Talajjavítás I.
Geotechnikai szerkezetek tervezésének filozófiája
2
Régi gondolkodásmód
Új megközelítés
A geotechnikai szerkezet
Alkalmas technológiával
megválasztásakor, méretezésekor
megjavítjuk
alkalmazkodunk
a talajviszonyokat,
a talajviszonyokhoz,
s a javított talajkörnyezetre
legyenek azok bármennyire is
tervezzük meg
kedvezőtlenek.
a geotechnikai szerkezeteket.
Optimalizálási szempontok műszaki alkalmasság gazdaságosság kivitelezhetőség
környezetkímélés
Speciális mélyépítési munkák szabványai ─ MSZ EN 12715:2001 Injektálás. ─ MSZ EN 12716:2001 Jethabarcsosítás. ─ EN 14490:2007 Talajszegezés. ─ MSZ EN 14475:2007 Töltéserősítés. ─ MSZ EN 14679:2005 Mélykeverés. ─ MSZ EN 14731:2005 Mélyvibrálás. ─ EN 15237:2007 Függőleges drénezés.
3
A talajjavítás célja
4
A talajjavítás célja alapvetően 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 tényező és a szivárgás peremfeltételeinek módosítása a vízmozgások gyorsítása, szabályozása és megakadályozása céljából. A talajfajtát, a talajtulajdonságokat tekintve elsősorban a következők 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 köréből a tőzegek, a puha szerves agyagok, természetes vagy mesterséges iszapos üledékek, kis áteresztőképességő kövér agyagok mechanikai tulajdonságainak javítása és vízvezető képességének növelése.
A talajjavítás mérlegelése
5
Talajjavítási eljárások
6
Talajjavítási eljárások
7
A talajjavítási eljárások rendszerezése hatásmechanizmus
mechanikai hatás
kötőanyagbevitel
betétes erősítés
szivárgásszabályozás
talajfajta
módszer szemcsés talaj
kötött talaj
statikus előterhelés
előterhelő töltés
többlettöltés
döngölés
dinamikus konszolidáció
dinamikus talajcsere
mélyvibráció
mélyvibrációs tömörítés
vibrált kőoszlop
robbantás
robbantásos tömörítés
injektálás
átitatásos injektálás
tömörítő injektálás
jethabarcsosítás
cementált talajoszlop
cementált talajoszlop
mélykeverés
cementált talajtömb
meszes kötésű talajtömb
geoműanyagos erősítés
töltéserősítés
töltésalapozás
acélelemes erősítés
erősített talajtámfal
szegezett fal
drénezés
vízszintes furatok
szalagdrénezés
talajvízszint-süllyesztés
szűrőkutak, szivárgók
vákuumkutak, szivárgók
vízkizárás
fagyasztás, légnyomás
Megjegyzés: a dőlt betűs módszerek alkalmazása ritka, a továbbiakban nem is tárgyaljuk.
Talajjavítási eljárások A javítás célja Talajmozgások mérséklése Folyósodással szembeni állékonyság növelése
Süllyedések miatt károsodott szerkezetek megerősítése Töréssel, deformálódással szembeni ellenállás növelése A konszolidációs süllyedés mérséklése A konszolidációs süllyedés gyorsítása
Roskadékony talajok stabilizálása
A javítás módszere Vibrotömörítések Kő/kavics cölöpök Dinamikus mélytömörítés Robbantásos tömörítés Kavicsdrének Mélykeverés Hézagkitöltő injektálás Talajhabarcsosítás Tömörítő injektálás Tömörítő homok/kavicscölöpök Tömörítő injektálás Hézagkitöltő injektálás Talajhabarcsosítás Mikrocölöpök Előterhelés Talajhabarcsosítások Tömörítő injektálás Kő/kavics cölöpök Mélykeverés Elektroozmózis Függőleges drének előterheléssel vagy e nélkül Tömörítő homok/kavicscölöpök A víz távoltartása Elárasztás/robbantás Dinamikus mélytömörítés Vibrotömörítés Injektálás
8
Lejtős felszínű területek (területrészek) állékonyságának javítása Vezetékekből való szivárgás és a vezetékeknél jelentkező buzgárosodás csökkentése Erózióvédelem Szétesésre hajlamos agyagok stablizálása
Duzzadó talajok stabilizálása
Támasztó töltések Kavicsszivárgók Szivárgópaplanok Hézagkitöltő injektálás Tömörítő injektálás Talajhabarcsosítás Mélykeverés Talajszegezés Tömörítő homok/kavicscölöpök Töltéserősítés betétekkel Hézagkitöltő injektálás Tömörítő injektálás Talajhabarcsolásos injektálás Hengerelt betonfedés Talajstabilizáció Mérnökbiológiai védelem Mész vagy cement hozzákeverése beépítésük közben Védőszűrők Mészterítés gátak vízoldali felületére beszivárogtatás céljából A tömörítési mód szabályozása Meszes talajstailizálás Cementes talajstabilizálás Talajcsere A víz távoltartása
Talajjavítási módszerek
9
Talajjavítási módszerek széles, nyílt, beépítetlen területre Módszer
Talaj
Dinamikus mélytömörítés Deep Dynamic Compaction
Hatásmélység (m) 10
Jellemző elrendezés és távolságok
Elérhető eredmény
Telített homokok, iszapos homokok. Részben telített és roskadékony talajok. Vibrotömörítés, vibrorúd Homokok, iszapos homokok, 30 Vibrocompaction, Vibrorod kavicsos homokok, S0,063<20% talajok. Kő/kavicscölöpök Puha agyag, iszapos vagy 30 (vibrációs talajcsere) agyagos homokok, iszapok, Stone Columns (Vibroreplacement) agyagos iszapok. Tömörítő homok/kavicscölöpök A legtöbb talajfajtában 20 Sand and Gravel Compaciton Piles alkalmazható Kavics drének Gravel Drains Robbantásos tömörítés Explosive Compaction Támtöltés (térszín alatt és fölött) Buttress Fills (below and above ground) Mélykeverés Deep Soil Mixing Előregyártott függőleges drének Prefabricated Vertical Drains (Wick Drains) Elárasztás Prewetting
Talajcsere Replacement Adalékanyagos talajstabilizálás Admixture Stabilization
Hengerelt betontakarás Roller Compacted Concrete
Korlátok, hátrányok
Eddigi tapasztalatok
2-6 m távolságban, négyzetháló sarokpontjain. Dr=80% (N1)60=25 qc1=10-15 Mpa 1,5-3 méteres négyzet- vagy háromszöghálózat Dr>80% sarokpontjain. (N1)60=25 qc1=10-15 Mpa 1,5-3m a négyzet- vagy háromszög alakú (N1)60=20 és qc1=10-12 Mpa hálózatot alkotó cölöpök tengelyei között. iszapos homokban. Agyag erősítése, drénezése Négyzet- vagy háromszöghálózat, 1-3 m-es (N1)60=25-30-ig tengelytávolságokkal. qc1=10-15 Mpa a talajfajtától függően Homokok, iszapos homokok. 20 (?) A távolságokat úgy kell megválasztani, hogy a Csökkenti a pórusvíznyomás növekménye minimális pórusvíznyomás-többletet. legyen. Telített homokok, Korlátlan Négyzet- vagy háromszöghálózatban. Beépített Dr=75% iszapos homokok. területen 3-8, mindentől távol 8-15 m-re. A töl- (N1)60=20-25 tetek közti függ. Távolság nagyságuktól függ. qc1=10-12 Mpa Minden talaj esetében. N/A N/A Helyfüggő. Növeli a stabilitást. Csökkenti a folyósodási és szétcsúszási veszélyt. A legtöbb talaj esetében. 30 Az alkalmazás körülményeitől függő Az átkevert elemek méreelrendezésben. tétől, szilárdságától és elrendezésétől függ. Összenyomható talajok; A végső konszolidációs 70; 20 m alatti Négyzet- vagy háromszög-hálózat, Agyagos homokok, iszapok, beépítéshez 1-6 m oldalhosszakkal. nyomástól függ. agyagok. daru kell Roskadékony talajok, Szinte korlátlan, N/A Magában az önsúlyfeszültsépl. löszök, törmelékek. de kis gek, kiegészítve az új terhek mélységnél miatti süllyedést csökkenti. drága. Minden talaj esetében. Néhány méter N/A Nagyon tömör töltés, kötött, cementált anyag.
Kis költség, egyszerűség.
Korlátozott hatékony mélység. Elegendő szabad magasság kell. Rázkódást okoz.
Széleskörűek.
Bizonyítottan hatékony. Az eredmény a mélységtől függetlenül egyenletes. Bizonyítottan hatékony. Drénezés, erősítés. A mélységtől függetlenül egyenletes az eredmény. Bizonyítottan hatékony. Drénezés, erősítés. A mélységtől függetlenül egyenletes az eredmény Nem drága. Nem szükséges az egész terület kezelése.
Különleges berendezés kell. Alkalmatlan durva kavicsban vagy görgetegben és túl sok finom szemcse esetén is. Különleges berendezés kell. Durva kavicsban, görgetegben nem használható. Különleges felszerelés kell hozzá. Lassú, költséges.
Nagyon széleskörűek.
Esetleg nagyon sűrű elhelyezésre lehet szükség. Nem hárítja el a süllyedéseket.
Nem drága. Egyszerűen végrehajtható
Rezgéseket kelt. Nyomasztó hatása lehet.
Néhány esetben eredményesen használták. Széleskörűek.
Nem drága. Meglevő töltések és nagy kiterjedésű, másként nem javított talajú területek védelmére használható. A talaj megerősítését eredményezi. A javított oszlopok közt maradhatnak folyós talajok. Nagy szilárdság érhető el Bizonyítottan eredményes. Olcsó, egyszerű.
A felszín fölötti megtámasztás helyigényes. A megtámasztás környezetében előfordulhat folyósodás jellegű süllyedés. Különleges felszerelést igényel. A javított oszlopok esetleg eltörhetnek.
Olcsó, egyszerű.
Cementtel tiszta és agyagos Néhány méter. homokok; mésszel agyagok és agyagos homokok; aszfalttal szemcsés talajok. Homokok és kavicsok, N/A S0,06315% talajok.
A megkívánt javítási szinthez igazodóan tervezhető
Kis mélységben ritkán hatásos. A legjobb Széleskörűek. eredmény dinamikus tömörítéssel, előterheléssel és robbantással kombinálva érhető el. Költséges. Szükséges lehet a meglevő szer- Korlátozottak. kezetek ideiglenes megtámasztása és víztelenítése Az eredmény az összekeverés mértékétől és Széleskörűek. a tömörítés elérhető fokától függ
Biotechnikai eljárások Minden talajon. Biotechnical Stabilization and Soil Bioengineering Dr=relatív tömörség;
Előnyök
Néhány méter.
N/A
Nagyon tömör feltöltés; megkötött, cementált anyagok.
N/A
A kezelt anyag nagyon szilárd és merev.
A felhasználás módjától függ.
(N1)60=SPT-ütésszám 0,3 m behatoláshoz, v’=100 kPa-ra és 60% verési energiára redukálva;
A megkívánt javítási szinthez igazodóan tervezhető.
Nem alkalmazható, ha az összenyomható réteg fölött akadályok vannak.
Nagyon széleskörűek. Nagyon széleskörűek.
Gátak földrengés elleni erősítése. A folyósodási hajlam csökkentése. Gyorsan terjed. Kitűnőre vizsgázott az 1995-ös Kobe-i földrengésnél. Nagyon széleskörűek.
Meredek rézsűk alakíthatók ki. Ügyelni kell az egymást követő rétegek 1980-tól széles körben A szokásos földmunka gépekkel közötti kötés megteremtésére, a repedezésre alkalmazzák új és régi elkészíthető. és a kötési hőre gátaknál töltéseknél. Stabilizálja a lejtő felületét, Takarékos. Alkalmas erózió és hámlás A növényeket kezdetben gondozni kell. Széleskörűek. elejét veszi az eróziónak. kezelésére. Környezetbarát. Bajos létrehozni a kb. 34o-nál meredekebb Fokozatosan átengedhető a védett felületeken. Nehezen mérhető a gyökérzet terület a természetes növényzetnek. hozzájárulása az erősítő hatáshoz qc1= CPT-csúcsellenállás v’=100 kPa-ra redukálva; v’=hatékony függőleges feszültség; N/A=nincs adat vagy nem alkalmazható.
Talajjavítási módszerek
10
Talajjavítási módszerek szűk és/vagy beépített területek kezelésére Módszer
Talaj
Hézagkitöltő injektálás Penetration Grouting
Tiszta homokok és ennél durvább anyagok.
Tömörítő injektálás Compaction Grouting
Bármely összenyomható talajban.
Talajhabarcsolásos injektálás Bármely talajban. Nehéz a Jet Grouting nagyon kövér agyagokban.
HatásJellemző elrendezés és távolságok Elérhető eredmény mélység (m) Korlátlan. 1-2,5 m oldalhosszúságú háromszöghálózat. A hézagok kitöltése és szilárdítás. Korlátlan.
1-4,5 m oldalhosszúságú négyzetes- vagy háromszöghálózat (jellemző az 1,5-2,0 m).
Korlátlan.
Az alkalmazás körülményeitől függ.
Hengerelt betontakarás Homokok és kavicsok N/A Roller Compacted Concrete legfeljebb S0,063<15% finomszemcsetartalomig. Robbantásos tömörítés Homokok, iszapos homokok. Korlátlan. Explosive Compaction Mikrocölöpök Mini-Piles Talajszegezés Soil Nailing Talajcsere Replacement
N/A
Négyzetes vagy háromszögű hálózat 3-8 m oldalhosszakkal. A töltetek közötti függőleges távolság nagyságuktól függ. Bármely fúrható talajban. Meglevő szer- A körülményektől függ. kezetek alatt néhány méter. A nagyon puha agyagok Korlátlan. 1-5m2-enként egy injektált vagy 0,25 m2kivételével bármely fúrható ként egy vert talajszeg. talajban. Bármely talaj esetén. Néhány méter. N/A
A jelölések ugyanazok, mint a 2. táblázat esetében
Dr>80%; (N1)60=25 qc1=10-15 MPa (a talajfajtájától függően). A habarcsolt oszlopok méretétől, szilárdságától és elrendezésétől függ. A cementált anyagnak nagy a szilárdsága és a merevsége. Dr=75% (N1)60=20-25 qc1=10-12 MPa A terheket a gyenge talajzóna alá továbbítja
Előnyei
Korlátai, hátrányai
Eddigi tapasztalatok
Lehatárolható a kezelt terület, szűk helyen is lehet dolgozni.
Drága. Az S0,063>szemcsék meghiúsítják. Széleskörűek. Nehéz lehet az injektálóanyagot a tervezett zónán belül tartani. Szennyeződhet a talajvíz. A kezelt zóna mérete szabályozható. Alkalmas Drága. Utókezelés ernyedést okozhat. Korlátozottak. 0,063 mm > szemcséket is tartalmazó talajban is. Szűk helyen is végezhető. A kezelt zóna mérete szabályozható. Alkalmas Drága. Különleges felszerelés kell hozzá. Kevés, de eredményes 0,063 mm>szemcséket tartalmazó anyagokban felhasználás. Számuk is. A szerkezetek alá ferdén is be lehet fúrni. gyorsan növekszik. Tervezhetők meredek felületek. Ügyelni kell a rétegek összekötődésére, a Gyors terjedésben van. Megoldható szokványos földmunka gépekkel. repedezésre és a kötési hőre. Nem költséges. Egyszerű. A kezelt zóna lehatárolható. A furatok lehetnek ferdék is.
Rázkódásokkal jár. Nyomasztó hatású lehet. A környezet megsüllyedését okozhatja.
Beépített területen ritkán, de eredményesen használták. Szerkezeti megtámasztást nyújt Költséges. A szerkezet körül süllyedések A mélyalapozásokhoz alakulhatnak ki. hasonlóan jó a teljesítménye. Stabilizálja a munkagödrök, Nagy mozgásokat és a dinamikus hatásokat jól Stabil rézsű kell a szegek készítésekor. Nehéz Egyre szélesebb bevágások rézsűit viseli. Kis felszereléssel készíthető. Egy szeg jó víztelenítést létrehozni. Szükség lehet a körben alkalmazzák. gyengesége nem okoz katasztrofális leomlást. szomszédos terület altalajának használatára. Nagyon tömör feltöltéstől a A megkívánt javítási szinthez igazodóan Költséges. Korlátozottak cementálódó anyagokig tervezhető Szükség lehet a meglevő szerkezetek ideiglenes megtámasztására.
Talajjavítási eljárások
MENARD
11
Mélytömörítéses módszerek
Mélytömörítés
13
Mélytömörítés hatásai
14
Laza szemcsés talajban: tömörítés
süllyedéscsökkentés
megfolyósodás veszélyének csökkentése
Puha kötött talajban: tömörítés+talajcsere (oszlopok)
süllyedéscsökkentés
talajtörés veszélyének csökkentése
konszolidáció gyorsítása (drénezés)
15
Tömörítés - hatásmélység statikus henger
dinamikus hengerlés
0.2 m
0.4 m
0.5 m
1.0 m
gyorsdöngölés
mélydöngölés
4.5 m
6.5 m
10 m
szokásos 14 m
lehetséges
Vibrációs mélytömörítés
Vibrációs mélytömörítés
17
Vibrációs mélytömörítés
18
Vibrációs mélytömörítés
19
Vibrációs mélytömörítés
20
Vibrációs mélytömörítés
21
Vibrált kőoszlop
Vibrált kőoszlop
23
Vibrált kőoszlop
24
Vibrált kőoszlop
25
Vibrált kőoszlop Az altalaj komplex javítási módszere, mert készítésük, illetve a kész kavicscölöpök •talajtömörítésként •részleges talajcsereként •függőleges drénként is működnek, így •csökkentik a süllyedések mértékét, •növelik a talajtöréssel szembeni biztonságot, •gyorsítják a konszolidációt.
26
Vibrált kőoszlop
27
Hatásmechanizmus a talajtípustól függ
Talajkiszorításos eljárás – vibrációs célszerszám
Üreg kiemeléses technológia (folytonosság)
Munkaeszköz átmérő : 40 cm, cölöp : 50 – 100 cm
Kavicscölöp anyaga =35….40°(homokos kavics, tört anyag)
Gyenge talajban cementhabarcs/száraz-folyós beton/geoműanyagos hengerpalást
Fölé szemcsés réteg (vízelvezetés-teherelosztás)
Átboltozódás (számítással kell igazolni)
Kavicscölöpök fölött georácsos erősítés az átboltozódás végett
Vibrált kőoszlop Megcsúszott rézsű helyreállítása kavicscölöpökkel
28
Vibrált kőoszlop
29
Cölöpözés
Vibrált kőoszlop
30
MSZ EN 14731 – Mélyvibrációs talajkezelés
32
MSZ EN 14731 Mélyvibrátorokkal és tömörítőrudakkal végzett mélyvibrációs talajkezelés • tervezésére, kivitelezésére, vizsgálatára és megfigyelésére
A kezelés jellege és eredménye lehet: •
vibrációs mélytömörítés
•
vibrált kőoszlopok
A vibrált kőoszlopok háromféle technológiával készíthetők: •
felülről tápláló száraz eljárás
•
nedves eljárás
•
alulról tápláló száraz eljárás
A mélyvibrációs kezelés anyaga : lehet homok, kavics, zúzottkő vagy újrahasznosított anyag, pl. tégla- vagy betonzúzalék.
Mélyvibráció - ajánlott szemcseméret Eljárás
Szemcseméret (mm)
Felülről tápláló száraz eljárás
40 – 75
Nedves eljárás
25 – 75
Alulról tápláló száraz eljárás
8 – 50
MSZ EN 14731 Tervezési megfontolások A vibrációs mélytömörítés tervezése feleljen meg az EN 1997 előírásainak. Alapfeladatként a talajviszonyokra vonatkozó információkat értékelni kell annak eldöntéséhez, hogy a talaj alkalmas-e a mélyvibrációs talajkezelésre. A tervezésekor a következőket kell meghatározni: •
a talajkezelés műszaki célja (pl.: a teherbírás növelése és a süllyedés csökkentése, a folyósodási hajlam csökkentése, a nedvesedés okozta roskadás csökkentése vagy az áteresztőképesség csökkentése),
•
a kezelt talaj elvárt geotechnikai jellemzői (pl.: nyírószilárdság, merevség vagy áteresztőképesség),
•
azok a kritériumokat, amelyek alapján a kezelés mélysége, távolsága és kiterjedése eldönthető,
•
az előirányzott teljesítőképesség és a kezelés eredményességének mérésen alapuló értékelési módja,
•
javaslatot az újratömörítésre, ha a kezelést követően földkiemelésre kerül sor.
33
Dinamikus konszolidáció
Dinamikus konszolidáció • 8-20 tonnás tömegek ejtegetése 10-20 m magasságból • hatásmélység 5-10 m a talajtól és ejtési energiától függően
35
Dinamikus konszolidáció
36
Dinamikus konszolidáció
37
Dinamikus konszolidáció
38
Dinamikus talajcsere
Dinamikus talajcsere a kőtömzsök révén • • •
részleges talajcsere jön létre, függőleges drénezést nyerünk, a környező talaj mechanikai tulajdonságai feljavulnak.
E szerkezet, illetve technológia • csökkenti a süllyedéseket, • növeli a talajtöréssel szembeni biztonságot • gyorsítja a konszolidációt.
40
Dinamikus talajcsere
41
Dinamikus talajcsere
42
Dinamikus talajcsere • • • • • • • • • • • •
43
néhány méter vastag, különösen gyenge talaj javítására alkalmas a 3…6 m mélységű, lefelé javuló talajok javításában igazán hatékony egyenletes teherbírású kőtömzs ejtegetett test 1,5...2,5 m átmérőjű, gömbszerű alakzat egy-egy kőtömzsöt 3…6 fázisban, fázisonként 5…6 döngöléssel érdemes előállítani 8…12 m ejtési magasság és 8…10 t tömeg a kőtömzsök területe a teljes terület 20 %-át közelítse tört szemcsés anyag, (φ=35…40, Es=25…50 MPa, k=10-5 m/s) a kavicscölöpök készítése előtt feltöltés készítése (legalább 1,0 m) a feltöltés alá – ha nincs fűtakaró – célszerű vékony geotextíliát fektetni a kőtömzsök elkészülte után 0,5 m szemcsés feltöltés indokolt lehet, hogy mindkét szemcsés réteg alá geotextília kerüljön (elősegíti az átbltozódással kialakuló teherelosztást)
Dinamikus talajcsere
Soil Cons
44
Dinamikus talajcsere
45
Rapid Impact Contractor
Rapid Impact Compactor (RIC)
47
Rapid Impact Compactor (RIC)
48
Betoncölöpözés
Betoncölöpözés
50
Betoncölöpözés
51
Tervezési kérdések
Priebe – Süllyedéscsökkentő hatás
53
54
Barron – Konszolidációgyorsító hatás
Tv c v
1 H
2
t
1 - U = (1 - Uv) × (1 - Ur) n=D/d
1
Tr c r t 2 D
Alaptörés vizsgálata
A kezelt talaj egyenértékű tulajdonságaival
55
Átboltozódás
56
Méretezés - FEM
57
Függőleges irányú elmozdulások a töltésépítést követően
Zalavasút
|U| [m] 0,10
0,08
• kavicscölöp építés 0,06
• Mohr-Coloumb • 6 építési fázis
0,04
0,02
• smax=9 cm
Idő – süllyedés görbe
• teherfelvitel 0,00 0
100
200
300 Time [day]
400
500
• konszolidációs idők
PLAXIS 2D – tengelyszimmetrikus modell
58
Konszolidációszámítás – PLAXIS 2D
59 Chart 1
Displacement [m] 0,35
Point A 0,30
Point B 0,25
Point C
0,20
Point D
Point E
0,15
0,10
0,05
0,00 0
50
100
150 Time [day]
200
250
Méretezés – PLAXIS 3D
süllyedés
60
állékonyság
61
