CPT PÓRUSVÍZNYOMÁS DISSZIPÁCIÓS VIZSGÁLATOK MÉLYSÉGI SZIKES KÖRNYEZETBEN Imre Emőke 1 Juhász Miklós 1 Hegedűs Márton 2 Bakacsi Zsófia 3 Rajkai Kálmán 3 Pozsár László 4 Richter László 5 1 Szent István Egyetem, 2 BME, 3 TAKI, 4 GEOTERRA, 5 Richter Kft Kulcsszavak disszipációs kísérlet, CPTu, Szeged, szikes talaj, puha talaj 1 BEVEZETÉS, ELŐZMÉNYEK A munka célja Jelen tanulmány négy olyan megjelent közlemény összefoglalása ([1-4], (a) amelyek célja a Szeged, Ny-i terület statisztikai feldolgozása és az eredmények elemzése. 1. ábra. (a) Helyszínrajz (az OTKA és a mélyebb feltárások) és metszet a felső 20 méteren (Rétháti-Ungár és OTKA eredmények), Szeged. Jelölések: a. feltöltés, b. humuszos talaj, c. vagy 1 infúziós lösz, d. vagy 2-4 sárga tavi agyag, e vagy 5. kékesszürke édesvízi üledék (Rétháti és Ungár, 1978 és Imre, 1995). (b) Átlagos szelvény (OTKA eredmények).. (b) FELTÁRÁSOK, LABOR EREDMÉNYEK Első két közlemény a probléma felvetése
Rétháti és Ungár 1978-ban publikált statisztikai elemzése Szeged város nyugati oldalán vett 2600 talajminta 11000 laboratóriumi vizsgálatának eredménye alapján készült [1] (1. ábra). Egy ezt követő OTKA kutatás keretében (1988-1991) 20 m mély fúrások és CPT disszipációs kísérletek (csúcs és palást) készültek az 1. ábra szerinti helyeken ([2]). A rétegek Szegeden Rétháti és Ungár (1978), majd az OTKA vizsgálatok szerint a következők: feltöltés, humusz, infúziós lösz, sárga tavi agyag három szintje, kékes-szürke édesvízi üledék. A felszíni kiszáradt rétegek alatt a további rétegek közel normálisan konszolidált állapotúak. Az eredmény szerint - jóllehet a rétegződés lényegében azonos -, a három terület a talajadottságok eltérőek, a C jelű területen a talajok szilárdsági jellemzői rosszabbak, mint a B és A jelű területen (1. ábra). Harmadik-negyedik közlemény a probléma magyarázata A további vizsgálat a korábbi OTKA keretében készült fúrások anyagának geokémiai vizsgálata, a korábbinál mélyebb fúrások, CPTu vizsgálatok és pórusvíznyomás disszipációs kísérletek anyaga. A talajkémiai vizsgálatok eredménye alapján megállapítást nyert, hogy a C jelű területen némelyik réteg sótartalma alapján szikes [2-4]. A fúrások anyaga alapján végzett ún. kettős kompressziós görbe módszer eredménye szerint a szikes talajok energiatároló képessége nulla is lehet. (E módszer lényege, hogy a kompressziós kísérlet mellett ödométeres relaxációs kísérletet is végeznek, és a két kompressziós görbét összehasonlítják. A relaxációs kísérlet szakaszai alatt a minta feszültség válaszát mérik, így a relaxációs kísérlet jellemzi a kötések energiatartó képességét, és a hatékony feszültség az előterhelt tartományban van.) A mélyebb feltárások és a folyamatos CPTu mérések a 66 m-t is elérik (2-3. ábra). A minták egy részét laboratóriumban feldolgozták. Három mélységben u2 disszipációs kísérleteket végeztek: a felső agyagrétegben (17 és 25 m között) az alsó agyagrétegben (25 és 35 m között), és alatta az iszapban-homokban. Ezek jellemzői a következők. A felső agyagréteg plaszticitási indexe (Ip) 20 és 25% közötti, hézagtényezője pedig 0.98-1.1 közötti. Mivel ez utóbbi nagyobb, mint a tipikus értékek Szegeden, e talajt szikesnek tekintettük. Az alsó agyagrétegbe az Ip értéke 20 és 33% közötti, hézagtényező értéke 0.74 és 0.87 között változik, ami a szegedi agyagok esetén normálisnak tekinthető (lásd 1. táblázat). Az alsó agyag alatti átmeneti és szemcsés rétegek hézagtényezőjük alapján erősen változók. A talajvíz feláramlása miatt kisebb a hatékony feszültség és így az
előterhelés, mint az áramlás nélküli, statikus esetben. Az ödométeres kísérletek eredménye szerint szikes-jellegű talajban nagyobb a teljes és ezen belül a kúszási süllyedés nagysága egy adott terhelés esetén, és kisebb a konszolidációs süllyedés. 2 A DISSZIPÁCIÓS SZONDÁZÁS ÉS AZ ÉRTÉKELÉS MÓDSZERE Mérések A disszipációs kísérlet alapján minden vizsgálathoz más-más nyugalmi talajvíz-tükör tartozott a felfelé áramlás miatt. Minden agyagban végzett mérést két nyugalmi víztükör alapján értékeltünk, vagy a saját szinthez tartozó, vagy a legalsó vizsgálat szinthez tartozó nyugalmi víznyomás alapján (3-4. ábra). Az ödométerrel meghatározott előterhelési feszültség 100 kpa eltérésre utalt, a CPTu végső pórusvíznyomás érték pedig 30-40 kpa-ra. Feltehető, hogy az eltérést a CPTu szondaszár átmérőjének csökkenése okozta a megállítás után. A görbék alakja nem monoton a NC agyagban (III és IV típusú [3]), negatív és monoton volt az iszapos homokban (V. típusú [3]). A disszipáció gyorsabb a szikes, mint a nem-szikes agyagokban. Értékelés A CPTu u2 disszipációs kísérleteket három módszerrel értékeltük (lásd Melléklet). Az első kettő egydimenziós, kapcsolt konszolidációs modellen alapul, amely a korábbi OTKA kutatásban készült, a kezdeti feltétel különböző a két módszer esetén, az illesztés matematikailag pontos. Megemlítjük, hogy e módszerek eredményét módosítani kellett (a megoldásban használt r 1 peremfeltétel puha agyagra és u3 mérőhelyre vonatkozik). A harmadik módszer a GEOTERRA által használt értékelő program része, egy kétdimenziós nem kapcsolt modell és egy közelítő, t 50 alapú egypontos-illesztés (Teh és Houlsby, 1988 [6], Sully és munkatársai, 1999 [5]) kombinációja. A hagyományos ödométeres kompressziós kísérlet értékelése a módosított Terzaghi és Bjerrum modell matematikailag pontos illesztésével történt (egy további paramétert alkalmaztunk az azonnali kompresszió leírására, [7-12]). Az ödométeres relaxációs kísérlet értékelő modellje a korábbi OTKA kutatásban készült. 1. táblázat
Réteg 1 7.4 Plaszticitási index [%] UU gyors nyírószilárd ság [kpa] Előterhelés [kpa] k [m/s] e [-] S [%] 2.1 86.2 16.0 136.3 30.0 6.1.10-8 0.68 0.08 0.95 0.03 2 28.9 3.3 92.7 37.7 131.6 33.5 3.9.10-8 0.76 0.06 0.92.03 3 19.1 10.4 75.3 21.2 124.6 24.4 3.8.10-8 0.76 0.07 0.92.04 4 36.3 6.8 95.0 30.1 154.1 29.6 2.5.10 -g 0.85 0.10 0.90. 04 5 30.0 9.1 60.0 18.7 148.3 16.4 6.3.10-8 0.80 0.09 0.83.96 (b) (a) 2. ábra CPTu szelvények (Geoterra), mérés e felső 60 méteren. (a) Átlagos szelvény. (b) Robertson (1990) módszere szerinti értékelés OCR és érzékenység jelölésével. A felső rész kiszáradás miatt kissé előterhelt, kissé érzékeny talajok is vannak, feltehetően a nagy hézagtényezőjű talajok esnek e kategóriába.
(a) (b) 3. ábra. (a) Kompressziós kísérletek a mélyebb feltárások alapján. (b) Pórusvíz disszipációs görbék homok-iszapban és agyagban. Az agyagok esetén két nyugalmi víztükör került figyelembe vételre. (a) 1E+2 100.0 1E+1 u [kpa] 10.0 u [kpa] 1E+0 1E-1 1E-2 1.0 1E-2 1E-1 1E+0 t [min] 1E-3 1E-1 1E+0 t [min] (b) 4. ábra. A pórusvíznyomás-disszipációs kísérletek eredménye (a) Hibafüggvény metszetek. (b) Mért számított adatok az 1. módszerrel. (c) Mért számított adatok a 2. módszerrel. (c)
Az értékelés eredménye A CPTu disszipációs kísérletre vonatkozó eredmények a 3., 4., 5. és a 6. ábrán látható. A disszipációs görbe alakja (3. ábra) iszapban és homokban végig negatív. Ez a penetráció drénezett jellegével és a talajt alkotó szemcsék kis kompresszibilitásával magyarázható, amit a kompressziós kísérlet értékelése igazolt, az azonnali összenyomódás e talajokban elhanyagolható. A disszipációs görbe alakja agyagban általában pozitív és nem monoton, ami túlkonszolidált vagy megváltozott szerkezetű NC agyagok esetén szokott előfordulni. (Az esetenként nem monoton eredmény a méréshez használt szűrőkő telítetlen állapota is előfordulhat.) A CPTu disszipációs kísérlet esetén a három értékelő módszer eredménye kötött talajban jól egyezett. Szemcsés talajban (feltehetően a t 50 közelítő megállapítása miatt) azonban kissé eltérő volt (4. ábra). A konszolidációs tényező c 1-2 nagyságrenddel nagyobbra adódott a helyszíni kísérlettel, mint az ödométeres méréssel, feltehetően a talaj másodlagos szerkezete (pl. homokerek jelenléte) miatt, e jelenséget először Bjerrum állapította meg hangsúlyozva az in situ módszerek fontosságát az áteresztőképesség megállapításánál ([12]). A t 50 és t 90 disszipációs idők és a c kapcsolata az CPTu disszipációs kísérletek értékelésének eredménye szerint a szikesnek vélt nagy hézagtényezőjő talajok és a nem szikes agyagok esetén lényegesen eltért (6. ábra). 3 ÖSSZEFOGLALÁS Rétháti és Ungár (1978) és Imre (1995) statisztikai elemzése szerint a három részre osztott vizsgálati területen a rétegződés lényegében azonos, a talajadottságok azonban lényegesen eltérőek. A C jelű területen a talajok szilárdsági jellemzői rosszabbak, mint a B és A jelű területeken. A jelen vizsgálatok szerint az eltérést feltehetően a szikes talajjellemzők okozzák, amit a sós talajvíz medence peremről befelé, majd felfelé áramlása általában foltszerűen - idéz elő. A szikesedés mértéke eltérő a különböző rétegekben és területeken.
5. ábra. A disszipációs vizsgálatokkal azonosított c érték a korrekciós tényezőkkel (a közelítő megoldás agyagokrakevéssé különbözik az analitikustól, nem úgy, mint homokok esetében). 6. ábra. A mért t 50 és t 90 disszipációs idők és a c (1. módszer, korrekciós tényezőkkel meghatározva) kapcsolata. A regressziós egyenes szikes és nem szikes talajokra mind t 50 mind t 90 esetén különböző.
Az C jelű területen a talajok alulkonszolidáltak lennének, ha a talajvíz nem áramlana felfelé, az ödométeres kísérletek eredménye szerint. Az áramlás megszűnése esetén konszolidáció és süllyedés történne. A terület különleges mérnökgeológiai sajátságai (a talajvíz felfelé áramlik) befolyásola a talajmechanikai vizsgálatok eredményét. A korábbi talajkémiai vizsgálatok igazolták szikes rétegek jelenlétét. A jelen vizsgálatok során a mélyebb rétegek szikes jellegét a nagy hézagtényező alapján valószínűsítettük. Tisztázandó, hogy mennyiben határozza meg a hézagtényező nagy értéke a a talajréteg szikességét. A konszolidációs tényező c 1-2 nagyságrenddel nagyobbra adódott a CPTu disszipációs kísérlettel, mint az ödométeres méréssel, feltehetően a talaj másodlagos szerkezete (pl. homokerek) miatt, e jelenséget először Bjerrum állapította meg hangsúlyozva az in situ módszerek fontosságát az áteresztőképesség megállapításánál ([12]). Az CPTu disszipációs kísérletek alapján identifikált konszolidációs tényező c a szikesebbnek és a nem szikesnek feltételezett agyagokban lényegesen eltér. További kutatás javasolható a szikesnek minősített talajok fizikai és kémiai jellemzőivel kapcsolatban. Javasolhatók talajkémiai kísérletek, a hagyományos ödométeres kísérletek mellett ödométeres relaxációs kísérletek a szerkezeti változás hatásának kimutatására a kettős kompressziós görbe módszerével. További kutatás javasolható a CPTU disszipációs görbék mérésére és értékelésére vonatkozóan, tisztázandó a közel normálisan konszolidált agyagban mért diagram nem monoton jellegének oka.
IRODALOM 1. Rétháti, L.; Ungár, T. (1978). Large settlement s soil physical data Építés-Építészettud, X. (1-2) In Hungarian. 2. Imre, E. (1995). Statistical evaluation of simple rheological CPT data. Proc. of XI. ECSMFE, Copenhagen, 1: 155-161. 3. Imre E. Firgi, T., Juhász M., Hazay M., Hegedűs M., Bakacsi Zs., Singh V. G. (2014): CPTu pore water pressure dissipation tests in saline environment. CPT14. 4. Imre E., Juhász M., Józsa V., Hegedűs M., Bíró B., Singh V. G. (2014) CPTu tests and CPT simple dissipation tests in saline environnent. CPT14 5. Sully J P, Robertson P K, Campanella R G, Woeller D J (1999) An approach to evaluation of field CPTU dissipation data in overconsolidated fine-grained soils. Can. Geotech. J. 36: 369 381. 6. Teh, C.I. and Houlsby, G.T. (1988). Analysis of the cone penetration test by the strain path method. Proc. 6th Int. 7. Imre, E., Rózsa, P., Bates, L., Fityus, S. (2010) Evaluation of monotonous and nem-monotonous dissipation test results. COGE. 37: 885-904. 8. Imre E, Schanz T, Hegedűs Cs (2013) Some thoughts in nem-lineárs inverse problem solution.euro:tun 2013. Bochum, Németország, 2013.04.17-2013.04.19. pp. 357-365. 9. Imre, E., Vijay P. Singh and Fityus S.The modelling of some pointsymmetric tests166-185. Proc. of the 3rd Kézdi Conference. Budapest, Hungary, 2013.05.28.ISBN 978-963-313-081-0 10. Imre E., Schanz T. and Vijay P. Singh Evaluation of staged oedometric tests 251-268. Proc. of the 3rd Kézdi Conference. Budapest, Hungary, 2013.05.28.ISBN 978-963-313-081-0 11. Baligh, M. M. (1986). Undrained deep penetration, II. pore pressures. Geotechnique, 36(4): 487-503. 12. Bjerrum, L. (1967). Engineering geology of normally consolidated marine clays as related to settlements of buildings. Seventh Rankine Lecture. Geotechnique, 16(2): 83-118.