Teherbírás-növelés geoműanyagokkal

Az alépítményen megkövetelt teherbírás gyakran nem érhető el, ezért kiegészítő intézkedések szükségesek. A teherbírás növelésének egyik gazdaságos módja, hogy geoműanyagokat építünk be, amelyekkel sikeresen megvalósítható a rétegszerkezet erősítése, valamint a rétegelválasztás és a szűrési szerep teljesítése.

A vasúti járműteher függőlegesen és oldalirányban terjedő mozgást gerjeszt az ágyazatban. Az ágyazati réteg szemcséi és a georács közötti együttdolgozás a súrlódásból és/vagy az alakkal zárás jelenségéből származik (1. ábra).

A durva szemcsés halmaz kitérése oldalirányban gátolt, s ennek eredményeképpen a réteg oldalirányú és függőleges deformációja csökkentett mértékű lesz a halmaz ilyetén stabilizációja által.
A súrlódásnak és az alakkal zárásnak (együttdolgozásnak), illetve ezek kombinációjának eredménye az a mechanikai stabilizáló hatás, amely merev geoműanyagokkal történő erősítéssel érhető el.
A stabilizáláshoz a feszültségeknek a talajról a geoműanyagra hatékonyan történő átadása szükséges. A szemcsés rétegben ébredő függőleges és vízszintes irányú feszültségek a geoműanyag stabilizáló hatásával együtt automatikusan kiváltják a georácsban a húzóerők kifejlődését. A georács és a durva szemcsés anyag közötti együttdolgozás és az erősítés következtében alacsony feszültség mellett kialakuló húzóerők összetett hatást eredményeznek, ahol a stabilizálás az erősítő mechanizmus olyan kezdeti állapotaként értelmezhető, amikor még kicsik az alakváltozások. Az erősítés segítségével a durva szemcsés réteg progresszív romlása csökkenthető. A georáccsal történő erősítő hatást különböző tulajdonságok adják, amelyek közül a legfontosabbak: a georács merevsége, a rácsméret, a durva szemcsés töltőanyag szemcséinek alakja, a szemeloszlás, a réteg tömörítésének hatékonysága és a georács alatti réteg rugalmassága.
A georács síkján és az a fölött kialakuló nyírási ellenállás hatékonysága, mint a rács és a tört szemcsék közötti együttdolgozás eredménye, a mai napig számszakilag nincsen kielégítő módon jellemezve.
Csak kevés információ és laboratóriumi mérési eredmény áll rendelkezésre a tekintetben, hogy a georács hatása milyen függvény szerint változik a tört szemcsés réteg vastagsága mentén, és hol várható ennek a hatásnak a határa. Az ebben a cikkben ismertetésre kerülő laboratóriumi mérések célja a hatás számszerű leírása. A cél elérését az segíti, ha megállapítjuk azokat az erőket, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a durva szemcsés réteg különböző síkjaiban nyírást idézzünk elő. A vizsgálatok végrehajtása eltérő paraméterek alkalmazása mellett történhet, ilyenek például a georács típusa, a durva szemcsés réteg vastagsága, a töltőanyag szemeloszlása.

1. A többszintes nyíróláda bemutatása és a vizsgálat módszere

1.1. A behatárolási ellenállás
Az alakkal zárás számszerűsítésére a szemcsék rácsba kapaszkodásának jelenségét hívhatjuk segítségül. Ez azt az erőt jelenti, amely a georácsos erősítés következtében aktiválódik, s a szemcsék mozgását indukálja a georács síkjában. Hasonló a hatás a szemcsék között is, a georács feletti rétegekben. Valószínűsíthető, hogy minél nagyobb a távolság a georács síkjától, a behatárolási ellenállás annál kisebb lesz. Megfelelő közelítésnek tűnik, ha három magassági zónát tételezünk fel. Az is valószínű, hogy a behatárolási ellenállás a szemcsés anyag mélységének függvényében nem lineárisan fog változni, amint azt a 2. ábra mutatja.

A behatárolási ellenállást jellemző függvénygörbe előállításához a szemcsés réteg különböző mélységeiben szükséges az értékeket ismerni (lásd a 2. ábrát), s ezek a többszintes nyíróládában végzett vizsgálatokkal állapíthatók meg.

1.2. A laboratóriumi vizsgálatok módszere és eszköze
Célunk eléréséhez a nyíróládás vizsgálatokra vonatkozó szabványoknak csak néhány előírása használható fel, mert azok olyan módszereket tárgyalnak, amelyek a hagyományos, kétkeretes nyíróládákra vonatkoznak, amikor a jelenség (nyírás vagy kihúzás) mindig ugyanazon a síkon történik. Mivel a szemcsés réteg különböző mélységeiben kívánjuk megállapítani a behatárolási ellenállást, ezért másfajta berendezést kellett a laboratóriumi vizsgálathoz felhasználnunk. Ez az ún. többszintes nyíróláda, amely nem szabványosított eszköz, s amelyet a Széchenyi István Egyetemen fejlesztettek ki és használnak 2010 óta. A többszintes nyíróláda keresztmetszeti rajza látható a 3. ábrán.

A láda 10 db egymás tetejére helyezett keretből áll. A keretek a kijelölt nyírási sík alatt és felett egy-egy (láda)egységgé kapcsolhatók össze, s azok egymáson elcsúsztathatók úgy, hogy a felső egység fixen rögzített, az alsó pedig a nyomóerő hatására az alatta lévő görgőkön elmozdul. A többszintes nyíróláda befoglaló méretei 1,0 m x 1,0 m x 1,0 m. A láda tehát az aláhelyezett görgőkön képes szabadon gurulni a laboratórium padlóján, amennyiben rá a vízszintes nyomóerő hat. A láda ellenkező oldalán, a nyírási sík felett ellenerőt kell működtetni. A mérési eredményt több paraméter befolyásolja, ennélfogva egy sor vizsgálatot szükséges elvégezni. Fontos szempont, hogy egy-egy méréssorozatban azonos vizsgálati körülményeket biztosítsunk. Ez azt jelenti, hogy ugyanabban a méréssorozatban minden paraméter változatlan, csak a nyírási sík magassági helyzete változik. A 4. ábra a vizsgálatok során alkalmazott rétegszerkezetet mutatja.

Minden tesztben az alábbi paraméterek mérése, illetve ellenőrzése történt meg:

• a georács alatti réteg statikus E2 modulusának értéke,
• a tört szemcsés ágyazati anyag szemeloszlása,
• az ágyazati réteg vastagsága,
• az aktuális nyírási sík alatti ládaegység elmozdításához szükséges vízszintes erő (nyomóerő),
• az aktuális nyírási sík feletti ládaegység helyben tartásához szükséges vízszintes erő (ellenerő),
• a nyírási sík alatti egység elmozdulása,
• az ágyazati anyag dilatációja miatti felső keretegység emelkedésének megakadályozására szolgáló függőleges erő.

A vizsgálatok megkezdése előtt minden síkon megmértük az egymáson fekvő, eltérő méretű keretegységek között ébredő súrlódási erőket. Megállapítottuk a tört szemcsés anyag szemeloszlási görbéjét is rostasorozat segítségével. A halmaz az EN 13450 szabvány 31,5/63 vasúti ágyazat határgörbéinek megfelelő volt.
Amint azt az 5. ábra mutatja, három erő és egy elmozdulás mérése történt meg minden vizsgálat során.

2. A végrehajtott vizsgálatok és az eredmények értékelése
   Összesen hat különböző rétegszerkezetet (RSZ) vizsgáltunk, s ezek a következők voltak:

1. sz. rétegszerkezet (RSZ1): vasúti ágyazat (31,5/63 mm) georács-erősítés nélkül,
2. sz. rétegszerkezet (RSZ2): Secugrid 30/30 Q1 georács + vasúti ágyazat (31,5/63 mm),
3. sz. rétegszerkezet (RSZ3): Secugrid 30/30 Q1 LA georács + vasúti ágyazat (31,5/63 mm),
4. sz. rétegszerkezet (RSZ4): Combigrid 30/30 Q1 LA 151 GRK 3 geokompozit + vasúti ágyazat (31,5/63 mm),
5. sz. rétegszerkezet (RSZ5): Tensar SSLA30 georács + vasúti ágyazat (31,5/63 mm),
6. sz. rétegszerkezet (RSZ6): Tensar SSLA30-G geokompozit + vasúti ágyazat

A geokompozitokban (georács + geotextília) az RSZ4 rétegszerkezetben 150 g/m², az RSZ6 rétegszerkezetben 160 g/m² fajlagos tömegű geotextília alkalmazására került sor. Az RSZ2–RSZ6 rétegszerkezetben felhasznált geoműanyag termékek tulajdonságait az 1. táblázat foglalja össze.

Az ötfajta georáccsal erősített és a nem erősített rétegszerkezet vizsgálata összesen 72 nyíróládás mérést jelentett. A rétegszerkezet tetején vasúti járművet helyettesítő függőleges terhelést nem alkalmaztunk. A mért nyomóerő nem egyezik meg nagyságban pontosan a behatárolási ellenállással, de arányos vele. Így megfelelő mennyiségnek tűnik a georács erősítő hatásának jellemzésére, különböző rétegszerkezetek esetében. A 6. ábra mutatja a mért nyomóerők nagyságának alakulását az egyes nyírási síkokban a hat különböző rétegszerkezet esetében.

A függvénygörbék megszerkesztéséhez kötöttségként adtuk meg, hogy a szemcsés réteg tetején (40 cm magasságban a georács síkja felett) a nyomóerőnek zérónagyságúnak kell lennie.

3. Következtetések
   A többszintes nyíróládával végrehajtott laboratóriumi vizsgálatok során a georács-erősítés és a vasúti ágyazat együttdolgozását kívántuk jellemezni úgy, hogy a rétegszerkezet különböző síkjaiban megmértük a belső nyírási ellenállás nagyságát. A cél eléréséhez az ágyazat különböző síkjaiban állapítottuk meg a nyíróerők nagyságát. A laboratóriumi vizsgálatsorozatban különböző paramétereket vettünk figyelembe, pl. a georács típusa és a rétegszerkezet síkjai. Feltételeztük, hogy a behatárolási ellenállás nagysága, amely az ágyazati szemcsék georácsnyílásokba történő belekapaszkodásából származik, a georács síkjától történő távolodással együtt csökken. Azt is valószínűsítettük, hogy a behatárolási ellenállás nagysága a szemcsés réteg mélységének függvényében nem lineáris módon változik.
   A bemutatott eredmények alapján az alábbi következtetések tehetők:

• Valamennyi georácsfajta jelentős mértékben növelte – az erősítés nélküli esethez képest (lásd a 6. ábrán a zöld görbét) – a behatárolási ellenállás nagyságát.
• A legnagyobb behatárolási ellenállás általában a georács síkja feletti kb. 5–15 cm-es magasságban adódott.
• A behatárolási ellenállás jelentős nagyságú a georács felett kb. 25 cm magasságig.
• A georács síkján a belső nyírási ellenállás nagyobb azokban az esetekben, amikor nagy nyílásméretű georácsot (LA jelűek) alkalmaztunk (RSZ3 és RSZ4 rétegszerkezet), szemben a normál nyílásméretű georácsok esetével (RSZ2 rétegszerkezet). Ennek oka, hogy a zúzottkő szemcsék jobban tudtak behatolni az LA típusú georácsok nagy nyílásaiba, amit a rács alatti homokréteg is segített.
• A geoműanyag által előidézett erősítő hatással kapcsolatosan megállapítható, hogy a rétegszerkezet teljes vastagságára kiterjedően sokkal nagyobb a behatárolási ellenállás, mint a georács és a zúzottkő töltőanyag közötti határfelületen.

Felhasznált irodalom
Berg, R.R., Christopher, B.R. & Perkins, S.W. (2000). Geosynthetic Reinforcement of the Aggregate Base/Subbase Courses of Pavement Structures GMA White Paper II, Geosynthetic Materials Association, Roseville, MN, 176 p.
EN 13450:2013. Aggregates for railway ballast. Fisher, S., & Horvát, F. 2011. Investigations of the reinforcement and stabilisation eff ect of geogrid layers under railway ballast. Slovak Journal of Civil Engineering. 19(3):22-30.
Indraratna, B., Hussaini, S.K.K. & Vinod, J. S. 2013. The lateral displacement response of geogrid-reinforced ballast under cyclic loading. Geotextiles and Geomembranes (39), p. 20-29.  Klompmaker, J., Lenart, S., Copek, G. (2010): Rehabilitation of railway line with geogrid reinforcement – Experiences from field measurements, Proceedings of the 14th Danube European Conference, Bratislava, Czech Republic. Koerner, R.M. (2012). Designing with Geosynthetics, Person Prentice Hall, 6th Edition.
Vollmert, L., Psiorz, C. (2013): Stabilisation of unbound granular layers – reinforcement required? Geotechniek Special ICSMGE, Issue September 2013 Educom BV, Rotterdam o.v.v.