Jelen cikkben a szerző bemutatja és saját laboratóriumi mérések eredményeivel igazolja, milyen módon befolyásolja a georácsok hálómérete, illetve gyártási technológiája a szemcsés rétegek belső nyírási ellenállás paraméterét. A szerző több különböző gyártási technológiával készített georácsot és több eltérő georácshálóméretet (30 mm-től 100 mm-ig) vizsgált meg. A georácserősítések nemcsak kizárólag „egyszerű” georácsok voltak, hanem geokompozitok (georácsok geotextília réteggel kombinálva, amelyek a georácscsomópontokban voltak ráragasztva, vagy a georácsbordák közé „hegesztve”, szintén a csomópontokban). A georácsok különböző „hálóalakokkal” készültek: háromszög alakú-hexagonális, valamint négyszögletes-biaxiális. A vizsgált szemcsés anyagok az MSZ EN 13450 szabvány szerinti E típusú zúzottkő, valamint az ÚT 2.3.207 szerinti FZKA 0/56 voltak. A nemzetközi szakirodalomban megadtak egy összefüggést az optimális georács-hálóméret és a legnagyobb szemcsenagyság között. A szerző a vizsgálati eredményeire alapozva meghatározott egy pontosított-módosított kapcsolatot a fenti paraméterek között.
Az új építésű nyomvonalas létesítmények [1], valamint a már megépítettek-meglévők karbantartása, felújítása és rehabilitációja vonatkozásában nemzetgazdaságilag lényeges szempont az alkalmazandó és építendő szemcsés rétegek előírt vastagsága, illetve az általuk elérhető E2 teherbírási modulus értéke. Ez főleg a kis teherbírású alépítményi földművek esetén fontos. A szemcsés anyagok egyik jellegzetessége, hogy az axiális (jelen esetben húzó-) és tangenciális szilárdságuk (határteherbírásuk) jellemzően kis érték, amelyet geoműanyagokkal (általában georácsokkal) tudunk kiegészíteninövelni. A georácsoknak ezt az erősítő hatását interlocking effektusnak (vagy alakkal zárásnak) hívják (geotextíliáknál és geomembránoknál egyes kivételektől eltekintve – például töltésalapozásnál, ahol jelentős súrlódás van – erősítést nem vagy csak kismértékben lehet elérni, mert a kialakuló relatív nagy nyúlásokkal-alakváltozásokkal kitérhetnek a terhelés alól, ez az úgynevezett membráneffektus) [2].
Az interlocking hatás gyakorlati előnye aránylag kis elmozdulások esetén igazolható a legnagyobb mértékben, amikor a georács nyúlása nem, esetleg alig lépi túl az 1%-ot. Ekkor az altalajra elhelyezett georács, illetve a szemcsés réteg között ébredő interlocking hatás – azaz a georács-szemcsés réteg kialakulása – egy úgynevezett oldalirányú megtámasztást biztosít, amely végeredményben a függőleges terhelések miatti deformáció redukálására szolgál. A rétegszerkezetben a korábban említett geoműanyagok (georács, illetve georács + geotextília) alkalmazásával az előírt teherbírásértéket kisebb vastagságú szemcsés kiegészítő réteggel is el lehet érni. A vasútépítésben a direkt a zúzottkő ágyazat alá meghatározott fizikai-kémiai-mechanikai jellemzőkkel rendelkező georácsok beépítésével a vágánygeometria stabilizálását is el lehet érni [3]. Ezeken kívül például úgynevezett vasalt támfalak, hídfők stb. építésénél is használnak „talajerősítő” funkciókkal geoműanyagokat. A szemcsés anyagok belső nyírási ellenállását a geoműanyag réteg síkja felett mérhető magasság függvényében egy speciális többszintes nyíróládával lehet laboratóriumban megmérni [4]. A georácsok vasúti pályában való viselkedését kísérleti szakaszok kialakításával, azok hosszú idejű diagnosztikájával lehetett megfigyelni, minősíteni [5], de ez utóbbit jelen cikkben terjedelmi korlátok miatt nem részletezem.
A georácsok kiválasztása, a többszintes nyíróláda, valamint a vizsgált szemcsés anyagok
Lényeges pont az előzőek alapján a georács kiválasztásakor – főleg a tervezés fázisában –, hogy melyik jellemzőket ítéljük fontosnak, azaz melyek azok, amelyek az interlocking effektust szignifikánsan befolyásolják. Az MSZ EN 13250 szabvány [6] szerinti megkövetelt minőségügyi jellemzők a következők:
- szakítószilárdság hossz- és keresztirányban,
- maximális terhelésnél mérhető nyúlás hossz- és keresztirányban,
- statikus átszakítási ellenállás (csak geokompozitok, geotextíliák esetén releváns),
- dinamikus lyukasztási ellenállás (csak geokompozitok, geotextíliák esetén releváns),
- tartósság.
A megerősítés funkcióhoz tartozó szabvány bár megadja azt az öt jellemzőt, amelyet az összes georács teljesítménynyilatkozatán szerepeltetni kell, a tapasztalatok viszont azt mutatják, hogy egyéb lényeges jellemzőket is figyelembe kell venni egy termék hatékonyságának megállapításakor. Gyakorlati kutatások azt mutatták ki, hogy minden szemcsés talaj szemmegoszlásához tartozik egy legjobb (optimális) hálóméret, amellyel az alakkal zárás a legmagasabb [7, 8]. Más kutatási eredmények alapján a teljesítményt befolyásolja a relatív alacsony nyúlások mellett mért szakítómerevség, a csomóponti merevség, a nyílás alakja, a georácsborda vastagsága, a gyártás technológiája stb. [2, 9]. Jelen cikkben a georács erősítés nélküli, valamint georácsokkal és geokompozitokkal erősített szemcsés rétegek többszintes laboratóriumi nyíróládával mért belső nyírási ellenállás vizsgálati eredményeit mutatom be, illetve az eredmények kiértékelése után megállapításokat fogalmazok meg a georácsok hatékonyságát befolyásoló fontos tényezőkkel kapcsolatban. A vizsgálatsorozat lehetőséget teremt a különböző szemcsés anyagok belső nyírási ellenállás értékeinek, a réteg alsó síkjától mért magasság függvényében (0 cm, +10 cm, +20 cm, valamint +30 cm magasságban) történő megállapítására, eltérő szerkezetű georács és georácskompozit rétegek beépítése esetén: ez az alakkal zárás kialakulásának legjelentősebb tényezője.
A laborméréseket a [4], [6] és [10] irodalmakban részletezett módon hajtottuk végre a Széchenyi István Egyetem Szerkezetvizsgáló Laboratóriumában FZKA 0/56 zúzottkő anyag [11], valamint 31,5/63 mm [12] vasúti zúzottkő szemcsés anyagokkal. Az alkalmazott georácsok az alábbiak voltak:
- merev, előterhelt, extrudált polipropilén pászmákból álló, hegesztett csomópontú georácsok, mindkét irányban megegyező szilárdsággal:
- GR1, GR2, GR3: biaxiális, rendre ~40, ~70 és ~95 mm nyílásmérettel,
- szőtt technológiával készült, két irányban teherviselő georácsok, polietilén monofilamens szálakból gyártva, polivinil-klorid bevonattal:
- GR4: biaxiális, ~35 mm nyílásmérettel,
- extrudált polipropilén lemezből készülő georácsok, amelyet lyukasztanak,
majd két irányban nyújtanak:
- GR5: biaxiális, ~40 mm nyílásmérettel,
- GR6, GR7, GR8: hexagonális, rendre ~40, ~60 és ~30 mm nyílásmérettel,
- a GR1 georács kombinálása egy GRK3 robusztusságú nem szőtt geotextíliával:
- KOMP: biaxiális geokompozit, ~40 mm nyílásmérettel.
A mérési eredmények, feldolgozásuk, a levonható következtetések, összefoglaló megállapítások
Mindegyik vizsgált georácsra, az adott szemcsés rétegben, az összes nyírási síkra 3-3 vagy 4-4 mérést végeztünk el, majd ezen mérések középértékével dolgoztam. Az egy-egy nyírási síkra kapott nyomóerő- elmozdulás grafikonoknál a belső nyírási ellenállást az 5 mm és 40 mm közötti keretelmozdulás tartományán mért adatsorra illesztett lineáris regressziós függvény meredekségével jellemeztem. A továbbiakban a nyírószilárdság jellemzésére a szemcsés anyaghalmazban az egyes nyírási síkokra jellemző belső nyírási ellenállás kifejezéseket alkalmazom. Magától értetődően az olyan szemcsehalmazok esetén (például vasúti zúzottkő ágyazat, FZKA 0/56 stb.), mint amely szabálytalan alakú, éles élű köveket és finom szemcséket is tartalmaz, még laboratóriumi körülmények között sem mérhető tökéletesen pontos, szemcsehalmazra vonatkozó belső nyírási ellenállás. Ebből kifolyólag a mért eredményeknek a szabálytalan alakú kövek véletlenszerű eloszlása miatt meghatározott szórásnégyzete (devianciája) lesz. A nyírásvizsgálatok alatt rögzített nyomóerőket nem korrigáltam a keretek között mért súrlódási ellenállások értékeivel. Ezt a közelítést amiatt alkalmazhattam, mert a súrlódási ellenállások értékei a mért nyomóerőkhöz képest jelentősen kisebbek, viszont az eredményeim megfogalmazásánál tudatában voltam annak, hogy a laboratóriumi vizsgálatok mérési adatait ezek elhanyagolható mértékben befolyásolták. Valamint amiatt, hogy a mérések több különböző időponthoz és vizsgálatsorozathoz köthetők, minden esetben az adott vizsgálat nullméréséhez (erősítetlen esetéhez) viszonyítottam az erősített eset meredekségi arányszámát.
Az 1. ábra bal oldalán a 31,5/63 E típusú vasúti zúzottkő, míg a 1. ábra jobb oldalán az FZKA 0/56 anyag esetén mutatom be az 5…40 mm-es keretelmozdulási zónára számított lineáris regressziós függvény meredekségének geoműanyag erősítés nélküli esethez viszonyított arányát a geoműanyag síkjára vonatkoztatva. (A georács síkja feletti 1.20 cm-es zónától a georács hatása már nem volt érzékelhető.)
1. ábra A nyírási grafikonok 5…40 mm-es keretelmozdulások zónájára számított lineáris regressziós függvényei meredekségének geoműanyag nélküli esethez viszonyított aránya az egyes geoműanyagos erősítéseknél a georács síkjában értelmezve, bal oldalon: 31,5/63 mm vasúti zúzottkő ágyazat, jobb oldalon: FZKA 0/56 anyag
Az 1. ábra eredményei szerint megállapítható, hogy a vasúti zúzottkő ágyazatnál az 1,4×dmax érték (~88 mm), az FZKA 0/56 anyagnál a 3,5×d50 érték (~35…55 mm) mint optimális erősítő georácshálóméret (szakirodalmak alapján [7, 8] felvéve ezeket) igazolja, hogy a 35×35 mm-es hálóméret (GR4), illetve a 44×40 mm-es geotextíliás hegesztett rács (KOMP) nem hatékony a zúzottkő ágyazatban (0,85-ös értékkel, de nem szerepel az 1. ábrán), ellenben a hegesztett és extrudált ráccsal (GR1 és GR4) már lehet pozitív hatást elérni. A GR3 georács 86×100 mm-es nyílásmérete már túlságosan nagy volt ahhoz, hogy a georács síkjában erősítő hatást lehessen kimutatni az alkalmazásával. Ekkora nyílásméret használata a dmax=63 mm-es szemcsemérethez nem javasolt. Az FZKA 0/56 anyag esetén az erősítés mind az öt vizsgált geoműanyagnál kimutatható volt – geotextília nélküli esetekben nagyjából azonos mértékben –, legmagasabb értékkel a szőtt georácsnál (GR4). A GR3 georács esetén az erősítő hatás nem érte el a másik négy geoműanyaggal kialakított rétegszerkezet esetén kapott értéket, ezért alkalmazása bár javasolható az FZKA 0/56 anyagnál, de az nem optimális. Kizárólag a jelen cikk hátterét adó kutatás eredményeit figyelembe véve, a szakirodalmak [7, 8] szerint meghatározott 88 mm-es (vasúti ágyazat esetén, dmax=63 mm-nél), valamint 35…55 mmes (folytonos szemeloszlású réteg esetén, d50=10…15,72 mm-nél) georácsnyílásméret csak az FZKA 0/56 anyag esetén igaz, vasúti zúzottkő ágyazatnál a 86×100 mm-es nyílásméret túlságosan nagy ahhoz, hogy a georács síkjában erősítő hatást lehessen vele elérni. A [13]-as irodalomban bemutatott eredmények alapján a 72×72 mm-es hegesztett georáccsal és E típusú vasúti zúzottkővel kialakított rétegszerkezet esetén az erősítés a maximális volt a vizsgált georácsokhoz viszonyítva. Ez azt jelenti, hogy a hatékony nyílásméret (kéttengelyű georácsnál) nem 1,4×dmax, hanem 1,14×dmax körüli. Amennyiben csak a hexagonális rácsokat tekintjük, úgy ez az érték nem 1,4×dmax, hanem körülbelül 1,0×dmax (a 60 mm-es élhosszúságú rács erősített a legjobban a vizsgált típusok közül).
A gyártási technológia szerint a 60-70 mm-es nyílásméret esetén vasúti zúzottkő ágyazatban a hegesztett csomópontú és extrudált rácsokkal lehetett elérni a legmagasabb erősítést (a szőtt rács itt nem optimális), a 30 és 40 mm-es hálóméretnél csak csekély erősítés, vagy néhány esetben éppen gyengítés volt megfigyelhető, a gyártási technológia és a rács kialakítása nem volt meghatározó. FZKA 0/56 esetén a gyártási technológia a vizsgált hálóméret-tartományban nem volt releváns.
Köszönetnyilvánítás
Ez a cikk az EFOP-3.6.1-16-2016-00017 azonosítószámú projekt támogatásával készült.
Felhasznált irodalom
[1] Kurhan, D. M.: Determination of dynamic loads from the wheel on the rail for high-speed trains, Nauka ta Proges Transportu, 2015/3, pp. 118-128
[2] Tensar International Ltd.: Railways. Mechanical Stabilisation Track Ballast and Subballast, marketing issue, 2013, Blackburn, 11 p. (www.tensar.co.uk/downloads)
[3] Nagy, R.: Analytical differences between seven prediction models and the description of the rail track deterioration process through these methods, Intersections, Vol. 14, No. 1, 2017, pp. 14-32
[4] Fischer, Sz.: A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata, PhD-értekezés, SZE MMTDI, 2012, DOI: 10.15477/SZE. MMTDI.2012.005
[5] Fischer, Sz.: Georácsok alkalmazása vasúti zúzottkő ágyazat stabilizálására (2009-2014), KTE ankét előadás, Pécs, 2014.10.13., DOI: 10.13140/ rg.2.1.2637.5842
[6] MSZ EN 13250:2014+A1/2015: Geotextíliák és rokon termékeik. A vasutak szerkezetében való alkalmazás előírt jellemzői, 44 p.
[7] Brown, S. F. Kwan, J., Thom, N. H.: Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast, Geotextiles and Geomembranes, 2007, pp. 326-335
[8] Koerner R. M.: Designing with Geosynthetics, Xlibris Press, USA, 2012, 416 p.
[9] Stahl, M.: Interaktion Geogitter-Boden: Numerische Simulation und experimentelle Analyse, Ph.D. értekezés, Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2011, 166 p.
[10] Fischer Sz.: A vasúti zúzottkő ágyazat és a szemcsés kiegészítő rétegek alá beépített georácsok belső nyírási ellenállásának vizsgálata, Sínek Világa, 2014/4, pp. 22-27
[11] ÚT 2-3.207: Útpályaszerkezetek kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú alaprétegei. Tervezési előírások, 2007, 51 p.
[12] MSZ EN 13450:2003: Kőanyaghalmazok vasúti ágyazathoz, 2003, 33 p.
[13] Fischer, Sz., Szatmári, T.: Investigation of the geogrid-granular soil combination layer with laboratory multi-level shear box test, Eurogeo6: 6th European Geosynthetics Congress, Ljubljana, Szlovénia, 2016.09.25-2016.09.28, pp. 439-448
