Miskolci Egyetem Mőszaki Földtudományi Kar Mikoviny Sámuel Doktori Iskola Környezetföldtan c. tárgy Hajdúné dr. Molnár Katalin egyetemi tanár tárgyfelelıs A talajjavítási módszerek környezetvédelmi értékelése vizsgadolgozat dr. Szepesházi Róbert PhD-hallgató Miskolc 2007. augusztus
1. A talajjavításokról és környezeti vonatkozásaikról általában 1.1. A talajjavítások növekvı szerepe A mélyépítés gyakorlatában a korábbi egyedi példák után az 1970-es években váltak gyakoribbá az olyan konstrukciók, melyek a talajok tulajdonságainak célirányos javításával oldották meg a feladatot. A technikai-technológiai fejlıdés nyitotta meg és bıvítette egyre ezt az utat, s nagyjából az ezredfordulóra jutottunk el oda, hogy már a rutin tervezés kezdetén is feltesszük a kérdést: a talajadottságokhoz alkalmazkodva megfelelı mérető és erısségő alapokkal, támszerkezetekkel, stb. oldjuk-e meg a feladatot, vagy valamilyen talajjavítás és szerényebb szerkezet összege adjae az optimumot. A sokféle talajjavítás lehetısége azonban valójában ma már ennél markánsabb befolyást gyakorol az építéstervezésre, illetve tágabban a projektfejlesztésre. Míg korábban bizonyos talajadottságokat eleve úgy értékeltünk, hogy azok miatt beépítésre alkalmatlannak kell minısítenünk egyes területeket, addig ma már nem érzünk ilyen korlátokat. Ellenkezıleg, egyre gyakoribb, hogy olyan területeket építünk be nem ritkán talajjavítással kezdve a munkát melyek éppen azért maradtak szabadon, mert kedvezıtlen az altalajuk, vagy amelyek éppen speciális talajadottságaik miatt másra, mint pl. autópálya-építésre nem nagyon használhatnak fel, vagy gondoljunk az offshore építményekre. Merész álmokat lehet extrém helyekre építménnyé fogalmazni, bízva abban, hogy a geotechnikusok találnak megoldást. A bizalom indokolt, s a módszer gyakran a talajjavítás. Említsük példaként a balatoni tızegen épülı autópályákat (Hajdú, Tárczy, 2006 és lásd 1. ábra), a bostoni alagutat (Mitchell, 2004; lásd késıbb a 2. ábrát), vagy a Dubaiban épülı mesterséges szigetet (Makkos, 2006). A lehetıségek szinte korlátlanná váltak, képesek vagyunk 50 m mélységben betonná alakítani a talajt, 60 m vastag talajzónát drénezni, 25 m magas meredek támfalat építeni georáccsal erısített talajból. 1. ábra. Töltésalapozása az M7 autópályán tızeges altalajon dinamikus talajcserével létrehozott kıtömzsökkel A talajjavítások mára olyannyira a geotechnikai mindennapos eszközeivé váltak, hogy az új európai szabványosítási hullám keretében elkészített Speciális geotechnikai munkák címő 13 darabból álló sorozatból a következı 7 talajjavítási eljárást tárgyal: MSZ EN 12715:2001 Injektálás. MSZ EN 12716:2001 Jethabarcsosítás. 2007. augusztus 1
EN 14490:2007 MSZ EN 14475:2007 MSZ EN 14679:2005 MSZ EN 14731:2005 EN 15237:2007 Talajszegezés. Töltéserısítés. Mélykeverés. Mélyvibrálás. Függıleges drénezés. Ezek közül az MSZ jelzetőek már magyar nyelven is megvannak, az EN jelzetőeket pedig európai szabványként várhatóan idén vezetik be, szövegük utolsó változatát viszont már ismerjük. Nyilvánvaló, hogy az elsı menetben a leggyakrabban alkalmazott eljárásokat szabványosították, de vannak még azokon kívül is ismert és bevált módszerek. Ezek némelyikét esetleg sohasem fogják szabványosítani, mert a szokásos geotechnikai módszerekkel megtervezhetık és kivitelezhetık, ilyen pl. a statikus elıterhelés, vagy azért nem, mert annyira speciálisak, ilyennek látszik a talajfagyasztás. Vannak aztán olyanok is, amelyekre idıvel talán sor kerül, pl. a dinamikus konszolidáció. 1.2. A talajjavítások rendszerezése A talajjavítások e bı körét sokféle módon szokták osztályozni. Itt most egy gyors áttekintéshez a felsorolt szabványokból a következı, elsısorban technológiai megközelítéső elkülönítést, csoportosítást vesszük alapul, illetve azt bıvítjük. 1. táblázat. A talajjavítási eljárások rendszerezése hatásmechanizmus módszer szemcsés talaj talajfajta kötött talaj statikus elıterhelés elıterhelı töltés többlettöltés mechanikai hatás döngölés dinamikus konszolidáció dinamikus talajcsere mélyvibráció mélyvibrációs tömörítés vibrált kıoszlop robbantás robbantásos tömörítés kötıanyagbevitel betétes erısítés szivárgásszabályozás injektálás átitatásos injektálás tömörítı injektálás jethabarcsosítás cementált talajoszlop cementált talajoszlop mélykeverés cementált talajtömb meszes kötéső talajtömb geomőanyagos erısítés töltéserısítés töltésalapozás acélelemes erısítés erısített talajtámfal szegezett fal drénezés vízszintes furatok szalagdrénezés talajvízszint-süllyesztés szőrıkutak, szivárgók vákuumkutak, szivárgók vízkizárás fagyasztás, légnyomás Megjegyzés: a dılt betős módszerek alkalmazása ritka, a továbbiakban nem is tárgyaljuk. 2007. augusztus 2
A talajjavítás célja alapvetıen kétféle lehet: a mechanikai tulajdonságok, a szilárdság és a merevség javítása a talajtörési állapotok elkerülése és a deformációk csökkentése céljából, a geohidraulikai adottságok, a szivárgási tényezı és a szivárgás peremfeltételeinek módosítása a vízmozgások gyorsítása, szabályozása és megakadályozása céljából. A talajfajtát, a talajtulajdonságokat tekintve elsısorban a következık gyakoriak: a szemcsés talajok közül a laza homokok és a friss, részben vagy egészben mesterséges feltöltések mechanikai tulajdonságainak javítása és vízzáróságának elérése, a kötött talajok körébıl a tızegek, a puha szerves agyagok, természetes vagy mesterséges iszapos üledékek, kis áteresztıképességő kövér agyagok mechanikai tulajdonságainak javítása és vízvezetı képességének növelése. Az alkalmazási kört, az alkalmazás gyakoriságát tekintve a következıket lehet megfigyelni: a város mélyépítésben fıleg a kötıanyagos javítás (2. ábra), a talajfagyasztás és a szegezett talajfal, a közlekedési és a zöldmezıs ipari építkezéseknél a mechanikai módszerek és a drénezés, a földmőépítésben, szők terület esetén geomőanyagos talajerısítés a legjellemzıbb. E szegregálódásban meghatározó szerepe van annak, hogy a módszer környezetzavaró hatásai (rázkódás, zaj) hol engedhetık meg, s hol nem. 2. ábra. Épület aláfogása és munkatérhatárolás jethabarcsosítással elıállított oszlopokkal (a Keller Grundbau prospektusából) A javítási igény, cél tartóssága szerint is érdemes vizsgálódni, s e szerint lehetséges, hogy rövid ideig, az építés közben, esetleg a létesítmény mőködésének elsı idıszakában van szükség a javításra, pl. ilyen a munkatérhatárolás és a többlettöltés, tartósan, az építmény teljes élettartama alatt szükséges a javítás eredménye, pl. ilyen az épületalapozás, erısített talajtámfal. A javítási technológia eredményeként létrejövı változás hatásideje, fennmaradása, bizonyos értelemben a javítás mértéke, lehet ideiglenes, pl. a talajfagyasztás, a kutas vízszintcsökkentés, tartósan megmaradó, de csökkenı hatású, pl. a drénezés, a mélyvibráció, tartós (végleges), pl. a kötıanyagos és a betétes töltéserısítés. 2007. augusztus 3
1.3. A talajjavítások tartósságának és kiterjedésének környezeti összefüggései A talajjavítás igényének és a javítás eredményének tartóssága jó esetben összhangban hozható: ahol rövid ideig szükséges a javítás, ott olyan megoldást alkalmazunk, mely csak a szükséges (rövid) ideig változtatja meg a természetes viszonyokat. Ám ez gyakran nem lehetséges, a beavatkozások eredménye a legtöbbször végleges, noha építményeink tervezett élettartama 100 év. Az építmények egy jelentıs hányadát 100 év után vagy még elıbb valóban el is bontják, a talajjavítások visszacsinálása viszont többnyire valószínőleg nem lesz lehetséges. A talajjavítások nagyobb részére úgy kell gondolnunk, mint a természet olyan átalakítására, mely legalább is az emberi idıléptékben megmásíthatatlan. A talajjavítások alkalmazásakor a természetes talajkörnyezet és az épített szerkezet nem válik el a szokásos éles határral. Nemcsak egy felületen érintkeznek, s azon át egymásra hatnak, mint a hagyományos szerkezetek esetében, hanem a talaj javításával egyfajta átmenet képzıdik köztük. A mechanikai célú javítással olyan tulajdonságú anyagokat hozunk létre, melyek a merev-szilárd általában vasbeton geotechnikai szerkezetek és a deformálódó-kisszilárdságú talajok közé iktatva mindkettı viselkedését és kölcsönhatásukat is elınyösebbé teszik. A geohidraulikai célú javítások esetében az átmeneti zóna víztartalmát, -nyomásait és -vezetıképességét változtatjuk meg, hogy a kedvezıtlen víztartalmú és -nyomású talajzóna hatásaitól mentesítsük az építendı szerkezetet. A javított talajzóna kiterjedése a hagyományos geotechnikai szerkezetekhez képest meglehetısen nagy, mivel a javítás csak akkor hatékony, ha a megváltoztatott talajzónával a kedvezıtlen eredeti talaj kellı távolságba kerül az épített szerkezettel (lásd 3. ábra). Az elıbbi két gondolatsor mellett emlékeztetnünk kell még önmagunkat arra, hogy a talajjavítások fejlıdése az építési szakterület olyan alapjelensége mellett zajlik, mint a beépítettség fokozódása mind alaprajzilag, mind a mélységet illetıen. Mind a két irányú terjeszkedés a fejlıdés velejárója, de bizonyos részben a talajjavítás is felelıs érte, minthogy technikailag megteremti a lehetıségét. Látnunk kell ugyanakkor, hogy a mind nagyobb felülető és mélységő, s gyakran a kedvezıtlen talajú területekre szoruló beépítések egyben a talajjavítások kiterjedését is növelik. 3. ábra. A bostoni alagút alatt nagykiterjedéső puha agyagzónákat erısítettek meg mélykeveréssel az igénybevételekhez igazodó változó mértékben (Mitchell, 2004) 2007. augusztus 4
1.4. A talajjavítások lehetséges környezetvédelmi vonatkozásainak áttekintése A geotechnika általános feladata az építési tevékenységen belül az épített szerkezet, valamint a talaj- és talajvíz közötti harmónia megteremtése. Ezt a legtágabban értelmezhetjük, kezdve egy épület olyan alapozásától, mely az épület számára elviselhetı süllyedést okoz, a vasút vonalvezetését biztosító bevágások létesítéséig. E feladatból fakadóan lényegében a geotechnikai tevékenység keretében kell szembenéznünk egy-egy létesítmény környezeti hatásaival, s a terv harmóniája természetszerőleg azt is kell, hogy jelentse, sıt egyre inkább elsıdlegesen azt, hogy a környezetet terhelı hatásokat is minimumra szorítsuk, a károsító beavatkozásokat pedig kiküszöböljük. E megközelítésmód jegyében, érzékelve azt a jelenségegyüttest, amelyet a talajjavítások iránti igény fokozódása, technikai tárházának bıvülése, hatásainak tartóssága és terjedelmének növekedése jelent, kötelességünk környezetvédelmi szempontból is értékelni a talajjavítások környezeti vonatkozásait. Az egyes eljárások vizsgálata elıtt érdemes áttekinteni a lehetséges környezetveszélyeztetı hatásokat, hogy a tételes vizsgálatkor erre támaszkodhassunk. A következıkre kell gondolnunk: a beépítettség általános növekedését segítik elı azáltal, hogy az eddig beépíthetetlen területek felhasználását lehetıvé teszik, a különlegesen gyenge talajú, eddig érintetlen élıvilágú területek elfoglalására, beépítésére is megoldást kínálnak, az építmények méretének és ezzel a természetátalakítás mértékének növelésére nyújtanak technikai lehetıségeket, az élıvilág számára alkalmatlan anyagi környezetet teremthetnek egyes módszerek, a talajok természetes tulajdonságainak megváltoztatásával befolyásolhatnak különbözı földtani folyamatokat, a talajkörnyezet egy késıbbi más irányú, más célú hasznosítását ellehetetleníthetik, a talajba bevitt mőanyagok szigorúan véve szennyezésnek tekinthetık, a talajba bevitt vagy a talajban bekövetkezı folyamatok nyomán keletkezı, esetleg toxikus anyagok szennyezhetik a talajvizet, a talajvízviszonyok lokális befolyásolása a természetes talajvízszintek és vízmozgások nagykiterjedéső és káros megváltozását eredményezheti, vízmozgásokat indukálhatnak egyes technológiák kedvezıtlen következményeket okozva (pl. szennyezıdés transzportálása), káros gázok és porszerő anyagok felszabadulhatnak és a levegıbe juthatnak egyes talajjavítási mőveletek során, a természetes és épített környezetet károsító talajmozgásokat okozhatnak egyes talajjavítási mőveletek, erıs zajjal, vibrációval vagy rázkódással terhelhetik a környezetet egyes technológiák, hulladékként kell kezelni egyes eljárások végén a feleslegessé váló (veszélyes) anyagokat, tőzveszélyes és az égés során káros gázokat, füstöt kibocsátó anyagokat is használunk egyes talajjavításokhoz, nagy a vízigény és sok szennyvíz keletkezik a technológiai sor végén egyes javítások esetén, a nagy anyag- és energiaigényő eljárások közvetve okoznak környezeti kárt. A felsorolt környezetveszélyeztetı hatások fellépésével reálisan kell számolni, ám ez nem jelenti azt, hogy eleve úgy kell a talajjavításokra tekintenünk, mint valami káros tevékenységre. Bár dolgozatunk célja e károsító hatások kritikus felmérése és értékelése, de bocsássuk elıre, hogy 2007. augusztus 5
egyrészt a tapasztalat szerint gondos tervezéssel és megvalósítással a károsító hatások kiküszöbölhetık, másrészt a talajjavításokra ma inkább úgy tekint a geotechnika és környezetvédelem, mint olyan lehetıségre, mely képes a környezetet érı más veszélyes hatások lokalizálására, sıt a megszőntetésére is. A talajba, talajvízbe került szennyezıdések terjedésének megakadályozásának alapvetı módszere vízzáró talajfalak létesítése vagy a szennyezıanyagok in situ megkötése. Az ésszerő helyekre tervezett betétes talajerısítések is környezetkímélı megoldások lehetnek, mert a segítségükkel készíthetı meredekebb rézsők, talajtámfalak lehetıvé teszik, hogy kisebb területeket foglaljunk el, kevesebb földtömeget mozgassunk meg, s ezzel kevésbé alakítsuk át a természetet (lásd 4. ábra). A talajjavítások környezeti vonatkozásait mérlegelve mindkét serpenyıbe kerül tehát súly, s nyilván a konkrét feladat és körülmények tükrében kell értékelnünk, hogy a környezetet óvó vagy veszélyeztetı hatások erısebbek-e. acélkorlát humusz útpálya- szerkezet kavics töltés georács eredeti terep vasbeton máglyafal betonalap humusz talajvíz puha agyag tömör homok 5 m CFAcölöp 4. ábra. Az M5 autópálya egy lehajtó ágának általam tervezett kialakítása erısített talaj- és máglyafal kombinációjával 2. Mechanikai eljárások és környezetvédelmi értékelésük 2.1. Statikus elıterhelés A statikus elıterhelés lényege az, hogy a kompresszibilis altalajra elızetesen a végleges terhelésnél nagyobbat hordunk fel, s azt mindaddig rajta tartjuk, míg az általa okozott süllyedés nem éri el a végleges terhelés következtében várható értéket. Gyakorlatilag csak a kötött talajon való töltésépítéskor használjuk úgy, hogy a végleges magasságúnál magasabbra építjük a töltést, majd a többletet visszaszedjük. Ezzel a módszerrel az építést lehet gyorsítani, lerövidítve a konszolidációs idıt. Tovább fokozható ez a hatás, ha drénezéssel gyorsítjuk a konszolidációt. Alkalmazásának feltétele, hogy az elıterhelés ne okozzon talajtörést, amihez egy minimális talajszilárdság és kedvezı töltésgeometria kell. Szemcsés talaj esetén nagyobb többlettöltést nem szokás alkalmazni, mivel a szemcsés talajok összenyomódása a töltések felhordása közben befejezıdik. Ese- 2007. augusztus 6
tenként, ha a szemcsés altalaj nagyon laza, s a töltésre kerülı szerkezet nehezen bírná el az önmaga által okozott süllyedést, akkor e szerkezet súlyának megfelelı elıterhelı töltést érdemes lehet építeni. A statikus elıterhelést más építési feladatokban ritkán alkalmazzák, mert nehéz és költséges az építmények súlyának megfelelı terhelés biztosítása. Széchy, Varga (1971) mővébıl tudható viszont, hogy Mexikóvárosban, melynek altalaja nagyon laza vulkáni eredető por, az épületeket alapozzák úgy, hogy a leendı épület helyén felhalmozzák az építıanyagokat és szerkezeteket, ezek hatására bekövetkezik a várt süllyedések nagyobb része, s aztán az elemekbıl felépített épület már elbírja a még bekövetkezı mozgásokat. Egy érdekes épületalapozási alkalmazás Kézdi professzorhoz főzıdik (Kézdi, 1976): a kaposvári siló alá tervezett és a próbaterhelés során elégtelen teherbírásúnak bizonyult cölöpalapozást úgy javíttatta fel, hogy a siló vasbeton szerkezetének terhét nem a cölöpökön át, hanem közvetlenül a fejgerendákon át hárította a talajra. A konszolidálódó altalaj már nagyobb cölöpteherbírást szolgáltatott, s így a cölöpök, miután már összekapcsolták ıket fejgerendákkal, a hasznos terhelést már elbírták. A statikus elıterhelés az a talajjavítási eljárás, amely a legkevésbé változtatja meg a természetes környezetet, valójában nem nagyobb, hanem éppen olyan mértékben, mint a végleges szerkezet teszi, csak a változást idıben elırehozza. Egyes irodalmak nem is említik a talajjavítások körében, elsısorban azok nem, melyek a talajjavításokat a technológia oldaláról közelítik. Lényegében semmilyen technológiai fogása nincs, a szokványos földmőépítési eljárásokat kell alkalmazni, valójában csak szellemi fogásról van szó. Ennek megfelelıen nincsenek speciális környezetveszélyeztetı elemei, csak olyan hatásokat okozhat, mint minden földmőépítési tevékenység. E módszer önmagában általában nem elegendı arra, hogy különösen kedvezıtlen altalajokon is építeni lehessen vele, s különösen magas töltések építésében sem igazán hatékony (a magas töltés hasonlóan magas többlettöltést kívánna), ezért lényegében semmilyen, valójában még a talajjavításokkal szembeni legáltalánosabb környezetveszélyeztetı hatásokat sem kell felrónunk ezzel a módszerrel szemben. (Tegyük még hozzá, e módszer természetesen költségeit tekintve is a legolcsóbb.) 2.2. Dinamikus konszolidáció A francia Louis Menard által kifejlesztett elegánsan dinamikus konszolidáció vagy dinamikus intenzív tömörítés névvel illetett eljárás valójában egy rendkívül egyszerő módszert takar: a javítandó talaj felületére általában a=5-10 m-es négyzetes raszterben G=8-50 t tömegő tömböt ejtegetnek h=10-30 m magasságból n=5-10-szer egy daru segítségével. A tapasztalat szerint a t kezelési mélység a bevitt energia négyzetgyökével arányos (Smoltczyk ed., 2003): t = α (G h) 0,5 ahol α a talajfajtától függ: kavics esetén 1,0, iszapos homok esetén 0,6 és lösz esetén 0,5 vehetı figyelembe. A t mélység a gyakorlatban általában 8-10 m-re adódik ki. Ha viszont magasabban egy tömör vagy cementálódott réteg van, az elnyelvén az energiát lényegében meggátolja az alatta levı zóna hatását. A döngölés száraz szemcsés talajban egyszerő tömörödést okoz. Víz alatti szemcsés talaj esetében az elsı ütések a pórusvíznyomás növelésével megfolyósodást okoznak, a következık tömörödést, majd 1-2 nap alatt a pórusvíznyomás disszipációja következtében a hatékony feszültség növekedése egy utótömörödést kelt. A szemcsés talajokban a felszínen kráter keletkezik, melyet helyi vagy beszállított anyaggal töltenek fel, majd újabb döngölési menetek következnek. A tapasztalat szerint inkább kisebb ejtési magasságokkal és nagyobb ütésszámmal érdemes dolgozni, s a megfolyósodás elkerülése elınyösebb lehet. Kötött talajban a talajvíz felett a Proctor-féle döngöléshez hasonló módon következik be a tömörödés, a lokálisan behatoló tömb körül nyírási felületek és repedések alakulnak ki, melyek men- 2007. augusztus 7
tén a víz viszonylag könnyen és gyorsan kiléphet, s viszonylag számottevı javulás érhetı el. Ilyen körülmények adódnak kötött anyagú meddık esetében, melyek így jól javíthatók ezzel a technológiával. Telített, illetve talajvíz alatti vastag agyagtalaj esetén azonban olyan jelenségek következnek be, amilyeneket a hengeres tömörítés alapján jól ismerünk. Néhány ütés után tömörítı hatás már nem érzékelhetı, a talaj a kezelési pont körül felemelkedik, gumizik. Ekkor a további döngölésnek nincs értelme, legfeljebb pihentetés után lehet érdemes újra döngölni. A kötött talajban a döngölés hatására keletkezı pórusvíznyomások csak nagyon lassan disszipálódnak, s így a hatékony feszültségek növekedése csak hónapok vagy évek alatt eredményez javulást, amit a mai ütemtervek mellett általában már nem lehet kihasználni. Angliában szokásos, hogy a vízmozgások gyorsítására a döngölést megelızıen kıoszlopokat (kavicscölöpöket) mélyítenek le. A tapasztalat szerint a dinamikus konszolidáció 10-7 m/s-nál kisebb áteresztıképességő 10 m-nél vastagabb talajban már nem gazdaságos. Puha (szerves) agyagokban és különösen tızegekben viszont a döngöléssel kıtömzsöket lehet elıállítani. A felszínre behordott, 1-2 m vastag szemcsés anyagot dugószerően beleverik a talajba kiszorítva onnan oldalra a termett talajt. A mélyedésbe összetolják a környezetbıl a szemcsés anyagot, s azt tovább verik lefelé. Ezt addig ismételik, míg a dugó átüti a gyenge réteget és eléri a jobb teherbírású zónát. A módszer tulajdonképpen talajcserét eredményez, dinamikus módszerekkel, innen a francia elnevezése: dinamikus talajcsere. Ezt a módszert alkalmazta az M7 autópályán a francia Menard-cég, de hasonlóval javította a talajt Orosházán a Soil Cons nevő magyar kisvállalkozás. Az ilyen talajok esetén a munka elıtt a felszínt nem szokás, nem szabad lehumuszolni, mert a felsı kissé szárazabb és fővel összefogott réteg jobb járhatóságot nyújt a nagy daruk számára. A tapasztalat szerint ez az eljárás a leggazdaságosabb, ha 5000 m 2 -nél nagyobb felületen 10 m- nél vékonyabb nagyon laza homokot, feltöltést, vagy nagyon puha szerves talajt kell javítani. E módszer viszont már számos környezeti problémát felvet. Természetesen örülhetünk is, hogy kedvezıtlen területeken, pl. tengerpartokon, mocsaras területeken is lehetıséget nyújt az építésre, ám ezzel a beépíthetıség határait kiterjesztve, hosszabb távon, az érintetlen területek elhódításával kétséges érdemeket szerez. Ilyen viták elızték meg az M7 autópálya új szakaszainak vonalvezetését, a tızegen korábban nem épülhetett volna autópálya-töltés, most egyebek mellett a dinamikus talajcsere (kıtömzsök) tette azt lehetıvé. Ennél azonban konkrétabb környezetkárosító hatások is jelentkeznek: a döngölés zajt és vibrációt kelt. A zajszint maximuma a döngölés helyén a mérések szerint 110-120 db, szerencsére ez nem folytonosan, hanem egy döngölési ciklusnak csak a 0,5 %-ában jelentkezik, és kb. 50 m-re már elfogadható szintre csökken (Moseley, Kirsch ed., 2004). A kihatást befolyásolja a szélirány, a visszhangozó felületek, terepformációk, a daru állás és a döngölı tömb anyaga. Mindenesetre a zajterhelés a fı oka annak, hogy általában csak zöldmezıs építkezéseknél használható a módszer, lakóterületeken szinte soha. Több publikáció számol be olyan kritikus, de jó szervezéssel (pl. csak bizonyos órákban dolgozva) megoldott alkalmazásról, melyek régi gyárterület, ipari melléktermék hányójának rehabilitációját készítette elı. E területeken nagyon gazdaságos lehet a módszer, de ilyen helyekhez még viszonylag közel lehetnek mőködı intézmények, melyekben akár érzékeny mőszerek is mőködhetnek. A vibráció még kritikusabb probléma, mivel a döngölés rezgésszáma 5-15 Hz, s ez valóban veszélyes az építményekre. Ám tudni kell, hogy a szubjektív érzések alapján az emberek az ilyen rezgések veszélyét indokolatlanul nagynak gondolják. Ezért nagy szerepe van az irodalmi mérési adatoknak, amilyeneket pl. a 5. ábra, de még hasznosabb, ha a helyszínen végeznek méréseket, amikor az ilyen munka alkalmazási korlátozását megállapítjuk. Ezek segíthetnek a döngölés környezetbarát tervezésében. A hatások egyébként a tömeg és az ejtési magasság mérséklésével, valamint a rezgés közvetítését gátló árok beiktatásával csökkenthetık. 2007. augusztus 8
5. ábra. A rezgés terjedése és a kárt (kárérzetet) okozó sebességtartományok (Moseley, Kirsch ed., 2004). (A döngölésre vonatkozó felsı görbék szemcsés, az alsók kötött talajra érvényesek; a talajvíz közelsége esetén is inkább a felsı görbék reálisak; a vibrációs javításra vonatkozó felsı görbe 30 Hz, az alsó 50 Hz esetén érvényes) A kötött talajrétegeket átütı döngölések esetén számolni kell azzal a veszéllyel is, hogy a bekerülı szemcsés anyaggal összekapcsolunk különbözı vízemeleteket. Ez káros lehet azáltal, hogy az addigi víznyomások, vízáramlások módosulhatnak, a kıtömzsök akár meg is csapolhatják a talajvizet. Ez például a tızegek esetében kiszáradást, tőzet, illetve óriási mértékő összenyomódást okozhat. Még nagyobb bajt okozhatnak a kıtömzsök akkor, ha a felsı vízemelet szennyezett, ami különösen régi ipari területeken gyakori, az alsó viszont tiszta, s akár ivóvízbázis is lehet. Az elıbbi eseteket konkrét hidraulikai vizsgálatok alapján kell értékelni, míg a legutóbbi veszély esetén a módszer alkalmazását el kell vetni. Gondolni kell ilyenkor arra is, hogy az új beépítéssel létesülı közmővezetékek (fıleg a szennyvízcsatorna) esetleges károsodása esetén a kıtömzsök levezethetik a szennyezett vizet az alsó vízemeletbe. Arra is ügyelni kell ilyen körülmények esetén, hogy a döngölés nyomán bevitt szemcsés anyagok semmiképpen se legyenek szennyezettek, illetve ne oldódhassanak ki belılük káros anyagok. Térjünk ki még arra a veszélyre is, mely abból a fakad, hogy a döngöléses eljárások kiválóan alkalmasak lehetnek ipari meddıhányók, hulladéklerakók javítására. Ezek kezelése természetesen számos speciális károsító hatást okozhat, amelyeket különös gondossággal, érzékenységgel kell felmérni. 2007. augusztus 9
A döngölés talajkiszorítást eredményez, ezért meglévı építmények, közmővek vagy fák közelében a javítást abba kell hagyni, nehogy azok a talajelmozdulások miatt károsodjanak. A döngölés nyomán a beverendı szemcsés anyag darabkái a megfigyelések szerint felrepülhetnek, már 30 m-es röppályát is észleltek. Az emberek és állatok vagy az épített környezet ebbıl fakadó veszélyeztetésének elhárítása is feladatot ró az alkalmazókra. Hasonlóképpen el kell kerülni, hogy a döngölés nyomán por keletkezzen, a felszínre terítendı és beőzendı szemcsés anyag összetételét és víztartalmát ennek megfelelıen kell megválasztani, illetve beállítani. 2.3. Mélyvibrációs talajjavítás Ez az eljárás mind a technológiát, mind a környezeti vonatkozásokat illetıen bizonyos mértékig hasonlít az elızıhöz. A leginkább használatos módszer lényege egy darura felfüggesztett vibrációs berendezés, mely az önsúlya és rezgetése révén, esetleg vízöblítéssel, levegı benyomásával vagy külsı terheléssel segítve hajtható le a talajba. A kívánt mélység elérése után a vibrátort rezgetve felhúzzák, különbözı módszerekkel szemcsés anyagot juttatnak az üregbe, azt a vibrátor visszasüllyesztésével tömörítik, illetve összedolgozzák a környezı talajjal, mindezeket 0,5-1,0 m szakaszokban ismételgetve. A mélyvibrátorok súlya 15-40 kn, átmérıje 30-50 cm, hossza 2-5 m. Bennük egy elektromos vagy hidraulikus motor és az általa hajtott excentrikus forgó tömeg van, mely vízszintes rezgést ad át a talajra. A legújabb berendezésekben a frekvencia állítható, mert p. a szemcsés talajok esetében leghatékonyabb a 25-30 Hz. A berendezések egyik részében a motor és az excenter mellett szabályozható nyomású víz vagy levegı vezethetı a talajba, a másik típus esetén a vibrátor csövében a motor és az excenter mellett egy csı van, melyen át a szemcsés anyag vezethetı a csúcshoz (lásd 6. ábra). Vibrációval a finom homoknál durvább szemcséjő talajokat tömöríteni lehet, az ennél finomabb talajokban vibrált kıoszlopok, vagy másik nevén kavicscölöpök állíthatók elı. Ha 10 %-nál nagyobb az iszap+agyag-tartalom, illetve 10-5 m/s-nál kisebb az áteresztıképesség, akkor már csak az utóbbi lehetséges. A kötött talajokban a vibrált kısoszlopok a mechanikai tulajdonságok javítása mellett a konszolidáció gyorsítását is szolgálják A vibrált kıoszlopok háromféle technológiával készíthetık, melyek elsısorban a szemcsés anyag bevitelében különböznek (MSZ EN 14731:2005). a) A felülrıl tápláló száraz eljárás szemcsés talajokban rendszerint csak a talajvíz fölött alkalmazható. Levegıöblítés segítségével elérve a tervezett mélységet a vibrátort rövid ideig ott mőködtetik, majd visszahúzzák a felszínre. A kialakult üregbe kis mennyiségő tiszta, inaktív szemcsés anyagot töltenek, majd a vibrátort ismét leeresztik, az tömöríti a betöltött anyagot, és jól összekapcsolja a környezı talajjal. A szemcsés anyag kis adagokban való betöltésével és az adagok meghatározott energiafelhasználású tömörítésével készíthetı el egészen a felszínig a kıoszlop. A szemcsés anyag szokásos szemcsemérete 40 75 mm. b) A nedves eljárást akkor alkalmazzák, amikor az elıbbit nem lehet, mert a talaj önmagában nem állékony. A mélyvibrátor hasonló a száraz eljárás esetén használthoz, de vízöblítés segíti a lehajtást és növeli az üreg állékonyságát. A víz a talaj egy csekély részét felhozza, azt árokban kell elvezetni és ülepíteni. A kívánt mélység elérése után a vibrátort részlegesen visszahúzzák, majd ha kell újra és újra bemerítik, hogy kimosódjon a laza talaj, amely összegyőlt az üreg alján. Az állékony üreg elkészülte után a vibrátort a talajban tartják, csökkentik a vízáramlást, miközben a térszínen, közvetlenül a vibrált üreg köré, folyamatosan utántöltik a szemcsés anyagot. Az lecsúszik a vibrátor és a környezı talaj közötti győrőszerő térben az üreg aljára, s a vibrátor bedolgozza. Így kis emelésekbıl és újbóli behatolásokból álló lépcsıkben lehetıvé válik a felszínig érı kıoszlop kialakítása. A bedolgozandó anyag tipikus szemcsemérete 25 75 mm. 2007. augusztus 10
c) Az alulról tápláló száraz eljárás során a vibrátor végig az üregben marad, ezért az eljárás sikeres nem állékony talajban is. A szemcsés anyag a vibrátor mellett lemenı anyagellátó csövön jut le a talajba. A feltöltött berendezést szükség szerint sőrített levegıvel és külsı lenyomó erıvel rásegítve hajtják le. A kívánt mélységet elérve elıbb kissé visszahúzzák, így a szemcsés anyag aláfolyik. Aztán újból lenyomják a vibrátort a betöltött anyagba, tömörítik azt, és létrehozzák a szoros kapcsolatát a környezı talajjal. Ezeket a fázisokat ismételgetve, a szemcsés anyag szükség szerinti utántöltésével elkészíthetı a kıoszlop a terepszintig. A betöltött anyag szemcsemérete általában 8 50 mm. Említést érdemel, hogy nagyon puha talajokban kevés lehet a kıoszlop oldalirányú megtámasztása, aminek kompenzálásra két megoldást fejlesztetek ki. A b) eljárás esetében geotextíliával vagy georáccsal körbefogott kıoszlopot készítenek: a kiemelt vibrátorra ráerısítik a geomőanyagot, majd visszasüllyesztés után azt le lehet választani róla. A c) eljárást úgy fejlesztették tovább, hogy betonhabarcsból is készíthetı az oszlop, vagy egy része, mely megszilárdulván már kihasasodás vagy elnyíródás nélkül is képes lesz viselni a terhelést. A homok és kavics talajok mélyvibrációs tömörítését leggyakrabban az elıbbiekben b) alatt leírt nedves eljárással végzik, de ekkor nem képzıdik kıoszlop. Elıfordul azonban az is, hogy nem is töltenek be felülrıl szemcsés anyagot, hanem elfogadják a felszín süllyedését. 6. ábra. Mélyvibrátorok (a Keller Grundabu prospektusaiból). (balra: az alulról tápláló eljáráshoz, jobbra: a felülrıl tápláló és a nedves eljáráshoz) 2007. augusztus 11
Egy másik mélyvibrációs eljárásban egy speciális tömörítırudat a felszínen maradó fejvibrátorral hajtanak le, s így tömörítik a talajt. Az áttört lemezekbıl készített vagy kis szárnyakkal ellátott rudak, mert ezekkel jól átadható a vibráció a talajra. Szokás továbbá a vibrált kıoszlopok (vagy a kıtömzsök) mellé sorolni azokat a kavicscölöpöket, melyeket zártvégő acélcsövek vibrációs vagy verıkalapácsos lehajtásával és visszahúzásával elıállított üregek kitöltésével készítenek. Ezeket azonban a közvetlenül e célra fejlesztett mélyvibrátorok lassan kiszorítják. A vibrációs kezelést négyzet vagy szabályos háromszög szerinti elrendezésben, 2,0-4,0 m ponttávolságokban végzik,. A mélyvibráció 65 m hatásmélységet is elérhet, a vibrált kıoszlop eddigi maximális mélysége 26 m volt. Sőrő kiosztásban hatékonyabb lehet mint a döngölés, de általában költségesebb. A korszerő mélyvibráció viszonylag jól kézben tartható, mivel a munkagépekre szerelt mérıberendezésekkel sokféle paraméter (mélység, sebesség, légnyomás, tolóerı, teljesítményfelvétel, anyagbetáplálás, frekvencia) mérhetı. A módszert a hazai gyakorlatban általában hidak háttöltése alatt alkalmazzák, de egyre gyakoribb csarnokok altalajának általános feljavítására is, hogy a nagyterheléső padozatok megbízható és egyenletes alátámasztást kapjanak. A mélyvibrációs kezelés lényegében ugyanazokat a környezetvédelmi kérdéseket veti fel, mint a döngölés. Mivel azonban ezzel a módszerrel nagyobb mélységő talajtartományok kezelhetık, az általános jellegő hatások még erısebbek. Számos tengerparti terület beépítését tette lehetıvé ez a módszer pl. Angliában is, sıt már a tengertıl is hódítottak el ezzel rendkívül nagy területeket. Jó (vagy rossz?) példák erre a Kansai repülıtér és a The Palm tengerben épített mesterséges szigetei, melyek homokfeltöltését ezzel tették terhelhetıvé. E projektek tekinthetık a mérnöki tudás diadalának, de olykor már meg kell(ene) ijednünk a természetátalakítás eme léptékétıl. Említendı e vonatkozásban, hogy e technológia hatékonyságában való hit, párosulva a nagy költségeinek csökkentésére irányuló szándékokkal olykor esetekben elaltatják a geotechnikai tervezık éberségét. Egy hazai autópálya-híd háttöltésének vibrált kıoszlopos talajjavításban anynyira bíztunk, hogy nem kellı óvatossággal ítéltük meg a nagy töltésmagasságból fenyegetı oldalirányú talajdeformációkat. A bekövetkezı mozgások deformálták a patakmedret és kisebb áradást okoztak, valamint az épülı hídszerkezetet, veszélyeztetve annak stabilitását. A módszer elınyeként említhetı elsısorban a döngöléssel, de más módszerekkel szemben is, hogy az egyes kezelési pontokba bevitt energia kisebb, a kıoszlopok mérete viszonylag csekély, s ezek révén és fıleg a technológiába beépített monitoring segítségével a folyamatok jól ellenırizhetık, szabályozhatók, s a regisztráció a kezelést végzıket is felelıs munkára készteti. A szemcsés talajok vibrációs tömörítése általában nem okoz lényegi változásokat az altalaj hidraulikai tulajdonságaiban és így a talajvízben. A kötött talajokban készülı vibrált kıoszlopok azonban, különösen nagy mélységükkel már komoly veszélyt jelenthetnek a különbözı talajvizek összekapcsolásával. Természetesen nagy gondot kell fordítani a nedves eljárásban alkalmazott öblítıvíz tisztaságára, illetve a felszínre feláramló víz kezelésére. A talajvíz elszennyezését okozhatja a vibrátorok hidraulikus motorjainak esetleges károsodása nyomán kifolyó olaj is, mivel a motor, mint láttuk, nagy mélységekbe is kerülhet. Hasonlóképpen vizsgálni kell, hogy a javított területen létesülı üzem esetleges haváriája következtében elfolyó folyadékok nem veszélyeztetik-e a kıoszlopokon leszivárogva a talajvizet. Az viszont kedvezıen értékelhetı, hogy a javítás anyaga általában természetes szemcsés anyag, de ezek esetében is ügyelni kell arra, hogy az ne hozzon magával szennyezést. A zaj és a vibráció problémája hasonlóan jelentkezik, mint a döngölés esetében, s ott a 3. ábrán a vibráció kihatását is bemutattuk. Azon azonban az is érzékelhetı, hogy a vibráció vibrációs hatása kevésbé veszélyes, már 10 m-re a forrástól csak érezhetı, de kárt nem okozó sebességek jelentkeznek. Hasonlóan enyhébb a zajhatás is, igaz sokkal hosszabb ideig tart egy-egy kezelési ponton. Megemlítem, hogy a közelmúltban Gyırben egy építkezésen már épülı vasbeton vázszerkezet keretállásai között volt mélyvibrációs tömörítés mindenféle károsodás nélkül. 2007. augusztus 12
3. Kötıanyagos talajjavítási eljárások és környezeti vonatkozásaik 3.1. Injektálások A hagyományos talajjavító injektálásokat a 2. táblázat szerint szokás osztályozni (MSZ EN 12715:2001). Közülük igazán talajjavító eljárásnak az átitatásos és a tömörítı injektálást tekinthetı, de az utóbbi meglehetısen ritka. (Kötött talajokban alkalmazható, ahol a beinjektált anyag nem képes behatolni a hézagokba, így az injektálási nyomás valamelyest tömöríti a bevitel helyének környezetét.) A repedéskitöltı injektálások célja szintén a javítás, de elsısorban kızetek vagy épített szerkezetek (medencék, gátak) repedéseinek tömítésére vagy beragasztására szolgál. Az ezzel rokon kontaktinjektálás az épített szerkezet és az azt körülvevı talaj között képzıdı hézagok kitöltésére szolgál, pl. tübingfalazatú alagutak körül vagy szigetelés magjavítása céljából. Az üregkitöltı injektálás a legtöbbször építési hibák (pl. hídfısüllyedések, padozat beszakadások) nyomán keletkezı, a repedéseknél nagyobb üregek, vagy tönkrement földalatti terek, beomló pincék, természetes kimosódások kitöltésére szolgál. A repesztı injektálással süllyedéseket lehet kompenzálni: a talajba párnaszerően beinjektált anyaggal megemelhetık a felszín, illetve az építmények. 2. táblázat. a talaj elmozdítása nélkül Injektálás a talaj elmozdításával átitatásos repedéskitöltı/kontakt üregkitöltı repesztı tömörítı A vázoltak miatt a következıkben csak a talajok hézagainak kitöltésére irányuló átitatásos injektálásra koncentrálunk. Ennek célja általában a szilárdság és a merevség, illetve a vízzáróság növelése, s a tapasztalat szerint 2-20 MPa egyirányú nyomószilárdságot, az eredeti összenyomódási modulus 10-20-szorosát és 10-7 m/s szivárgási tényezıt lehet elérni. Az injektáláshoz furatokat készítenek, azokban általában mandzsettás csöveket építenek be cementhabarcs-ágyazással. A csövek 50 cm-eenként perforálva vannak, ezeket kívülrıl gumimandzsetta fedi. Az injektáló pakkerrel egy-egy ilyen helyre állnak rá, 20-60 bar nyomással felnyitják a mandzsettát, felszakítják a megszilárdult habarcsot, s besajtolják az injektáló anyagot. E fı módszer mellett lehet injektálni a fúrás közben a fúrószáron át is, a fúrás után a bennhagyott, végig perforált béléscsövön keresztül, sıt állékony furatban akár anélkül is. Laza talajok esetén bevert lándzsán, annak oldalsó perforációin vagy nyitott végén keresztül is besajtolható az anyag. Az injektálást általában alulról felfelé és több szakaszban végzik, de lehet felülrıl lefelé haladva is dolgozni (pl. ha a fúrószáron át dolgozunk), illetve egy szakaszban is (pl. lándzsán át). A talajokba a hézagok, ill. az azokat megszabó szemcsék méretétıl, eloszlásától függıen különbözı injektáló anyagokat lehet bejuttatni. Ezt mutatja Smoltczyk ed., (2003) nyomán a 7. ábra. A cementhabarcs a görgetegek hézagaiba (és üregekbe, nagyobb repedésekbe) jutatható be. Homokkal vagy más töltıanyaggal (pl. pernyével) sőrítik, ezek megfelelı adagolásával konzisztenciáját, kimosódással szembeni ellenállását vagy mechanikai szilárdságát és alakváltozási tulajdonságait elınyösen lehet változtatni. A szokásos, nagyjából az iszaptartományt átfedı és 15-20 % agyagmérető szemcséket tartalmazó normálcementet a homokos kavicsok még képesek befogadni. Vízzel keverve szuszpenzióként (cementtej) használják. A durva homokok injektálására az ultra finom (ırléső) cementeket fejlesztették ki, melyek szemcseméretére a d 95 < 20 µm adat a jellemzı. E cement alapú injektáló anyagokhoz gyakran adagolnak 1-3 % agyagot, aktivált vagy módosított bentonitokat, hogy csökkentsék a szuszpenzió vízleadását és a nyomás alatti kiszőrıdést, a cement ülepedését, és hogy megváltoztassák a habarcs viszkozitását és kohézióját, vagy hogy megjavítsák a habarcs szivattyúzhatóságát. A bentonit a vízzáróságot 2-3 nagyságrenddel is csökkentheti, viszont a szilárdságot nagyon rontja. 2007. augusztus 13
A vízüveg és az újabb vegyi injektáló anyagok (mőgyanták, polimerek) általában két fı komponensbıl állnak: a kötést adó alapanyagból és az azt szilárdító reagensbıl. A körülmények (talajfajta, talajvíz és mozgása) és az igények (szilárdság, vízzárás, tartósság) sokféle, részben ellentmondó követelményt állítanak fel. Az ezekbıl levezethetı viszkozitás, gélesedési gyorsaság, adhézió, vízzáróság, végszilárdság, tartósság, ellenálló-képesség, biokompatibilitás különféle alapanyagokkal és adalékszerekkel érhetı el. Az ipar sokféle összetételő készítményt, készítménycsaládot kínál, melyeket gyakran szabadalom védi. Használati utasítást adnak hozzájuk és közlik a várható hidraulikai, kötési és mechanikai paramétereket. A kémiai biztonságról szóló 2000. évi XXV. törvény és az ahhoz kapcsolódó rendeletek szerint a gyártóknak kell egy biztonsági adatlapon meg kell adni az anyagi összetételt és egy megadott rendszerben be kell sorolni az anyagok és a készítmények veszélyességét és alkalmazásuk biztonsági szabályait megadni. Ez elvileg elegendı segítséget ad, mert egyébként az átlagos kémiai ismeretekkel bíró mérnökök számára a vegyi összetétel és a bekövetkezı kémiai reakciók értelmezése általában nehézséget okoz. Az alkalmazásban ez a tudáshiány azonban mindenképpen bizonytalansági tényezıt jelent, s megnehezíti a döntéshozatalt. Kétkompenenső (régebbi nevén kétfolyadékos) vagy egykomponenső (egyfolyadékos) eljárásokat alkalmaznak, az elıbbi esetében külön viszik be a két komponenst, s így a gélesedés csak a talajban indul meg, viszont ott gyorsan bekövetkezik. Ma inkább az egykomponenső készítményekkel dolgoznak, melyek a beinjektálás elıtt állítanak össze. görgeteg kavics homok iszap durva közepes apró durva közepes finom durva közepes finom agyag 100 80 tömegszázalék S % 60 40 C-SZ UFC-SZ VÜ-O K-O 20 C-H 0 100,0000 100 63 20 10,0000 10 6,3 2,0 1,0000 1,0 0,63 0,20 0,1000 0,10 0,063 0,020 0,0100 0,010 0,0063 0,0020 0,0010 szemcseátmérı D mm 7. ábra. Az injektáló anyagok szemeloszlástól függı alkalmazhatósága (Smoltczyk ed., 2003). C-H = habarcs, C-SZ = cement-szuszpenzió, UFC-SZ = ultrafinom cement-szuszpenzió, VÜ-O = vízüveg-oldat, K-O = kémiai oldatok A vízüveg-oldat, melyet már nagyon régóta használnak, s ma inkább kiszorulóban van, közepes és finom homokokba is bejuttatható be. Alapanyaga a nátrium-szilikát (Na 2 SiO 3 ) és ehhez valamilyen szerves vagy szervetlen reagens adagolandó, amely megindítja a gélesedését, illetve beállíthatók vele az injektáló anyag olyan jellemzıi, mint pl. a viszkozitás, a kötési idı, a stabilitás, a szilárdság, az idıállóság, a kohézió és a besajtolás utáni áteresztıképesség. A szervetlen reagensek (pl. nátriumbikarbonát, nátriumaluminát, nátrium foszfát, higított bórsav) lágy gélt eredmé- 2007. augusztus 14
nyeznek, melyek vízzárása jó, de kicsi a szilárdságuk. A szerves anyagok (pl. etilacetát, formamid, glioxál és kétbázisos savak észterei) nagyban növelik a szilárdságot. A gélek szilárdulása zsugorodással járna, amit további adalékszerekkel csökkenteni lehet. A kémiai oldatok alapanyagaként a poliuretán, a poliakrilát, valamint az epoxi- és fenolgyanta a leginkább használatos. A poliuretánok izocianátból és alkoholokból készülı poliaddiciós mőanyagok, melyek a reakcióba lépéskor habot ( purhab ) képeznek. Viszkozitásuk közepes, és gyorsan szilárdulnak (0,5 perc 10 óra). Az egykomponenső poliuretánok a víz hatására szilárdulnak. A kétkomponensőek vízzel érintkezve felhabzanak, ami egyfajta öninjektálódást eredményez, amely jobb adhéziós szilárdságot és bizonyos alakváltozási képességet hoz létre. A poliakrilátok metil-akrilátból gyártott polimerizációs mőanyagok. Az utóbbi idıkben lettek nagyon népszerőek. Viszkozitásuk kicsi, úgy jellemzik, ahová a víz eljut, ezek is odaérnek. Jó tapadású lágy gél keletkezik belılük, ezért tömítésre kiválóak, szilárdító hatásuk viszont kisebb. Az epoxigyanta a poliaddiciós mőanyagokon belül a többkomponenső polimerek összefoglaló neve. Nagy viszkozitású, ezért inkább csak kızetek repedéseibe tud behatolni, a kötés után viszont általában nagy a húzó-, a nyomó- és a tapadási (adhéziós) szilárdsága. A fenolgyanták fenolból elıállított poliaddiciós mőanyagok. Az epoxigyantánál jobb a beinjektálhatósága és hasonlóan jó szilárdságot eredményez. Az injektálást környezetvédelmi szempontból mindenképpen veszélyes technológiának kell tekinteni. A legkritikusabb kérdés az, hogy az injektáló anyagok mennyiben szennyezhetik el a talajt és a talajvizet. A cementalapú injektáló anyagokkal nincs speciális baj, azok megkötve betonszerőek lesznek, s jelen tudásunk szerint nem károsak. A vízüveg-alapú anyagok esetében a szerves reagensek jelentenek veszélyt, a szakirodalom szerint ezek a talajbaktériumok elszaporodását is okozhatják, aminek káros következményei is lehetnek. E szerves anyagok használatát az engedélyezık ma már nem nagyon kedvelik, ám alighanem használnak ma is olyan készítményeket, melyek tartalmaznak szerves reagenseket is, mivel azzal sokkal jobb szilárdságot lehet elérni. (Pl. az interneten is ajánlanak ilyen termékeket.) A szilikátos injektálóanyagok esetében még arra is kell gondolni, hogy egyes fajtái nem idıállóak, ezért idıvel káros bomlástermékek keletkezhetnek. Még kényesebb kérdés a vegyi anyagok alkalmazása. A kémiai szakirodalomban olvashatók információk például az akrilátok és a fenolgyanták toxikus hatásairól, az ezekbıl készülı termékek leírásában már az szerepel, hogy a konkrét termék köszönhetıen valamely adalékszernek környezetbarát. Az mindenesetre tény, hogy még az ártatlanabb poliuretánok kiindulási anyagai is veszélyesek, bırre, szembe kerülve, belélegezve komoly egészségkárosítást okozhatnak. A termékismertetık szerint azonban a reakciók lezajlása, a gélesedés, majd a kötés után képzıdı anyagok már veszélytelenek. Kétségtelen, ilyenféle anyagokat fızésre használt edények, eszközök, fürdıkádak, orvosi mőszerek, protézisek, szemüveg, stb. készítésére is használnak, s ezek úgy tőnik veszélytelenek. Ugyanakkor gyakran olvashatók e tekintetben is olyan hírek, miszerint egyes kedvelt mőanyagok esetében felmerült a toxikusság veszélye. A kérdést nehezíti az is, hogy amint már említettük a mőanyagok elképesztıen fejlıdı világában az építımérnökök kémiai tudása általában elégtelen a helyes önálló döntéshez. Bizonyos tapasztalatok nyomán ugyanakkor jó okunk van azt vélelmezni, hogy a vegyipari beszállítók tisztességét, környezetért érzett felelısségét az üzleti érdek olykor háttérbe szoríthatja, vagy egyszerően még ık sem rendelkeznek e tekintetben elegendı tudással. Tegyük hozzá, az injektálásokkal elérhetı látványos sikerek okán a szakterület építési szakértıiben sem elég erıs a veszélyérzet, pl. a témakör legfrissebb szakkönyve (Moseley, Kirsch ed., 2004) alig foglalkozik ezzel. Szerencsére a vonatkozó új európai szabvány, az MSZ EN 12715:2002 megfogalmazza az alkalmazók felelısségét a következı kérdésekkel. 2007. augusztus 15
Amikor az injektálóanyag környezetkárosítását vizsgálják, a következıket indokolt mérlegelni: az elıkészítés, a szállítás vagy az injektálás során keletkezhetnek-e vagy felszabadulhatnak-e a környezetet vagy az injektálást végzı személyeket veszélyeztetı anyagok; a talajvízzel keveredve szétterjedhetnek-e toxikus anyagok; milyen vegyi reakciók léphetnek fel a megszilárdult injektálóanyag és a talajvíz között; keletkezhetnek-e vagy felszabadulhatnak-e olyan reakciótermékek, amelyek befolyásolják a víz minıségét; milyen jellegőek a megszilárdult injektáló anyagból leváló részecskék. Ezek a követelmények szigorúak, a felelısséget egyértelmővé teszik, kérdés: a geotechnikusok képesek-e szakszerően megválaszolni ezeket. Ebben segítséget nyújthat a már említett 2000. évi XXV. törvény. További segítséget ad az MSZ EN 12715:2002 azzal, hogy felhívja a figyelmet az injektálásnál felmerülı sajátos veszélyekre. A munkahelyi környezetkárosítás kockázatát illetıen utal arra, hogy gondatlan szervezés esetén az injektálóanyag por alakban vagy folyadékként a felszínen szétterjedhet, beszivároghat a talajvízbe, ezt esetleg fokozhatja, hogy a talajvíz felemelkedésével a helytelenül tárolt anyagok víz alá kerülnek. Egyes anyagokból veszélyes gázok is felszabadulhatnak, ezért zárt terek szellıztetésérıl gondoskodni kell, de vizsgálni kell a szabadba kerülı gázok mennyiségét és lehetséges hatásait is. Bizonyos anyagok tőzveszélyesek, tárolásuk, kezelésük során ennek megfelelıen kell eljárni. Figyelembe kell venni azt is, hogy az elıkészítés és a besajtolás során elıálló hımérsékletkülönbségek az injektálóanyag nem várt viselkedését okozhatják. A munka során feleslegessé váló vagy a rendszerbıl óhatatlanul kikerülı anyagokat veszélyes hulladékként kell kezelni, ezért pl. felfogó tálcákat kell az injektáló szivattyúk alá tenni, a használt vizet is külön kell győjteni és elıre gondoskodni kell az ilyen anyagok ideiglenes tárolásáról és végleges elhelyezésérıl. Nagy veszélyt jelenthet az is, hogy a talajban sem következnek be (teljesen) azok a reakciók, melyek a veszélyes kiindulási anyagokat átalakítják. Ennek oka lehet, hogy az injektáló keverékek a talajvízben felhígulnak, ami a kötési idı meghosszabbodásához vagy akár a kémiai reakció leállásához vezethet, de okozhat ilyent pl. a befogadó közeg valamilyen tulajdonsága is. A vázolt alapvetı veszélyek mellett az 1.3. pont szerinti sorvezetı alapján még néhány továbbira is rá kell mutatni, még ha azok talán kevésbé súlyosak is. Az injektálás a városi mélyépítés hatékony eszköze, ezzel nagyban hozzásegíti az építıipart (és a telekspekulációt) a nagyvárosok mértéktelen beépítéséhez, beleértve a zöldterületek elfoglalását, a mélységi térnyerést és az építmények magasságának növekedését is. Míg korábban csak kedvezı (sziklás) altalajú városokban tudtak felhıkarcolókat építeni, ma az injektálás révén eredendıen gyenge talajú területeken is van erre mód. Ennek példája Berlin léptékváltó újjáépítése. Injektálással nagy talajösszleteket lehet az eredeti és a környezetben megmaradó talajoknál sokkal szilárdabbá és vízzáróbbá tenni. Ez a nagykiterjedéső változás lényegében visszafordíthatatlan, s egy város késıbbi fejlıdésében akadályt jelenthet, gondoljunk pl. egy új metróvonalra. Az ilyen nagytérfogatú talajbetonok nagyban befolyásolhatják a felszín alatti vízmozgásokat is, gátat képezve azoknak, ami egyes helyeken a talajvízszint emelkedésével másutt annak csökkenésével járhat, amit az növények, de a kár az élıvizek számára is veszélyes lehet, s megakadályozhatja a talajvíz öntisztulását. Említsük még meg, hogy a nagynyomású injektálás talajmozgásokat is okozhat, melyek elsısorban a környezı épületek károsodásával járhatnak, de volt már példa arra is, hogy a gyenge talajzónákban elszökı anyag megjelent a lakóterekben, közmővekben, stb. Mindezen veszélyek miatt injektálást csak nagyon gondos elıkészítéssel, specialisták bevonásával és éber megfigyeléssel szabad végezni. A félelmek mellett e komplikációk, valamint a jethabarcsosítás elterjedése okozzák, hogy az átitatásos injektálás és különösen annak vegyi anyagos változata az utóbbi idıkben visszaszorult, amit talán nem is kell bánnunk. 2007. augusztus 16
3.2. A jethabarcsosítás és mélykeverés A jethabarcsosítás (jet grouting) talán az elmúlt 25 év egyik legfontosabb geotechnikai innovációja volt szinte mindenütt a világon, s egy jó évtizede óta már hazánkban is mindennapossá vált. Lényege az, hogy egy speciális fúrószárat lejuttatunk a javítandó mélységig, majd onnan lassan forgatva úgy húzzuk fel, hogy az alsó részén levı szelepeken át nagy nyomással kilıtt víz- és cemenszuszpenzió-sugárral átgyúrjuk a talajt egy talajbeton oszlopot képezve. Ilyenekbıl lehet oszloperdıt, összezáródó tömböket, mélybeli lemezeket és falakat kialakítani. A mélykeverés (deep mixing vagy mixed in place) Japánból és Svédországból 10 évvel korábban indult, de kissé lassabban terjed, idehaza alig egy hónapja mutatták be. E módszerrel is talajbeton állítható elı, csak a kötıanyagot nem hidraulikusan, hanem mechanikus energiával viszik be és keverik el a talajjal. Eszköze olyan fúróberendezés, mely 1-6 szárból állhat, s amely(ek)nek a végén egy vagy a szár(ak) mentén több speciális lapát van. Miután leérünk a kívánt mélységig a száron át cementet vagy cement/mész keveréket engedünk le és keverünk át a talajjal, majd szakaszosan felhúzva a szárat ezt ismételgetjük. Az elıállítható elemek hasonlóak a jet-elemekhez, de az alapegység alaprajza mivel általában több szárral is dolgozhatnak különbözı lehet. A két módszer, az alkalmazott anyagokat és az eredményt tekintve, hasonló, ha a gépi berendezés és a technológia más is. Közös az is, hogy mindkettı lényegében bármely talajban használható, s környezeti vonatkozásaik is azonosak. Mindezek miatt célszerő most együtt tárgyalni ıket. Ezt az is indokolja, hogy már több olyan módszer is megjelent, mely ötvözi a kettıt. A 8. ábra ezt mutatja be, egyben érzékeltetve mindkét alapeljárás lényegét is. fúrás a lapát nyitása keverés és jetelés keverés és jetelés keverés és jetelés emelés közben le-föl-mozgatás közben lapátforgatás közben 8. ábra. A mélykeverés és a jethabarcsosítás kombinációja Moseley, Kirsch ed. 2004 nyomán (mixing blade=keverılapát) 2007. augusztus 17
A jethabarcsosításnak mára négyféle módszerét fejlesztették ki (MSZ EN 12716:2001): az egyfázisú rendszerben egyetlen szelepen 300-600 bar nyomással cementszuszpenziót juttatnak a talajba, a kétfázisú levegıs rendszerben egyetlen szelepen 300-600 bar nyomással cementszuszpenziót juttatnak a talajba úgy, hogy azt 5-6 bar nyomással kilövellt levegı veszi kerül, a kétfázisú vizes rendszerben a felsı szelepen 300-600 bar nyomással vizet, az alsó szelepen 15-40 bar nyomással cementszuszpenziót juttatnak a talajba, a háromfázisú rendszerben a felsı szelepen 300-600 bar nyomással vizet jutatnak a talajba úgy, hogy azt 5-6 bar nyomással kilövellt levegı veszi kerül, az alsó szelepen 15-40 bar nyomással pedig a cementszuszpenziót nyomják ki. Az eljárás sajátossága az óriási nyomás, de a habarcshozamok is nagyok (50-450 l/perc). A kialakuló oszlop átmérıje az eljárástól és a talajfajtától is függ, a háromfázisú rendszerrel kavicsban 2,5 m is elérhet, míg az egyfázisú eljárás agyagban kb. 80 cm-re képes. A tervezési gyakorlatban az elérhetı egyirányú nyomószilárdság elızetesen kalkulált értéke szemcsés talaj esetén 3 MPa, kötött talaj esetén 1 MPa, az elérhetı áteresztıképesség 10-9 10-10 m/s szokott lenni. A jethabarcsosítás mélysége 50 m is lehet. A módszer alkalmazását elsı lépésben tapasztalati adatok alapján tervezik. A jetelési munka jól kézben tartható, mert a berendezések képesek a mélység szerint regisztrálni a legfontosabb jethabarcsosítási paramétereket: a folyadék(ok) nyomását, áramlási sebességét, a fúrószár forgási, visszahúzási és lehajtási sebességét, s vizsgálják még a belövellt anyag összetételét is. A mélykeverésre többféle eljárást, berendezést fejlesztettek ki (MSZ EN 14679:2005 és Moseley, Kirsch ed., 2004): a száraz eljárás keretében puha agyagokhoz (égetett) meszet, vagy száraz mész/cement keveréket, laza homokokhoz cementport kevernek általában egyetlen forgó rúd, illetve annak végén elhelyezkedı egyetlen lapát segítségével, a nedves eljárásban általában 0,6-2,5 v/c-tényezıjő cementszuszpenziót kevernek a talajba egy- vagy több rudazatú géppel, melyeknek vagy a végén van egyetlen lapát, vagy a szárakon több lapát sorakozik, ami akár folytonos spirál is lehet. A lapátok alakja és mérete nagyon sokféle lehet, s a gépek teljesítményében is nagy különbségek vannak, ennek megfelelıen az egy menetben megszilárdított talajelem méretében és alakjában is. 0,6-2,0 m átmérı a szokásos és akár 70 m kezelési mélység is elérhetı. A mész és a cement mellett használnak kohósalakot és gipszet is. A jellemzı cementfelhasználás 20 % a kezelendı térfogatra vonatkozóan. A módszer alkalmazását az elsı lépésben laboratóriumi keverési próbák alapján tervezik. Japánban hajóra szerelt berendezésekkel a sekély tengerfenéken vagy parton a laza homokot stabilizálják. Vannak továbbá ún. tömegstabilizáló vagy sekély mélységő stabilizálásra szolgáló eszközök is, melyekkel nagyon puha talajokat (pl. tızeget) javítanak meg. E berendezések szerszáma egy nagyátmérıjő függıleges forgástengelyő robusztus spirál vagy nagymérető kotrókanálba épített, vízszintes forgástengelyő kisebb lapátok sorozata, de használnak erre vízszintes rést készítı gépet is. Mind a jethabarcsosítási, mind a mélykeverési munkákat helyszíni próbákkal véglegesítik. Ennek nyomán rögzítik a technológiát, a kötıanyag adagolását, a kezelési pontok kiosztását, stb. A két eljárás környezeti szempontból viszonylag kedvezınek ítélhetı. A talajba bevitt anyagok nem toxikusak, a cement, a gipsz és a mész nem okozhat bajt, de a vízminıséget ha nem ivóvízzel dolgoznak ellenırizni kell. Mindkét módszer viszonylag nagy energi- és anyagigényő 2007. augusztus 18
Az ilyen projektek mérete, a javított talaj nagy volumene, a robusztus gépek, a szükséges kiszolgáló telep, a jetelés során alkalmazott nagy nyomások, a nagy cement- és vízfelhasználás azonban mind-mind olyan tényezık, amelyek megterhelik a környezetet, veszélyes üzemmé teszik e munkákat. A cementpor légszennyezést okozhat, a fúrási munkák zajterheléssel járnak, a felszínre kikerülı zagy szennyezheti a terepet, a növényeket, esetleg az élıvizeket, a csatornákat, illetve a talajhabarcsok bejuthatnak a szomszédos épületekbe. Mindezek gondos elıkészítéssel és figyelmes munkával, a helyszín folyamatos rendben tartásával, a zagy körültekintı kezelésével elkerülhetık, illetve a kockázat elfogadható mértékre csökkenthetı. Mindkét munkának van egy speciális veszélye: az átkevert talaj a kötésig valójában folyadék, oldalirányban nem ad megnyugtató megtámasztást a szomszédos talajzónáknak, ezért talaj- és épületmozgások lehetségesek, különösen nagy kezelési mélység esetén. Ezt a kezelések ésszerő méretével, távolságával és ütemezésével kell elhárítani. A kezelt talajzóna általában jellemzı nagy kiterjedése természetesen ez esetben is felveti a nagymértékő változások általános problematikáját. E kezelések teljesen megváltoztatják a talajt, végeredményben betonszerő anyagot eredményeznek. Mindig mérlegelni kell e változások hoszszú távú kihatásait, különösen a talajvíz természetes mozgásainak esetleg elfogadhatatlan mérvő változásait. Mindenképpen törekedni kell arra, hogy valóban csak a szükséges mértékben javítsuk meg a talajt mind kiterjedését, mind a minıségét illetıen. Az az általános veszély, hogy a mőszaki fejlıdés lehetıséget kínál a beépítés nem kívánatos bıvülésére, a jethabarcsosítás eseében markánsan tetten érhetı. A budapesti belvárosi építkezések száma, ezen belül a foghíjak beépítése fokozódott, mióta e módszer jó lehetıséget nyújt a felszíni parkolóhelyek hiánya miatt megkövetelt mélygarázsok építéséhez és a régi épületek szinte kockázatmentes aláfogására. Említsük meg, hogy a két módszer ugyanakkor a környezeti károk elhárításának vagy mérséklésének is egyik vezetı technológiája. A talajban levı szennyezıdések teljes mértékő körbezárására, megkötésére is lehetıséget nyújtanak. A szennyezıdések lokalizálásra gyakran készül vékony jetpanel (függönyfal) és az alsó zárást biztosító jetlemez. Az oldalhatárolásra szélesebb falat is építenek, s ezeket néha a passzív elhatárolás helyett speciális anyagokból aktív gátként építik ki, mely az áramló vízbıl kiszőri a szennyezıdést. 4. Betétes talajerısítés 4.1. A georácsos erısítések A georácsos talajerısítés mértékadó vélemények szerint 10 éven belül olyan természetes konstrukció lesz, mint a vasbeton. A georácsok funkciója a talajban a húzóerık felvétele, ugyanúgy mint a vasé a betonban, s a merevségük is kb. úgy illik a talajokéhoz, mint a vasé a betonéhoz. Az erısítı betét általában valamilyen georács, de alkalmazható szıtt geotextília, geoszalag és geocella is (9. ábra). Az erısítendı talaj általában célszerően szemcsés legyen, de lehet átmeneti és kötött is, bár azok és az erısítı elemek közötti kölcsönhatás korlátozott. 9. ábra. Georács, szıtt geotextília, geoszalag és geocella 2007. augusztus 19