AZ EURÓPÁBAN HASZNÁLATOS TÖMÖRSÉG- és TEHERBÍRÁS MÉRÉSI MÓDSZEREK Ráckevei Geotechnikai Konferencia 2008 1 BEVEZETÉS Andreas Kft. korábbi egyeztetések után meghívást kapott Prof. Dr. Antonió Gomez Correiatól, a Portugáliai Műszaki Egyetem - Geotechnikai Tanszék professzorától, hogy 2006.10.16. és 19. között egy nagyszabású összehasonlító mérési sorozatban részt vegyen. Jelen voltak még a MOTA-ENGIL munkatársai. A próbabeépítés helyszíne Evora városa mellett volt, ahol K-Ny-i irányban az országot átszelő új, nagysebességű vasútvonalat építenek. Külön érdekessége az eseménynek az volt, hogy egy területen különböző országok (és szabványaik) különböző mérési módszereivel mérték végig az adott felületeket. Alapvetően a beépítési, beépíthetőségi vastagságot és tömöríthetőséget, valamint a rétegek teherbírását vizsgálták. A mérések a felhasználandó töltésanyag minősítésére szolgáltak. Az alkalmazott mérési módszerek a következők voltak: statikus tárcsás (NF P 94-117-1 franciai szabvány szerint), az elektromechanikus módszer (D 6758-02 német szabvány szerint), tűszondás radióizotópos módszer, a dinamikus tömörség és teherbírás mérő módszer (B&C), a homokszórás módszer, valamint a franciai Portancemetre módszer. A cikkben a használt különböző mérési módszerek elvét szeretnénk ismertetni. 1
2 A MÉRÉSI MÓDSZEREK 2.1 A talaj teherbírási modulus meghatározása a statikus terhelésű merev tárcsás műszerrel a Francia szabvány (NF P 94-117-1) szerint A statikus terhelésű merev tárcsás vizsgálat célja az úttükör tárcsás statikus terhelés alatti deformációs tényező -jének meghatározása. Maximális értéke 250 Mpa. A vizsgálat nem alkalmazható olyan tükörszintnél, ahol az alkalmazott anyag maximális átmérője (D max ) meghaladja a 200 mm-t. A módszer lényege, hogy egy 600 mm 2 mm-es átmérőjű tárcsával két lépcsőben terheljük a talajfelszínt a terhelési súllyal, amelynek a nagysága egy legalább 80 kn-t tudjon a tárcsára kifejteni. A tácsa olyan merev legyen, hogy egy F=10 0,5 kn középen ható koncentrált erő hatására a terhelési pont és a tárcsa széle közötti 1. ábra szerint értelmezett f lehajlás ne haladja meg a 0,2 mm-t. A tárcsa terhelését vezérlő és mérő műszerrel az úttükörre merőleges olyan erőt kell tudni átvinni, aminek az erőssége megfelel a tárcsa alatt jelentkező átlag 1,25 MPa nyomásnak. A tárcsa benyomódását a mérő műszer méri, amelynek a pontossága 0,02 mm és legalább 10 mm-ig kell tudnia mérni a tárcsa süllyedését. A vizsgálathoz szükséges egy kb. 0,7 m 0,7 m-es sima vizsgált felületet kialakítani, amelynek az egyenetlensége nem haladhatja meg 15 mm-t. Az elegyengetett felületet homokszórással kell kiegyenlíteni, és azt a simító léccel a lehető legvékonyabb rétegre kell elsimítani. A lesimított felület közepére (szemmértékkel) kell elhelyezni a terhelő tárcsát, és kétszeri-háromszori 30 és 45 elforgatásokkal nyomni bele az elegyengetett felületbe. A műszerek elemeinek helyzete véglegesítendő a tárcsára ható 5 kn 0,5 kn tárcsaterheléssel. Ezt a kezdeti terhelést a tárcsán 10-15 s-ig tartása után le lehet venni a terhet, ekkor a terhelő és a benyomódást mérő műszert lehet elindítani. A mérés két fázisban történik. Első terhelési fázis legalább 30 s-ig tart és a tácsa terhelési súlya 70,68 kn 1,40 legyen. Amikor a terhelés az úttükrön átlagosan 0,25 MPa nyomást eléri, a terhelést tovább 15 s-os periódusban kell tartani a tárcsán, amíg a tárcsa süllyedése meghaladja a 0,02 mm-t. Ezt az értéket tekintik az úttükör benyomódásának állandósulásához párosuló értéknek. A terhet max. 5 s-on belül leveszik, és jegyezik fel a z 0 maradó benyomódást (lásd 2. ábra), vagy indítik újra a benyomódást mérő műszert. 1 ábra Az állandósult benyomódás kivárásának esetleges következménye 2 ábra A vizsgálat során a tárcsa terhelési és teher felengedési fázisainak elvi ábrája Ha a benyomódás mérése a tárcsa közepén történt, akkor a kapott értéket a mért benyomódásnak tekintik. Ha a benyomódás mérése a tárcsa szélén három különböző pontban történt, akkor az így kapott értékek átlagát kell a mért benyomódásnak tekinteni. A második terhelési fázis az elsővel megegyező terhelési sebességgel végezendő, de a terhelési súlyt 56,54 kn 1,10-re csökkentik. 2
Ez a teher az úttükrön átlagosan 0,20 MPa nyomást eredményez (lásd 2. ábra). Ezt a terhet a tárcsán mindaddig kell tartani, amíg az első terhelési fázishoz hasonlóan az úttükör benyomódása nem állandósul. Amikor elérte a tárcsa az állandósult benyomódást, akkor az első terhelési fázishoz hasonlóan határozzák meg a második terhelési fázis végén a tárcsa teljes z 1 benyomódását, vagy ha az első teher levételét követően a benyomódást mérő műszert újraindította, akkor közvetlenül határozza meg a z 2 -t (lásd 2. ábra). A kapott eredmény kiértékelése: Az úttükör kiválasztott mérési pontjában a teherbírási modulus EV 2 a Boussinesq féle képlet alapján meghatározható 2.2 A talaj és talaj adalék szilárdsági modulusának helyi mérése elektromechanikus módszerrel D 6758 02 szerint A vizsgálati módszer célja a földmunkák és útmunkák során használt anyagok szilárdságának vagy modulusának kiértékelése, ezúttal használható a tömörség folyamatos vizsgálatára vagy ellenőrzésre is. A módszer által kapott eredmények alkalmazhatók a szemcsés, kohézió nélküli anyagok kiértékelésében, valamint alkalmazhatók olyan, 20%-nál finomabb iszapos és agyagos anyagok elemzésére, amelyek nincsenek kitéve a nedvességtartalom változásának. A mért szilárdságot befolyásolják a kerületi feltételek, különösen az alsóbb réteg és a vizsgálni kívánt réteg vastagsága és modulusa. A módszer hátránya az, hogy a mérési eredményt könnyen megzavarja a környezet vibrációs terhelése, ezért a készüléknek legalább egy praktikus mértékig védettnek kell lennie zaj és rezgés ellen. A vizsgálat előtt egy merev talpazatot kell alakítani a tiszta, finom homokból, amely elég nedves ahhoz, hogy összetapadjon a tenyerünkbe. A talpazat segíti a műszer kemény és szilárd talajfelszínhez történő illesztését. A módszer működési elve az, hogy a keverő által alkalmazott és a talajra átadott erőt a belső rugalmas tárcsa mentén különböző elmozdulásokkal mérik és számítják ki. Geogauge Ultrahangos folyamatos vibrációs tömörségmérési eljárás: Csak finom szemcsés anyagoknál alkalmazható és rendkívül érzékeny a környezet vibrációs terhelésére. 3
2.3 Tűszondás tömörségmérés radioizotópos módszerrel Az eljárás során a talajba bocsátott, majd a talajon áthaladó gamma-sugárzást a sugárforrással párhuzamos mérőcsőben elhelyezett detektor észleli; és a detektor által a mérési idő alatt összeszámlált impulzusok száma arányos a mérőműszer által meghatározott térfogatú talaj testsűrűségével. A mérési pontokat gondosan, simára kell kialakítani. 60 80cm felületről minden száraz, laza anyagot el kell távolítani, a felületet léccel simára húzni. Minden mérési pontban legalább két, általában három irányban több mérést kell végezni, a műszer elfordításával. A szondát minden bekapcsolás után ellenőrizni kell a hozzá tartozó kalibráló tömbön, a használati utasítás szerint. A kalibráló tömbön kapott eredményeket a terepen készülő mérési dokumentumban kell rögzíteni. A mérések során lehetőleg olyan mérési időt kell beállítani, hogy a talajon mért impulzusszám a 10000/min értéket meghaladja, vagy legalább megközelítse. A tömörségmérésekhez szükséges a víztartalom ismerete is. Ennek izotópos méréssel meghatározott eredményét gyakran kell megismételni, sőt új, vagy változatos anyagú talajok esetén a mérési helyről vett mintákat visszaszárításos (szárító szekrényes) vizsgálattal, laboratóriumban is kontrollálni kell. Eltérés esetén a laboratóriumi visszaszárításos eredményeket kell mértékadónak tekinteni. Ha a laboratóriumi és a terepi víztartalom-mérési eredmény különbsége meghaladja a laboratóriumi eredmény 5%-át, akkor meg kell ismételni a mérést. A tömörségi fok meghatározásához ezek után kell még egy viszonyítási sűrűség, amihez az előbb meghatározott terepi száraz sűrűséget hasonlítjuk. Ez ma Európában többnyire az EN 13286-2 szerinti, úgynevezett módosított Proctor-vizsgálat - tal történik. Ennek eredményét feltételesen kell kezelni és gyakran kell megismételni, mert szórása gyakran eléri, vagy meghaladja a sűrűség értékének 5%-át is. A viszonyítási sűrűség tehát hatással van a mérési módszer pontosságára, azzal, hogy a viszonyítási sűrűség is a hiba lehetőségét rejti. 2.4 Dinamikus tömörségmérés és teherbírás mérés A vizsgálat során adott magasságból, ismert tömegű testet csillapítórugó közvetítésével egy adott átmérőjű merev tárcsára ejtünk. A terhelőtárcsa középpontja alatt mérjük a dinamikus terhelés hatására keletkező függőleges irányú elmozdulást, a süllyedési amplitúdót. 10 kg-os ejtőtömeg és 72 cm ejtésmagasság esetén 7065 N dinamikus terhelő erő adódik át a tárcsára, amely megfelelő rugóállandó, 163mm tárcsaátmérő esetén p din =0,3 MPa dinamikus nyomásnak felel meg. Az ejtési tömeget és magasságot berendezésenként, az adott rugóállandó és ejtősúly tömegének ismeretében adják meg gyártók. Az alakváltozást jellemző süllyedési amplitúdók második mérési sorozatából határozható meg a dinamikus teherbírási modulus E d (MPa, vagy N/mm 2 ). A számítást az anyagra jellemző Poisson-féle tényező megválasztásával, az alkalmazott tárcsa szerinti Boussinesq-féle merev vagy hajlékony tárcsaszorzóval kell elvégezni. Az alakváltozást jellemző süllyedési amplitúdók hat mérési 4
sorozatából meghatározható a dinamikus tömörségi fok Trd%. A számítás feltételezi, hogy a nem összenyomható szilárd anyagból álló szemcsés réteg háromfázisú (levegő + szilárd rész + víz), nem telített és a vizsgálat során végzett tömörítés során is az marad. A számítás figyelembe veszi, hogy az optimális víztartalomnál a legjobb a tömöríthetőség, attól eltérő esetben a nedvességkorrekciós tényezővel (Trw 1,00) számítható módon csökken a tömörségi fok. Dinamikus tömörségmérés és teherbírás mérés: Jobb mérési pontossága lehetővé teszi a minőség-ellenőrzés hatékonyságának jelentős javítását, a korrekt minőségtanúsítást. A tömörségi fok a teherbírás mellett a legfontosabb minősítési paraméter a mélyépítésben, ezért kiemelt fontosságú. A dinamikus tömörségmérési módszer független a sűrűségtől, ezért alkalmas a pernye és kohósalak töltések, rétegek és meszes stabilizációk vizsgálatára is, ahol az izotópos mérés teljesen használhatatlan eredményeket ad. A tömörségi inhomogenitás hatásának kiküszöbölésével jelentősen javult a mérési megbízhatóság, mely az izotópos mérési módszernél már nem javítható tovább. Egyidejűleg képes meghatározni a mért talaj tömörségi fokát és teherbírását. 2.5 Térfogatmérés homokszórással A mérés elve, hogy a kiszedett talajmintát ismert térfogatú finom homokkal helyettesítjük. A vizsgálandó réteg felületét elegyengetjük, majd a kör alakú lemezt ráhelyezzük. A lemez nyílása alatt gödröt készítünk és gondosan kiszedjük, összegyűjtjük és megmérjük a tömegét. A gödörben laza anyag nem maradhat. Ezután az ismert mennyiségű és tömegű homokkal feltöltjük a mélyedést, majd megmérjük az edényben maradt homok tömegét. Kifejezetten idő- és energiaigényes (négykézlábas) módszer. 5
2.6 Portancemetre A franciai műszer alkalmas a felső építési rétegek folyamatos teherbírás ellenőrzésére. A mérőkerék vibráltatására szolgáló hidraulikus motort célszerűen egy összkerékmeghajtású pick up terepjáróra kell felszerelni. A teljes mérés a vezetőfülkéből vezényelhető le, ahol az adatgyűjtő és feldogozó rendszer is helyet kapott. A vibrációs terhelőkerék, ennek érzékelő kerete a tréler vázára vannak függesztve. Minkét egység függőleges tengelyű gyorsulásmérővel rendelkezik. Egy társított számításalgoritmus meghatározza a függőleges erőfeszítést, ami megvizsgálja a talajt és megfelelő alakváltozását. A mérési eredmények feldolgozására kifejlesztett, hozzátartozó szoftvercsomag futtatható akár azonnal a helyszínen, vagy később a felmérés befejeztével egy asztali számítógépen. A hatékonysági mélység (vagy a méréshez szükséges vastagság) 60 cm, amely megfelelő a földmunkáknál jellemző átlag rétegvastagságnak. A módszer használható a földmunka teherbírásának a mérésére. A teherbírás az anyag összenyomódási modulussal való összeillesztése a műszerben megállapított előzetes kalibrációval valósult meg, tekintettel a tárcsás vizsgálat folyamatán EV 2 teherbírási modulusra. Minden ütésnél (35 Hz) az mérést megállapítja a műszser miközben lassú sebességgel húzza a vibráló kereket. A műszer a padozat folyamatos oldalnézetét produkál a megválasztott nyomvonalon mentén, folyamatosan rögzíti a 30 Mpa-tól 300 Mpa-ig terjedelemmel való rugalmassági modulust, amely a mérőkerek megtett út távoságának a függvényében olvasható le (lásd 3. ábra). Egy összesített táblázat kimutatja a mérőkerek megtett egész út távoságát, az átlag és minimális összenyomódási modulust, a relatív szórást, a kívánt modulussal való azonosíthatóság százalékát,... A speciális tartomány több atadai is megkaphatók az ábrára való kattintással (pl. a 3. ábrán látott sárgított tartomány). 6
Használati tartomány: 30 to 300 Mpa Vibráviós terhelősúly: 600 kg Teljes kerék terhelés: 1000 kg Kerék szélessége: 200 mm Vibráció frekvenciája: 35 Hz Alap minta: 1 m Javasolt haladási sebesség: 3.6 km/h ábra 3 Portancemetre mért eredményei 7