Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola 

Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék

Témavezető: Dr. Nagy László

Diszperzív talajok tulajdonságainak vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Az árvízvédelmi gátak állékonysága Magyarországon kiemelt fontosságú feladat, amit az ország területén húzódó közel 4200 km hosszú töltésszakasz indokol. A gátak kivitelezésekor egy ökölszabályként alkalmazott elv, hogy a töltésbe kötött talaj beépítésével megelőzhetők a szivárgásból adódó problémák, így az állékonyság biztosítható. A kötött talajok szerkezete sok esetben egy diszperz rendszerhez hasonlatos, mely esetén a szemcsék nagysága és mennyisége, valamint eloszlása, és az egyes szemcsék közti erők és hatások szabják meg a rendszer tulajdonságait és változásait.

A PhD kutatásom során a diszperzív talajok tulajdonságainak lehető legpontosabb megismerése érdekében végeztem vizsgálatokat számos magyarországi helyszínről származó talajmintán.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaim jelentős részét a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék Talajmechanikai Laboratóriumában, az Építőmérnöki Kar Anyagvizsgáló Laboratóriumában, valamint a Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és Agrokémiai Intézetében folytatom. Témavezetőm a doktori kutatásom során Dr. Nagy László, aki számos hazai és nemzetközi árvízvédekezéssel kapcsolatos publikáció szerzője.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A vízépítési földművek károsodásai változatos megjelenésűek, és számos tényezőhöz kapcsolhatók. A különböző tönkremeneteli mechanizmusok és a kapcsolódó talajmechanikai okok jól párosíthatók, a buzgárosodás, suvadások, száradási repedések mind-mind jól elkülöníthető jelenségek, a hozzájuk köthető geotechnikai problémák azonosítása fontos a megfelelő beavatkozások érdekében. Ez alól kivételnek tűnik a diszperzív talajok jelenlétéből fakadó tönkremenetel, ugyanis a károsodás módja, a járatos erózió (1. ábra) felfedezhető a helyszínen, az azonban nehezen „megfogható”, hogy jellemzően mely talajtípus esetében alakulhat ki a járatos erózió.

1.    ábra. Eróziós csatornák diszperzív töltésben [H7] alapján

A diszperzív talajokkal kapcsolatos vizsgálatok elsőként az Egyesült Államokban jelentek meg, az addig szokásosan állékony töltések károsodásai során. Ekkor fedezték fel a kötött talajok azon tulajdonságát (melyet előtte csak a szemcsés talajokhoz kapcsoltak), hogy vízzel való kölcsönhatásban erodálódnak. Az 1970-es években vált kiszélesedett ez a kutatási vonal, amikor már a probléma okait is vizsgálták [H4], nem csak a károsodások kezelését végezték. Jelenleg a kutatások fő tárgya a talajkezelés eszközének megválasztása.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Vizsgálataim célja az, hogy a diszperzív talajok viselkedését, a járatos erózióra hajlamos talajok tulajdonságait a lehetőségeim szerint feltárjam. Tárgyalást érdemel a töltésbe már beépített diszperzív talajok kimutatása, és a talajok tulajdonságaira vonatkozó kezelési lehetőségek feltárása, a károsodások megelőzése érdekében.

Kutatásaim során a diszperzív talajok eróziós hajlamát okozó tulajdonság megismerésére fektetek hangsúlyt. A „kedvezőtlen“ talajszerkezet (2. ábra) okát fázisanalitikai módszerekkel (röntgendiffrakció és derivatográfia) vizsgálom, hogy a diszperzív tulajdonság a talajok összetételében miként azonosítható [S4].

2.      ábra. Szemcsék közti kapcsolatok rendszere [H2] alapján

A diszperzív anyagú töltések károsodásának egyik kiindulópontja a töltésben valamilyen másodlagos hézag, szivárgási csatorna kialakulása. Ez a legtöbb esetben a töltésen a hőmérsékleti ingadozásból kialakuló repedés, melyen keresztül a víz a töltésbe tud jutni, majd ott erodálni a talajrétegeket, ez által károsítva a szerkezetet.

A jelenség megismerésére a talajok térfogatváltozási tulajdonságait vizsgálom többek közt Galli-féle mértékadó hézagtényező vizsgálatokkal [S2], valamint olyan mérési módszereket alkalmazok, mint a kettős hidrometrálás, mely egy rutinszerű talajmechanikai vizsgálat módosított változata, így alkalmazása a gyakorlatba is átültethető lehet.

Fontos kutatási vonal, hogy a már igazoltan diszperzív talajok milyen beavatkozások után építhetők be töltésbe [S5]. Ennek érdekében a talajok kezelésével kapcsolatos vizsgálatok végrehajtása is kutatásom fontos része.

Módszerek

A szabványi háttér

A diszperzív talajok vizsgálatai a geotechnikában viszonylag ritkán alkalmazott eljárásokat takarnak. A doktori kutatásom során behatóan vizsgáltam a hatályos szabvány, az MSZ-EN 1997-2-2008 (Eurocode 7) által javasolt, diszperzív talajok vizsgálataira használatos módszereket.

Referenciavizsgálat

Kiemelendő ezek közül mind megbízhatóságában, mind alkalmazhatóságában a tűszúrásvizsgálat (3. ábra), mely hidraulikai elven vizsgálja a kérdéskört, azaz, hogy milyen hidraulikai feltétel szükséges ahhoz, hogy a kötött talaj erodáljon, és a szemcsék elszakadjanak egymástól. Ennek során a vizsgált talajmintán különböző hidraulikus gradiens értékek mellett (különböző nyomásmagasságok mellett) vizsgálják azt, hogy a mintán mesterségesen létrehozott járat (tűszúrás) milyen mértékben bővül, az adott vízmozgás milyen mértékben károsítja a talajszerkezetet.

3.    ábra. Tűszúrásvizsgálat berendezése

 

Fázisanalitikai vizsgálatok

A röntgendiffrakciós (XRD, X-Ray Diffraction) és derivatográfiai (DTA, Differential Thermal Analysis) mérések során megállapítható a talajok ásványi összetétele, valamint az összetételében domináns ásványi alkotók aránya [H1]. A minták röntgendiffraktogramja az ásványi összetevőket mutatja be, míg a derivatográfiai vizsgálat a megállapított összetevők arányát (4. ábra), mely eredmények a talajok diszperzitási fokával együtt értékelhetők, a “kedvezőtlen” talajszerkezet oka jobban megismerhető.

4.     ábra. Diszperzív talajminták röntgendiffraktogramja (balra) és derivatográfiai vizsgálati eredményei (jobbra)

Geotechnikai vizsgálatok

A kettős ülepítést vagy hidrometrálást (SCS diszperziós vizsgálatot) az amerikai Soil Conservation Service fejlesztette ki. A vizsgálat két hidrometrálás elvégzéséből áll. Az egyik a „hagyományos” hidrometrálás, amikor is a talajszuszpenzióhoz diszpergálószert adnak annak érdekében, hogy a talajszemcsék ne tapadjanak össze, és a mérés a Stokes törvény alapján megadja az egyes talajfrakciók arányát a mintán belül. Ezzel párhuzamosan egy másik ülepítést is végre kell hajtani, ezt azonban diszpergálószer hozzáadása nélkül, hogy a szemcsék, amennyiben képesek rá, összetapadhassanak; és az ilyen módon kialakuló szemeloszlást is meg kell határozni. A két mérés alapján összehasonlítják a 0,005 mm-es átmérőhöz tartozó súlyszázalékokat, amiből megállapítható a diszperzitás mértéke.

Eddigi eredmények

A diszperzív talajok tulajdonságainak megismerése során több kutatási irányt is kijelöltem, kezdve a diszperzív talajok tulajdonságainak kimutatásától, a bizonyítottan diszperzív talajok kezelési lehetőségein át, a talajmechanikával rokon tudományág, a talajtan szikes fogalomköréhez való kapcsolatának feltárásáig.

Vizsgálati módszertan

A diszperzív talajok kimutatására a szabványi előírás mellett számos egyéb vizsgálati módszer áll rendelkezésre, így kutatásaim során egységes keretbe foglaltam a diszperzív talajok azonosítására szolgáló vizsgálati módszereket, hogy az „egyszerűbb” módszerek mintegy szűrő-feltételként legyenek használhatók (5. ábra).  A módszertan segítségével a töltések vizsgálatakor jellemző nagy mintaszám racionalizálható, ez által a minták értékelése is hatékonyabban végezhető.

5.     ábra. Vizsgálati program diszperzív talajok kimutatására

 

 

Talajkezelés

Miután kísérletileg kimutatásra került a diszperzív talajok jelenléte:

1. töltésanyag kiválasztásakor eldönthető, hogy a talaj felhasználható-e, illetve kedvezőtlen viselkedés esetén tervezhető a kezelése;

2. meglévő töltés anyagának vizsgálata esetén intézkedés tehető a diszperzív viselkedésből adódó eróziós probléma kezelésére, megelőzésére.

Nagyszámú minta esetén hasznos lehet a leírt vizsgálati program alkalmazása, mely az „egyszerűbb” elővizsgálatok segítségével szűkíti azon talajminták számát, melyek diszperzív viselkedés szempontjából vizsgálandók.

Már meglévő töltésben kimutatott diszperzív talaj jelenléte esetén a legfontosabb, hogy a vízoldal és a mentett oldal között kialakuló szivárgás, illetve a geometria és lefolyási viszonyokból adódóan a csapadék se érinthesse a diszperzív réteget/rétegeket, hiszen ez előidézheti a töltésanyag kimosódását. Ennek megfelelően olyan beavatkozások szükségesek, melyek vagy eltávolítják a kritikus rétegeket, vagy a talaj diszperzív tulajdonságát változtatják meg [H3], illetve olyan szerkezetek, anyagok beépítése szükséges, melyek elvezetik, vagy távol tartják a szivárgó vizet, hogy az ne kerüljön kapcsolatba a diszperzív viselkedésre hajlamos talajrétegekkel.

A talajok szilárdsági tulajdonságainak javítására irányuló meszes talajkezelés nem ismeretlen eljárás Magyarországon [H6], a diszperzív talajok javítására vonatkozóan azonban nem állnak rendelkezésre hazai tapasztalati eredmények. Több magyarországi, tűszúrásvizsgálat sorozattal igazoltan diszperzív (D1, D2 kategóriájú) talajminta csoport meszes kezelését végeztem el azt vizsgálva, hogy a különböző kötött talajok diszperzitásának mértéke befolyásolható-e meszes talajkezelés által (6. ábra) [S1], [S3].

 

6.     ábra. Meszes talajkezelés hatása a talajok plaszticitási indexére

 

 

Várható impakt, további kutatás

PhD kutatásom során, a diszperzív talajokkal való problémakör megismerése közben több olyan vizsgálati irány is felmerült, mellyel a továbbiakban hasznos lenne foglalkozni. Ezen témák közül kiemelendő a kettős hidrometrálás vizsgálata, a fázisanalitikai vizsgálati módszerek használhatóságának pontosítása a diszperzív tulajdonságú talajok esetén, valamint geofizikai vizsgálati módszerek alkalmazása a kedvezőtlen tulajdonságú talajok helyszíni kimutatása érdekében.

 

Célom, hogy a különböző vizsgálati módok, különböző tudományterületeken elért kutatási eredmények egységes rendszerbe foglalása során olyan megállapításokat tegyek, melyek a gyakorlatban használható elvekként szolgálhatnak, illetve a diszperzív talajokkal kapcsolatos további kutatások alapjául szolgálhatnak.

Saját publikációk, hivatkozások

Kapcsolódó saját publikációk listája

[S1] Nagy G. (2017): Effect of soil treatment and mixing on the dispersive behavior of soils, In: Proceedings of the 6th International Young Geotechnical Enineers’ Conference (iYGEC6), Szöul, Korea (elfogadva)

[S2] Nagy G., Nagy L. (2015b): A Galli-féle mértékadó hézagtényező használata kötött talajok jellemzésére. In: Török Á., Görög P., Vásárhelyi B. (szerk.): Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015, 355-362. oldal

[S3] Nagy G., Nagy L. (2015c): Identification and Treatment of Erodible Clays in Dikes. In: Schweckendiek, T., van Tol, A. F., Pereboom, D., van Staveren M. Th., Cools, P. M. C. B. F. (eds.): Geotechnical Safety and Risk V. ISBN: 978-1-61499-1. Rotterdam, Hollandia. 530-534. oldal

[S4] Nagy G., Nagy L., Kopecskó K. (2016): Examination of the physico-chemical composition of dispersive soils, Periodica Polytechnica-Civil Engineering, Vol. 60.(2),  269-279. oldal

[S5] Nagy G., Nagy L. (2016): Meszes kezelés hatása diszperzív talajok vizsgálata. XXXIV. Hidrológiai Vándorgyűlés, 2016.06.06-08, Debrecen.

 

Hivatkozások listája.

 

[H1] Kopecskó K. (2002): Derivatográfia és Rtg-diffrakció mérnöki feladatok megoldásában. In: Proceedings of the 10th International Conference on Civil Engineering and Architecture, 134-141. Oldal, ISBN 973 85809 00.

 

[H2] Mitchell, J. K. (1974): Fundamentals of Soil Behavior. Wiley Publications, New York, NY. 592 old. ISBN 978 0 471 46302 3.

 

[H3] Savas, H. (2015): Consolidation and swell characteristics of dispersive soils stabilized with lime and natural zeolite. In: Science and Engineering of Composite Materials. Vol. 23.(6), pp. 589–598, ISSN (Online) 2191-0359, ISSN (Print) 0792-1233.

 

[H4] Sherard, J. L., Decker, R. S., Ryker, N. L. (1972): Piping in earth dams of dispersive clays. In: Proceedings of the ASCE Specialty Conference on the Performance of Earth Structures, 589-626. oldal

 

[H5] Sherard J. L., Dunnigan L. P., Decker R. S. (1976): Pinhole Test for Identifying Dispersive Soils. In: Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 102, No. GT 1, 69-85. oldal

 

[H6] Szendefy J. (2013): Impact of the soil stabilization with lime. In: Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: Challanges and Innovations in Geotechnics. Párizs, Franciaország. 2601-2604. oldal ISBN: 978 2 85978 478 2.

 

[H7] Szepessy J. (1983): Szemcsés és kötött talajok járatos eróziója, illetve megfolyósodása árvízvédelmi gátakban. A veszély mértéke, csökkentése, Hidrológiai Közlöny, 1983. I. szám. 11-20. oldal