Hidrológiai Közlöny 1999 (79. évfolyam)

4. szám - Imre Emőke–Czap Zoltán–Telekes Gábor: Az árvízvédelmi töltéseket is alkotó telítetlen talajok feszültségi állapotváltozói

197 Az árvízvédelmi töltéseket is alkotó telítetlen talajok feszültségi állapotváltozói Imre Emőke, Czap Zoltán, Telekes Gábor MTA-BME Geotechnikai Kutatócsoport BME Geotechnikai Tanszék Ybl Miklós Műszaki Főiskola 1111. Budapest, Műegyetem rp3. 1111. Budapest, Műegyetem rp 3. 1146. Budapest, Thököly út 74. Kivonat Kulcsszavak: 1. Bevezetés A hatékony feszültség fogalma a geotechnikában 1936 óta ismert. A telítetlen talajok feszültségi állapotváltozóit azonban csak jóval később, a hetvenes évek végén ismerték fel. Ezek segítségével felállították a telítetlen talajok kontinuummechanikai modelljeit is, amelyek speciális esetben a telített talajok korábban kidolgozott modelljeire vezetnek. Az eddig különkülön kezelt telítetlen talaj problémák ezzel egységesen tárgyaihatóvá váltak. E közlemény egy cikksorozat elsó tagjaként a talajok feszültségi állapotváltozóival kapcsolatos ismereteket foglalja össze. A következő cikkek a telítetlen talajok fontosabb kontinuummechanikai modelljeit veszik sorra talaj, talaj feszültség, árvízvédelem. A telített talajok talajmechanikájának eredményessége elsősorban a Terzaghi által a harmincas években bevezetett feszültségi állapotváltozónak, a hatékony feszültségnek köszönhető. Ennek birtokában a telített talajok viselkedése egységes, kontinuummechanikai megközelítéssel tárgyaihatóvá vált. Ugyanakkor a telítetlen talajokkal kapcsolatos mérnöki problémákat - megfelelő feszültségi állapotváltozók hiányában - sokáig külön-külön, egyedi esetként, általában (félig) tapasztalati úton tárgyalták (pl. kapilláris szivárgás, térfogatváltozás, munkagödör falának állékonysága az idő függvényében, talajok roskadása stb.). A telítetlen talajok feszültségi állapotváltozóit csak jóval később, a hetvenes évek végére sikerült megállapítani. E közlemény a telítetlen talajok feszültségi állapotváltozóinak megállapításával kapcsolatos ismereteket foglalja össze. A témakörnek külön aktualitást ad az a körülmény, hogy a hazai árvízvédelmi töltések állapotára vonatkozó mérnöki munkák fontossága a közelmúltban lejátszódott árvizek miatt előtérbe került. 2. A telítetlen talaj fogalma Általános az a nézet, hogy a telítetlen talaj általában háromfázisú, és levegőt mindig tartalmaz. E fejezetben megemlítjük, hogy a telítetlen talajok legfontosabb jellemzője nem a levegő jelenléte (amely a talajvíztükör feletti kapilláris zónában nem is szükségszerű), hanem az, hogy a pórusvíznyomás értéke a póruslevegő-nyomás alá csökken. Elmondjuk továbbá, hogy telítetlen talajok esetén célszerű a szilárd részen, vízen és levegőn kívül egy negyedik fázist is megkülönböztetni. 2.1 A szívás A telítetlen talajok legfontosabb jellemzője az, hogy bennük a pórusvíznyomás a póruslevegő-nyomásnál kisebb. A póruslevegő-nyomás és a pórusvíznyomás különbségét szívásnak nevezik. A szívás a "kapilláris" szívás és az "ozmotikus" szívás összege, ezek pedig a következőképpen definiálhatók. Tekintsünk egy olyan rendszert (1. ábra), amelyben a telítetlen talajminta egyik oldalán talajvízzel, másik oldalán kémiailag tiszta vízzel érintkezik. A kétféle víz is kapcsolatban van egymással, és az ezekben ható feszültségek olyanok hogy nincs vízáramlás. A szűrőkövön sós víz, a félig áteresztő hártyán tiszta víz tud átjutni. A talajmintában a póruslevegő nyomása az atmoszférikus nyomással egyezik. A kapilláris (vagy talaj) mátrix szívása a légnyomás és a talajvízzel azonos sótartalmú víz feszültségének különbsége. Az ozmotikus szívás az a talajvízzel azonos sótartalmú víz és a kémiailag tiszta víz feszültségének különbsége. A kapilláris szívás függ a talaj víztartalmától, az ozmotikus szívás nem. Ezért átlagos mérnöki probléma esetén szíváson általában kapilláris szívást értünk, mivel a víztartalom változása során csak a szívás kapilláris komponense változik lényegesen, az ozmotikus nem. Fontos, hogy a talajba addig nem lép levegő, ameddig a szívás értéke nem nő egy, a szemeloszlástól függő kritikus érték (az ún. levegő belépési szívás érték) fölé. ii « |- Féligáteresztő hártya li ii n r Szuroko ifin Teljes • szíva s Tiszta TalajTalaj Tiszta VIZ víz VIZ £ Ozmotikus szívás KapiHaris szívás 1. ábra Izotermális egyensúlyi rendszer, a félig áteresztő hártyák csak vizet engednek át (Richards, 1965) 2.2 A negyedik fázis A telítetlen talaj három fázisa (szilárd rész, víz, levegő, de ezeket nem halmazállapotként értve) mellett célszerű egy negyedik fázist is megkülönböztetni, a víz-levegő határfelületen lévő 3-4 molekula vastagságú átmeneü réteget. Ezt hártyának nevezzük (angol elnevezése: contractile skin). A hártya kapilláris erőt ad át a szilárd szemcsékre. Ez az erő okozza a talaj térfogatváltozását kiszáradás és nedvesedés során.