A duzzadó agyagásványokat tartalmazó agyag talajok térfogatváltozó tulajdonsággal rendelkeznek. A térfogatváltozó agyagok a víztartalom növekedésének hatására megduzzadnak, míg a száradás során zsugorodnak. A térfogatváltozás mértéke 3-15%, ami néhány méter vastag agyag réteg esetén dm-es nagyságrendű emelkedéseket vagy süllyedéseket okoz. A duzzadás során további károkat okoz az építményekben, ha a térfogatváltozás gátolt, mert az ilyenkor kialakuló 30-300kPa közötti duzzadási nyomás jelentős terhelést ad át szerkezetekre. A térfogatváltozó talajok emiatt károkat okoznak épületekben, támszerkezetekben vagy például az utak pályaszerkezetében.
A kutatás célja megvizsgálni, hogy a térfogatváltozásból eredő emelkedés és süllyedés, valamint a duzzadási nyomás milyen módon hat a szerkezetekre. A kutatás során meg kívánjuk határozni, hogy a duzzadási nyomás és szabad duzzadás összefüggése alapján hogyan lehetne számítási módszert kidolgozni a szerkezetekre gyakorolt nyomás és a szerkezetekben létrejövő alakváltozások összefüggéséből. Az elemzés azért komplex, mert az alakváltozás hatására csökken a duzzadási nyomás, így megkereshető olyan optimális szerkezeti kialakítás, amely kellően rugalmas ahhoz, hogy a duzzadási nyomás mértékét elviselhető szintre csökkentse. A vizsgálat másik fontos eleme, hogy a függőleges duzzadási problémáknál (pl.: útpályaszerkezetek, kültéri sportpályák, ipari padlók) milyen vastag agyag réteg duzzadását kell számításba venni, hiszen a réteg vastagságával és egyéb ágyazati anyagok vastagságával nő a az önsúly feszültség a talajban, ami csökkenti a szabad duzzadás mértékét.
Előzetes vizsgálatok során olyan végeselemes speciális talajmodellt találtunk, amely jól adoptálható a térfogatváltozó agyag talajokhoz és segítségével vizsgálható lenne a különböző szerkezetek és körülmények esetén a duzzadás során lévő komplex folyamat nyomás-elmozdulás összefüggése.
A kutatási munka során elvégzendő feladatrészek:
• A korábbi nemzetközi kutatási eredmények és mérési módszerek áttekintése és feldolgozása.
• Laboratóriumi vizsgálatok elvégzése különböző térfogatváltozó agyagok zsugorodási és duzzadási tulajdonságainak meghatározása céljából,
• Analitikus és numerikus analízisek elkészítése a talajok térfogatváltozásának szerkezetekre gyakorolt hatására vonatkozóan.
• Számítási eljárás kidolgozása a talajok térfogatváltozásból származó igénybevételek és mozgások számba vételére.
***
Clay soils containing swelling clay deposits have a volumetric property. Volume-change clays swell as the water content increases and shrink as they dry. The rate of change in volume is 3-15%, causing expansion or settlements of the order of dm in a few metres thick clay layers. Further damage to structures during swelling is caused if the volume change is inhibited, because the swelling pressure goes up to 30-300 kPa that develops a significant load to the structures. Volumetric soils can cause damage to for example buildings, retaining structures and road pavements.
The aim of the research is to investigate the effects of the expansion and settlements due to volume change and swelling pressure on the structures. The research aims to determine how the relationship between swelling pressure and free swelling can be used to develop a computational method to calculate the relationship between the pressure on structures and the deformation of structures. The analysis is complex because deformation reduces the swelling pressure, so that an optimal structural design can be found that is sufficiently flexible to reduce the swelling pressure to a tolerable level. Another important aspect of the study is the thickness of the clay layer to be considered for vertical swelling problems (e.g. roadway structures, outdoor sports fields, industrial floors), since the thickness of the layer and the thickness of other bedding materials increases the self-weight stress in the soil, which reduces the free swelling rate.
Preliminary studies have identified a finite element specific soil model that can be well adapted to volumetric clay soils and could be used to investigate the pressure-displacement relationship of a complex process during swelling for different structures and conditions.
The following steps has to be carried out during the research work:
• Overview of previous international research results and methods.
• Carry out laboratory tests to determine the shrinkage and swelling properties of different volumetric clays.
• To carry out analytical and numerical analyses of the effects of volume change of soils on structures.
• Development of a computational procedure to account for the stresses and movements due to the volumetric deformation of soils.
1. Yusuf, Erzin and Orhan, Erol (2004). “Correlations for Quick Prediction of Swelling Pressure”, Electronic Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 9F, Paper No. 0476
2. J.-L. Briaud, X. Zhang, and S. Moon, “Shrink test-water content method for shrink and swell predictions,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 129, no. 7, pp. 590–600, 2003.
3. D. D. Overton, K. C. Chao, and J. D. Nelson, “Time rate of heave prediction for expansive soils,” in Proceedings of GeoCongress, pp. 1–6, Atlanta, GA, USA, February 2006.
4. Brackley, I.J.A. (1975). “Swell Under Load” , Proc. 6th Reg. Conf. for Africa on SM and FE, Curban, S.S., 65–70.
5. Chen, F.H. (1975). “Foundations on Expansive Soils”, Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam.
6. Dhowian, A.W. (1990). “Simplified Heave Prediction Model for Expansion Shale”, Geotechnical Testing Journal, Vol.13, 323–333
7. Wittke-Gattermann, P. & Wittke, M. (2004) Computation of Strains and Pressures for Tunnels in Swelling Rocks. Proc. ITA 2004 E14, 1-9
1. Minerals
2. Transportation Research Board
3. Construction and Building Materials
4. Periodica Polytechnica
5. Útügyi Lapok
1. Mustafa W., Szendefy J.: Impact of compaction ration and loading period on compressional behaviour of foam glass aggregates Construction and Building Materials, Elsivier Volume 343 (2022) https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128111
2. Hoseinimighani H.., Szendefy J.: A Review on Effect of Temperature Change on Mechanical Parameters of Fine Soils Periodica Polytechnica Civil Engineering Vol 65 No 3, (2021) https://doi.org/10.3311/PPci.16533
3. Chovanyecz E., Koch E., Szendefy J.: Útmutató talajjavítási módszerek alkalmazásához Magyar Mérnöki Kamara Geotechnikai Tagozat 2015
4. Vámos M., Szendefy J.: Calculation Method for Traffic Load-Induced Permanent Deformation in Soils under Flexible Pavements Geotechnics Vol 3 (3) 2023 https://doi.org/10.3390/geotechnics3030051
5. Waleed S. M., Nagy B., Szendefy J. Thermal performance of foam glass aggregate at different compaction ratios Buildings, Vol 13(7) 2023 https://doi.org/10.3390/buildings13071844
1. Hoseinimighani H.., Szendefy J.: A Review on Mechanisms of Thermally Induced VOlume Changes in Fine Soil Minerals 2022 Vol 12 Issue 5, 572 (2022) https://doi.org/10.3390/min12050572
2. Vámos M., Szendefy J.: Overconsoldiation Stress and Strain Condition of Pavement Layers as a Result of Preloading during Construction Periodica Polytechnica Civil Engineering Vol 67 No 4, (2023) https://doi.org/10.3311/PPci.22258
3. Móczár B., Szendefy J.: Calculation of presumed bearing capacity of shallow foundations according to the principles of Eurocode7 Periodica Polytechnica Civil Engineering Vol 61 No 3, 505-515. (2017) https://doi.org/10.3311/PPci.8553
4. Szendefy J., Back M.: Reziliens modulus mérése és talajstabilizációknál mért értéke Útügyi Lapok Vol 5. No 2., 64-72. (2017)
5. Mustafa W., Szendefy J.: Impact of compaction ration and loading period on compressional behaviour of foam glass aggregates Construction and Building Materials, Elsivier Volume 343 (2022) https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128111
A térfogatváltozó talajok jelentős károkat okoznak az afrikai országokban. A PhD jelentkező Kenyából származik, így a kutatás során afrikai államokból származó talajminták is vizsgálatra kerülnek, amely eredményekkel a kutatási téma szélesebb körű nemzetközi érdeklődést kaphat.
Magyarország Alföldi régiójában nagy mennyiségű útkárosodást okoznak a térfogatváltozó talajok. A Magyar KÖZÚT érdeklődést mutathat egy olyan kutatás iránt, amelynek eredményeit hatékonyan figyelembe tudja venni az utak tervezése és üzemeltetése során. A kutatáshoz ilyen módon ipari forrásokat vagy nagy modell kísérletekhez szükséges partnereket lehet jól eséllyel találni. A témavezető a MAÚT Földmunka bizottságának vezetője, így aktív tagja a hazai útépítési szakmának.