TÚLKONSZOLIDÁLTSÁG HATÁSA A GEOTECHNIKAI EREDMÉNYEKRE EFFECT OF OVERCONSOLIDATION ON THE GEOTECHNICAL RESULTS Józsa Vendel BME Geotechnikai Tanszék, PhD hallgató ÖSSZEFOGLALÁS Hazánkban egyre nagyobb szükség van a nagymélységű földalatti műtárgyak létesítésére. Problémát jelent a gépjárművek akár nappali, akár éjszakai elhelyezése, amelyre az újépítésű épületek alatti teremgarázsok és a tömegközlekedést segítő metróvonalak jelenthetnek megoldást. Az ilyen típusú műtárgyak olyan mélységben kerülnek beépítésre, ahol már nem elhanyagolhatóak a speciális paraméterek, mint például a túlkonszolidáltság (OCR). A geotechnikai tervezés és kivitelezés szempontjából jelentős szerepet játszanak a vízszintes földnyomás és a számításához szükséges paraméterek is. A túlkonszolidált talajok a támszerkezetek elmozdulásait, igénybevételeit kedvező és kedvezőtlen módon is befolyásolhatják. Az ilyen típusú talajok kezelését a véges elemes programok már lehetővé teszik, de a paraméterek megbízhatósága nagyban függ a különböző laboratóriumi, helyszíni mérésektől, valamint számítási módszerektől. A CPT szondázás eredményeiből és a laboratóriumi mérésekből képet kaphatunk a talajok túlkonszolidáltságának fokáról, amelynek értéke már nagyobb biztonsággal beépíthető a számítógépes programokba. A CPT szondázás eredményeit közvetlenül is befolyásolhatja a túlkonszolidáltság, amelynek mértékét szintén véges elemes programmal szemléltethetjük. A tervezéshez szükséges geotechnikai paraméterek megbízhatóságának növelése érdekében valós és virtuális számításokra is szükség van, ezáltal pontosabb eredményeket és gazdaságosabb szerkezeteket kaphatunk. KULCSSZAVAK/KEYWORDS CPT szondázás, túlkonszolidáltsági fok, befogott támszerkezet CPT, overconsolidation ratio, embedded retaining structures
1
1
BEVEZETÉS
Magyarország a miocén végén és pliocén földtörténeti korszakokban jelenlévő egykori Pannon-tenger területén fekszik. Fennállása során 3-4 km vastagságú üledékrétegek halmozódtak fel a fenekén. A különböző vastagságú ősi üledékrétegek előterhelést, majd lepusztulásuk folyamán tehermentesülést eredményeztek a mai talajrétegekben. Az előterhelés mértékét a túlkonszolidáltsági tényezővel (OCR) tudjuk figyelembe venni. A túlkonszolidált talajok a földmegtámasztó támszerkezetek elmozdulásait, igénybevételeit kedvező és kedvezőtlen módon is befolyásolhatják, ezért elengedhetetlen annak vizsgálata. A túlkonszolidáltság meghatározására szükségünk van az előterhelés nagyságára, más néven az előkonszolidációs feszültségre (σ'p), valamint a hatékony függőleges feszültségre (σ'v0). A két feszültség hányadosa fogja megadni a túlkonszolidáltság fokát:
OCR
p v0
(1)
A cikk az előkonszolidációs feszültség megállapításával, valamint a laboratóriumi vizsgálat eredményeinek feldolgozásával foglalkozik. Berettyóújfalu környékén 22 db fúrás különböző mélységeiből összesen 130 db talajmintát vettünk, amelyek összevetésre kerültek a hozzájuk tartozó CPT szondázási eredményekkel a megfelelő mélységben. Az adatok kiértékelésének foka kb. 50%-os. A szondázási adatok felhasználásánál a CPeT-IT szoftvert alkalmaztuk, ahol egyaránt kaphatunk közvetlen és származtatott paramétereket is.
2
ELŐKONSZOLIDÁCIÓS FESZÜLTSÉG MEGHATÁROZÁSA
A nemzetközi és hazai szakirodalom több lehetőséget is nyújt, amelyek figyelembevételével laboratóriumi és in situ vizsgálatok eredményeit vetjük össze hazai talajviszonyok mellett. Az egyik lehetőség a laboratóriumban végzett egydimenziós ödométeres vizsgálat nagyon jó minőségű zavartalan minta felhasználásával. Az egydimenziós terhelés (konszolidációs teszt) folyási pontja mutatja az előkonszolidációs feszültséget (σp'). Az ödométeres vizsgálat lehetőséget ad további paraméterek meghatározására is, mint például kompressziós index (Cc), rekompressziós index (Cr), stb. Az ödométeres vizsgálat eredményét az 1. ábra szerint szokás ábrázolni, ahol a vízszintes tengely a hatékony konszolidációs feszültség logaritmikus léptékben, a függőleges tengely pedig a hézagtényező (e).
1. ábra: A Casagrande-féle módszer az előkonszolidációs feszültség megállapításához
2
σ'p megállapításhoz alkalmazható a Casagrande-féle módszer (1936) (1. ábra), Schmertmann-féle módszer (1955), Janbu módszer (1969), stb. A keresett feszültségi érték a mérési pontokra illesztett két fő egyenes metszéspontjához tartozó érték leolvasásából adható meg. Az előkonszolidációs feszültség meghatározására az ödométeres vizsgálatnál a Casagrande-féle módszer került kiválasztásra. A mérnökgyakorlatban nagyon elterjedt a CPT szondázás, ahol szintén találkozhatunk az előkonszolidációs feszültség megállapításának módszereivel. Az egyik ilyen lehetőség a szondázási eredményekből származó korrigált csúcsellenállás (qt) és függőleges feszültség (σ'v0) figyelembevétele (Mayne 1995; Demers és Leroueil 2002) ép állapotú agyagtalaj mellett:
p 0.33 (qt v 0 )
(2)
A (2) egyenletben szereplő 0,33–os szorzószámot szokás túlkonszolidáltsági szorzótényezőnek nevezni (kOCR), amelynek értéke a talaj típusától függően változhat. A
qt v 0 tag a továbbiakban csökkentett csúcsellenállás néven szerepel. A szondakúp vállövében található piezométer esetén az előkonszolidációs feszültséget a korrigált csúcsellenállás és pórusvíznyomás (u2) felhasználásával számíthatjuk (Mayne 2005):
p 0.60 (qt u 2 )
(3)
Az előkonszolidációs feszültség meghatározására szondázási eredményekből a (2) és a (3) egyenlet alapján történt.
3
EREDMÉNYEK ISMERTETÉSE ÉS ÉRTÉKELÉSE
A 2. ábra a laboratóriumi előkonszolidációs feszültség és a szondázási adatokból számított csökkentett csúcsellenállást hasonlítja össze. Azt tapasztaljuk, hogy a Mayne által megadott görbe alatt helyezkednek el a mérési adatok, ami arra enged következtetni, hogy a laboratóriumi értékek kisebbek a szükségesnél, feltételezve, hogy a hazai talajokra szintén alkalmazható az összefüggés. A kisebb értékeket az ödométeres vizsgálat során a max. 400 kPa-os feszültség alkalmazása okozhatja, hiszen az 1. ábra jól szemlélteti, hogy ajánlott a kb. 800-1000 kPa-t elérni az érintő egyenesek meghatározásához, valamint tehermentesítést és újraterhelést is alkalmazni. A jelen ödométeres vizsgálat nem tartalmazott újraterhelést és tehermentesítést. Ezt és a feszültségtartományt figyelembe véve a Casagrande-féle módszer által meghatározott előkonszolidációs feszültség 100÷400 kPa között mozoghat, amellett, hogy a görbe további lefutását csak becsülni lehet.
3
2. ábra: A laboratóriumi előkonszolidációs feszültség és a csökkentett csúcsellenállás kapcsolat
A 3. ábra az előkonszolidációs feszültség mélység szerinti változását mutatja be három különböző módszer kapott eredmények alapján. A zöld pontok a laboratórium, a piros pontok a (2) egyenlet és a kék pontok a (3) egyenlet alapján lettek meghatározva. Ezt a sorrendet követve a módszerek egyre nagyobbak értékeket adnak, amelyből azt lehet megállapítani, hogy a valódi feszültségi érték ebben a tartományban helyezkedik el. A pontok elhelyezkedéséből megállapítva a nagy szórás mellett némi növekedő tendencia mutatható ki mélység szerint. A kérdéses szórást nagymértékben befolyásolhatja a talajrétegződési anomáliák, betelepülések, hiszen az eredmények egy adott mélységből származnak, valamint a számítási módszer is.
3. ábra: Az előkonszolidációs feszültség mélység szerinti változása
4
A túlkonszolidáltsági tényezőt az előkonszolidációs feszültség és a hatékony függőleges feszültség hányadosaként számíthatjuk. A 4. ábra a túlkonszolidáltsági tényező változását szemlélteti mélység szerint, összehasonlítva az egyes módszerekkel. Az OCR számításánál a 3. ábra adatai lettek felhasználva, ahol a módszereket a színek különböztetik meg. A pontokra illesztett hatvány görbe minden egyes módszernél azonos viselkedést mutat, mélységgel csökkenő tendenciát. A görbék illesztésénél a korrelációs tényező értéke (R2) 0,82 és 0,94 között változik, amely meglehetősen jó közelítést jelent. A felső néhány méterben túlzottan nagy értékeket kapunk, ezért a felhasználható tartomány 3÷5 méteres mélység alatt helyezkedik el. OCR értéke így 1 és 15 között változik.
4. ábra: A túlkonszolidáltsági tényező változása mélység szerint, összehasonlítva az egyes módszerekkel
4
ÖSSZEFOGLALÁS
A túlkonszolidáltsági tényező meghatározó szerepet tölt be a reziduális nyírószilárdság (τv) elérésének útjában, ugyanis a kezdeti alakváltozásoknál a nyírószilárdság magasabb értéket (τcs = cu) vesz fel a normálisan konszolidált talajokéhoz képest (5. ábra). Magas OCR értékkel rendelkező talajok a tehermentesülés (bevágás, munkagödör határolás) vagy nagy alakváltozás hatására veszítenek teherbírásukból. Földmegtámasztó szerkezet, például szádfal esetében pedig növekvő OCR hatására kisebb elmozdulások és nyomatékok jönnek létre a munkagödör irányában (5. ábra).
5
5. ábra: Túlkonszolidáltság hatása a nyírószilárdságra és földmegtámasztó szerkezet elmozdulásaira
A számítások alapján megállapítható, hogy a gyakorlat és a szakirodalom kínálta számítási módszerek alapján a CPT szondázásból származtatott és a laboratóriumi előkonszolidációs feszültségből számított túlkonszolidáltsági tényező értékek egy adott tartományban mozognak a számítási módszertől függően és a mélységgel csökkenő tendenciát mutatnak. További kutatási, adatfeldolgozási javaslatok: -
-
5
adatfeldolgozási módszerek pontosítása; kiugró értékek kiejtése a mérési sorozatból statisztikai módszerek figyelembevételével; ödométeres vizsgálat feszültségtartományának növelése, kifejezetten az előkonszolidációs feszültség meghatározása érdekében kiegészítve tehermentesítési, újraterhelési szakaszokkal; a zavartalan minta ’’változása’’ okán lehetőség szerint kiegészítő labor,- és in situ vizsgálatok elvégzése; a talajtípusokra vonatkozó adatszétválasztás a számítások során.
IRODALOMJEGYZÉK 1. Chen B.S, Mayne P.W.: Profiling the Overconsolidation Ratio of Clays by Piezocone Tests, Atlanta, Georgia, 1994 2. Fellenius B.H., Eslami A.: Soil Profile Interpreted from CPTu Data, “Year 2000 Geotechnics”, Geotechnical Engineering Conference, Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand, November 27 - 30, 2000, 3. Józsa V.: Effects of rarely analyzed soil parameters for FEM analysis of embedded retaining structures, 21st European Young Geotechnical Engineers Conference, Rotterdam, 2011.09.04-07. 4. Kim D., Shin Y., Siddiki N.: Geotechnical Design Based on CPT and PMT, Joint Transportation Research Program, 2010/4 5. Lunne T., Robertson P.K. and Powell J.J.M.: Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice, Taylor & Francis, London, 2002 6. Mayne P.W.: Profiling Overconsolidation Ratio in Clays by Piezocone and Flat Dilatometer Tests 7. National Cooperative Highway Research Program (Synthesis 368): Cone Penetration Testing, Washington, D.C. 2007
6
6
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Ezúton szeretném megköszönni Tóth Rolandnak (Geo-Terra Kft.), hogy laboratóriumi és szondázási adatokkal támogatta munkámat, valamint Czap Zoltánnak, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Geotechnikai Tanszék mestertanárának, hogy konzultációival segített a fent említett témakör kérdéseiben.
7
