az áteresztőképességi együttható értéke függ: a szemeloszlástól (a hatékony szemcseátmérő négyzetével arányos), a pórusokban mozgó folyadék viszkozitásától és sűrűségétől, a hézagtényzőtől, a szemcsék alakjától és elrendeződésétől, a pórusokban lévő oldatlan gázok mennyiségétől, a talaj kémiai szerkezetétől (a szemcsék adszorbciós komplexumától). A láthatóan sok és nagy változékonyságot mutató hatótényezők miatt az áteresztőképességi együttható meghatározását célszerű helyszíni próbaszivattyúzással elvégezni. A tájékoztató jellegű laboratóriumi vizsgálatot jó vízáteresztő-képességű talajokban állandó víznyomással működő, kis áteresztőképességű talajoknál változó víznyomással működő készülékkel lehet vizsgálni. A közel vízzárónak tekinthető agyagtalajok áteresztőképességi együtthatóját kompressziós kísérlettel lehet megállapítani. 1.1.6.2. 16.1.6.2. Az áramlási nyomás és a hidraulikus talajtörés A 16.13. ábrán feltüntetett helyzetben vizsgálva az F keresztmetszetű és L hosszúságú talajmintára ható erők egyensúlyát megállapíthatjuk, hogy a G súlyerő és az f felhajtóerő a talajminta súlypontjában támad, hatásvonaluk függőleges, irányuk ellentétes, a minta két végpontját statikus nyomóerők támadják: 33

16.13. ábra. Erők egyensúlya vízszintesen áramló vízben Ezek eredője: Ez az erő az áramlásnak kitett anyag elemi pontjaiban működik, nem jelölhető meg támadáspontjával, vagy egy kiemelt felülettel, amelyet ez az erő nyom. Ezért térfogategységre vonatkoztatják és áramlási nyomásnak nevezik: Ez az egységnyi térfogatra ható tömegerő a test minden elemi részecskéjére a gravitációhoz hasonlóan ható vektormennyiség, iránya megegyezik az áramlás irányával. A három erő: a gravitációs erő, a felhajtó erő és az áramlási nyomásból számított nyomóerő vektoriálisan összegezhető, amelynek eredménye az elferdült tömegerő (R'). A vízáramlás hatását figyelembevevő elferdült tömegerőt a falazatokra ható erők és a rézsűk állékonyságának vizsgálatánál kell számításba venni, mert az a biztonságot jelentősen lecsökkenti. A mérnöki gyakorlatban sokszor felmerülő probléma a földtömegben függőlegesen felfelé áramló víz hatására kialakuló egyensúlyi viszony vizsgálata (16.14. ábra). A földtömegben ható erő a következő erők eredője: 34

az önsúly: a vele ellentétbe ható felhajtóerő: és az áramlási nyomás: 16.14. ábra. Függőleges vízáramlás hatására kialakuló egyensúlyi viszonyok Az erők eredője: A h értékének növelésével i értéke úgy megnőhet, hogy az egyensúlyi határhelyzet áll elő, amikor: 35