Az M4 autópálya Abony-Fegyvernek közötti szakaszán található B1107. jelű Tisza folyó feletti műtárgy alapozásának tervezése

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: Az M4 autópálya Abony-Fegyvernek közötti szakaszán található B1107. jelű Tisza folyó feletti műtárgy alapozásának tervezése Designing of the foundation of object with code B1107 on M4 freeway between Abony and Fegyvernek Moór Dalma Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, ÖSSZEFOGLALÁS: A Tisza-folyó feletti műtárgy alapozásának a tervezése során külön részletezem a cölöpök és a cölöpösszefogó fejtömb tervezését. CFA és támaszfolyadék védelmében fúrt cölöpöt használtam a munkám során. A rendelkezésemre álló CPT szondázások alapján számoltam a cölöpellenállásokat, ami a legmegfelelőbb cölöpfajta kiválasztásában segített. A számításaim egy hídpillérre és egy hídfőre különböző átmérőjű cölöpök esetében részleteztem. A cölöpök kiosztását ezek után tudtam elvégezni. Egy véges elemes program segítségével modelleztem a cölöpösszefogó fejtömböt és a cölöpöket, amihez szükségem volt a rugóállandók kiszámítására. A modellezés az Axis VM 12 programban történt. 15 féle terhet vettem figyelembe, amelyek hatással voltak a szerkezetre. A teherkombinációkat úgy választottam ki, hogy azok lehető legjobban modellezzék a használat közben a szerkezetre ható tehercsoportosításokat. A számítás során a szerkezeti elemnél igyekeztem a minden szélsőséges esetre megvizsgálni azt, hogy az megfeleljen a statikai követelményeknek. ABSTRACT: I detail necessary models design in the foundation of the design over the Tisza River. I used CFA and the protect the base fluid bored pile in my work. I calculated the available to based on CPT soundings the pile resistances, which assisted in the selection of the most appropriate kind of pile. I detailed the calculations for piers and bridgehead piles of different diameter. Then the piles layout could be carried. A finite element program was modeled on the necessary models, which I needed to calculate the spring constants. The modeling of Axis VM 12 program was used. I was taking 15 different load, that have affected the structure. The appropriate load combinations were choosen to model the loads on the bridge. During that I looked into the extreme cases. Kulcsszavak: CFA, CPT, véges elemes program keywords: CFA, CPT, finite element program 1 BEVEZETÉS A közúti forgalom egyre nagyobb növekedése miatt igény van új utak építésére, így ilyen esetekben legcélszerűbb a települések elkerülésére törekedni, ezzel csökkenthető a városok forgalma. Zajterhelés és útfenntartás szempontjából is előnyös ez a megoldás. Az autópálya építésének fő indoka távolabbi helyek gyorsabb elérése közúton. A fent említett szempontok hatására kezdeményezték az M4-es autópálya megépítését is. Diplomamunkám során az Abony-Fegyvernek közötti Tisza-híd cölöpalapozását terveztem. A kidolgozás során többféle cölöptípust kipróbáltam, melyek közül a legoptimálisabb került részletezésre. Az alapozás AxisVM 12 programban került feldolgozásra. 2 HELYSZÍNBEMUTATÁS 2.1 Elhelyezkedés, geológia A híd pontosan Magyarország keleti részén, Jász-Nagykun-Szolnok megyében épül, a folyó Szolnok és Tiszapüspöki közötti szakaszán. A terület Magyarország Kistájainak Katasztere szerint a Szolnokiártérben helyezkedik el (lásd: 1. ábra).

2 Moór 1. ábra. Szolnoki-ártér (Szolnok Floodplain) A felszín alatti rétegekben főként pleisztocén üledékekkel találkozhatunk, ami 400 méter mélységű is lehet. Azonban a felszín közelében holocén öntésiszap, öntésagyag van. Kicsit nyugatabbra pedig lösz is előfordulhat. A földrengési osztályba rendezés esetén az építési terület, az altalaj és az épület kategorizálását együttesen kell figyelembe venni. A talajrétegek a talajrétegződés alapján D altalajosztályba sorolhatók, azonban szeizmikus mérések igazolták, hogy a C altalajosztály is megfelelő. Az adott térség második geotechnikai kategóriába sorolható, ami azt jelenti, hogy tipikus talajkörnyezetű, szokásos természeti hatásokkal érintett. Egyaránt laboratóriumi és terepi vizsgálatok is szükségesek. (lásd: 1. táblázat) 1. táblázat. Eurocode 7 szerinti geotechnikai kategóriák (According to Eurocode 7Geotechnical categories) 2.2 Talaj- és talajvízviszonyok A fúrások alapján megállapítható, hogy legfőképpen homok, iszap és agyag keveréke fordul elő a vizsgált területen különböző arányokban. Mélyülve változhat a talaj színe, plaszticitása, szervessége is. Legkevésbé jelentős mennyiségűnek az iszapot mondhatjuk, főként nyomokban található meg a homokban és agyagban. Kimagaslóan szürke és barnásszürke színű talajokra bukkanhatunk, viszont néhol a sárgásbarna, világosszürke, sőt a nagyon jó minőségű fekete, erősen szerves föld is előfordul. 432

3 Tiszai híd alapozása A fúrások helye geodéziai mérésekkel lettek pontosítva az EOV koordinátarendszer segítségével. A feltárások talppontjai a felszíntől mérve 35 méter, 36 méter, 38 méter és 40 méter, mindegyik mélységűből 2 darab készült. Annak érdekében volt erre szükség, hogy könnyebb legyen következtetéseket levonni. Zavart minták vételezése történt, kivétel kötött talaj esetében, ugyanis ott a zavartalan minták nélkülözhetetlenek voltak. Statikus nyomószondázásokat (CPTu) is csináltak minden egyes geotechnikai fúrásnál, aminek a célja az volt, hogy fizikai tényezők is rendelkezésre álljanak a tervezéshez. A laboratóriumi vizsgálatok alapján a mért szulfátion tartalom szerint a mintát a nem agresszív és az XA1 környezeti osztályba tudjuk sorolni. Tehát a szükségszerű betonreceptúrát az XA1 osztálynak alkalmasan kell kivitelezni. Az elvégzett feltárásokban mind megjelent a talajvíz. A fúrásokban a nyugalmi talajvízszint 4,9 és 8,2 méter között, míg a megütött talajvízszint 5 és 9,5 méter között mozog. A talajvíz megjelenésének az oka a Tisza közelsége, a terület árvízveszélyes, így a magasabb vízállás akadályozhatja a munkát. A híd alapozásának elkészítése során gondolni kell a megjelenő talajvíz távoltartására is. Ehhez ajánlott a munkálatok megkezdése előtt az alapok környezetében az aktuális talajvízszintet szivattyúzással csökkenteni, és azt addig fenntartani, amíg az alapba kerülő beton a kellő szilárdságot el nem éri. Amennyiben szükséges, a víz távoltartását a betonozásra kerülő szerkezettől, szádfalazással is elősegíthetjük. 3 A CÖLÖP ELLENÁLLÁSÁNAK SZÁMÍTÁSA CPT SZONDA ALAPJÁN 3.1 CPT szondázás A CPT, Cone Penetration Test egy olyan statikus szondázási forma, amelynél konstans sebességgel a talajba juttatunk egy 60 -os csúcsú szondát. A szondafej cm 2 felületű. A sajtolási sebesség 2 cm/s gyorsaságú. A szondázás során a fajlagos csúcsellenállás, a fajlagos palástsúrlódás és a pórusvíznyomás értékeit kapjuk meg. A CPTu szonda eredményein alapuló leggyakoribb geotechnikai alkalmazások: - a talaj rétegződésének és állapotának megismerése - sík és mélyalapok (cölöpök) teherbírásának számítása - süllyedésszámítás - konszolidációs idő számítás - szalagdrén tervezés - mélytömörítés, kavicscölöpözés hatékonyságának minősítése A cölöpellenállás számítása7 R c = R b + R s = A b * q b + K cölöp * h i * q si (1) R c a cölöp nyomási ellenállása R b a cölöp talpellenállása R s a cölöp palástellenállása A b a cölöptalp keresztmetszeti területe q b fajlagos talpellenállás K cölöp a cölöp kerülete h i a talajrétegek vastagsága q si fajlagos palástellenállás rétegenként. Karakterisztikus értéke: Bármely karakterisztikus érték az egyes számítások eredményeinek átlagának illetve a legkisebb ellenállásnak egy korrelációs tényezővel csökkentett értéke. (2) R k ellenállás karakterisztikus értéke 1 Forrás: 433

4 Moór (R k,m ) átlag összes számítási eredmény átlaga (R k,m ) min a legkisebb számított ellenállás ξ átlag ; ξ min korrelációs tényezők 2, amit táblázatból lehet kinézni. Tervezési értéke: R c,d a teljes cölöp tervezési ellenállása R c,k a teljes cölöp karakterisztikus ellenállása γ t parciális tényező 3 (3) 3.3 Nyomási ellenállások tervezési értékeinek összefoglalója 2. táblázat. Cölöpellenállás összegző táblázat / 1 (Pile Resistance summary table / 1) 3. táblázat. Cölöpellenállás összegző táblázat / 2 (Pile Resistance summary table / 2) 3.4 Cölöphosszak meghatározása Mindkét esetben a támaszfolyadék védelmében fúrt cölöpöt választottam ϕ120 cm átmérővel. Ebben az esetben 1. számú támasznál 33,5 méteres, a 4. számú támasznál 39,5 méter hosszú lesz a cölöp. 2 Forrás: Huszák Tamás: Földalatti műtárgyak, mélyalapozás (BMEEOGTAS11) Gyakorlati segédlet 3 Forrás: Huszák Tamás: Földalatti műtárgyak, mélyalapozás (BMEEOGTAS11) Gyakorlati segédlet 434

5 Tiszai híd alapozása CFA cölöp a hosszak nagyságai alapján teljesen kizárhatók, mert ilyen hosszúságú cölöpöket ebből a fajtából nem gyártanak. Az 1 méteres átmérőjű zagyos fúrt cölöpök elkészítéséhez kevesebb betonmennyiség elegendő, azonban az 1,20 méter átmérőjűhöz képest nagyobb hosszúságúra feleltek meg, amely hosszakat már lehetetlen kivitelezni. A nagyobb átmérőjű rövidebb cölöpök kivitelezése is már nehézkes. 4 CÖLÖPKIOSZTÁS A cölöpöket összefogó fejtömböt, valamint a cölöpök számát a külső konzulensem által ajánlott méretűre és számúra vettem fel es és a 4-es számú támasz esetében a kiosztás Az 1-es hídfő cölöpösszefogó fejtömbje 6 méter széles és 28,6 méter hosszú. 12 cölöp elhelyezése a legcélszerűbb, 2 sorban 6 6 cölöp. A szaggatott vonal a felmenő pillért ábrázolja. A 2. ábra mutatja meg a cölöpök, a cölöpfej és pillér elhelyezkedését. A 4-es pillér fejtömbje 11,4 méter széles és 27,5 méter hosszúságú. 30 db cölöp kerül beépítésre. 8, valamint 7 darab található 1 oszlopban. A 3. ábra mutatja meg a cölöpök, a cölöpfej és a 4-es pillér elhelyezkedését. 2. ábra. Cölöpkiosztás az 1-es támasznál (Pile arrangement of 1 at support) 3. ábra. Cölöpkiosztás az 4-es támasznál (Piling arrangement of 4 at support) 5 RÉSZLETES SZÁMÍTÁS Diplomamunkám során nem csak a cölöpellenállás számításának bemutatása szükséges, hanem az ágyazási tényezők, alakváltozások részletezése is fontos. A következőkben ezeket fejtem ki bővebben az egyik pilléren. 5.1 Cölöpösszefogó fejtömbhöz tartozó rugóállandó A fejtömbnél az ágyazási tényezőt tapasztalati értékként veszem fel. Ebben az esetben k átl = 4000 kn/m 3. Itt arra kell figyelni, hogy kívül nagyobb rugóállandót kell alkalmazni, mint belül. Ez azért szükséges, mert a belső rész kisebb mértékben dolgozik, és a számításban ezt így tudom figyelembe venni. (4. ábra) k belső = 0,6 k átlag (4) k külső = 1,13 k átlag (5) 435

6 Moór 4. ábra. Cölöpösszefogó fejtömb (Pile cap head block) 5.2 Cölöphöz tartozó rugóállandó A cölöphöz szükséges ágyazási tényező meghatározásához egy képletre és egy diagramra van szükségem. Az alábbi képlet alapján lehet meghatározni: (6) R c [kn] a cölöp nyomási ellenállása, s [m] süllyedés, amit fent említett diagram alapján lehet meghatározni. 5.3 Rugóállandó a tengelyre merőleges terhelésre A vízszintes ágyazási tényezőt a következő képlettel tudom kiszámolni: k oi [kn/m 3 ] - a D mélységben vett ágyazási tényező, z [m] - a cölöptömb alapozási síkjának a mélysége az adott réteg középvonalához képest D [m] - a cölöp átmérője. A k oi D mélységben található ágyazási tényezőhöz pedig a következő képletet kell alkalmazni: (7) E si [kpa] összenyomódási modulus az adott talajrétegben, D [m] a cölöp átmérője. (8) 5.4 Rugóállandók cölöpcsoport esetén Cölöpcsoport esetén a rugóállandókat csökkenteni kell, attól függően, hogy hol helyezkedik el az adott cölöp. Minden cölöp kap egy-egy számot 1 4 ig és a szám határozza meg, hogy mekkora lesz a szorzója. Esetemben a következőképpen kapja a számozást a cölöpcsoport x és y irányban (5. ábra). Az egyes számokhoz a következő táblázatban látható a szorzó kiszámításának módja (4. táblázat): 4. táblázat. Az egyes cölöpökhöz tartozó csökkenő tényező (Reduction factor for each pilings) 436

7 Tiszai híd alapozása 5. ábra. Cölöpcsoportok esetében a cölöpök számozása x és y irányban (The piles for pile groups numbering x and y directions) A csökkentő szorzókat 2 diagram alapján tudom meghatározni, amik a 6. ábrán láthatók: 6. ábra. A csökkentő szorzók meghatározásához szükséges diagramok (Necessary diagram for the determination of reducing factor) Az ágyazási tényezőt, amit a csökkentő szorzókkal meg kell változtatnom, a következő képletből kapom: R x [kn] vízszintes erő, amivel a cölöpöt terhelem e x [m] a cölöp elmozdulása az R x erő hatására. (9) 5.5 Rugóállandó nyomaték hatására A nyomaték miatt keletkező ágyazási tényező a követező képlet alapján határozható meg: (10) M z [knm] z tengelyű forgatónyomaték, f z [rad] a z tengelyű forgatónyomatékból származó elfordulás. 6 VÉGES ELEMES MODELLEZÉS 7. ábra. A fejtömb térbeli modellje (Three-dimensional model of the head block) 437

8 Moór 8. ábra. A cölöp térbeli modellje (Three-dimensional model of the pile) 7 ÖSSZEFOGLALÁS Diplomamunkám megírása során fő célom a legkedvezőbb megoldás megtalálása volt minden egyes részfeladatnál. Első feladatom a legmegfelelőbb cölöptípus kiválasztása volt, amelyet úgy sikerült megtalálnom, hogy különböző geológiai paraméterek és talajviszonyok ismeretében 3 féle cölöptípust vizsgáltam meg, ezeknek megismertem különböző előnyeit és hátrányait, végül a CPT szondázás eredményeképpen kapott adatok felhasználásával kiderült, hogy számomra melyik típus a legoptimálisabb gazdaságossági szempontból és szerkezeti kialakítás alapján. Az általam használt cölöpfajta végül a támaszfolyadék védelmében fúrt cölöp lett. A 4-es számú pillérnél a cölöp 120 cm átmérővel és 39,5 méteres hosszal kerül kivitelezésre. Az 1. számú hídfőnél ugyanez a fajta lett a legideálisabb, ugyanígy 120 cm átmérővel, viszont 33,5 méter hossz elegendő ebben az esetben. A következő lépés a cölöpök elosztása volt a cölöpösszefogó fejtömbön, amelynek méreteit a konzulensem által javasolt méretűre vettem fel. A 4. támasznál 30 db cölöpöt 4 oszlopban osztottam szét 7 és 8 sorban, míg az 1. támasznál 12 db cölöpöm 2 oszlopba és 6 sorba került. A részletes számítást a 4. számú pillérre kifejtve mutattam be. Részletes számítás során megkapott ágyazási tényezőket az Axis modell megalkotásánál használtam fel. 5 féle rugóállandó kiszámítását végeztem el. A függőleges rugóállandókat a cölöpösszefogó fejtömbhöz, majd az egyedi cölöphöz is kiszámoltam. A cölöphöz még a tengelyre merőleges terhelésekből adódó rugóállandót is számítottam, a cölöpcsoport esetében való elmozdulás, továbbá elfordulás hatására is külön rugóállandó lett figyelembe véve. További feladatom a cölöpösszefogó tömb, és a cölöp modellezése volt. AxisVM 12 program segítségével. A feladat teljesítése során a konzulensem által szolgáltatott adatokkal dolgoztam. IRODALOMJEGYZÉK Móczár Balázs: EUROCODE 7 A tervezés alapjai c. előadása Smoltczyk U.: Geotechnical Engineering Handbook Marosi Sándor, Somogyi András: Magyarország kistájainak katasztere BME Geotechnika, BMEEOHSAT16 segédlet a BME Építőmérnöki Kar hallgatói részére Faur Krisztina Beáta, Szabó Imre: Geotechnika Huszák Tamás: Földalatti műtárgyak, mélyalapozás, Gyakorlati segédlet (2013.) Farkas József, Józsa Vendel: Alapozás (2014.) Bohn Krisztina: Speciális mélyépítés c. előadása Rémai Zsolt: Töltések alatti, vízzel telített agyagok vizsgálata (2012.) Szepesházi Róbert: Cölöpalapok méretezése az Eurocode 7 követelményei szerint DINAMIXER Kft.: A környezeti hatások, kitéti osztály GEO-ENGINEERING Kft.: A CPT szondázásról általában 8&hq=&hnear=0x bd6b7fdb:0x3ae1ca08c10a47c9,Tiszap%C3%BCsp%C3%B6ki&gl=hu&e i=qaggu8oxkkpkywpuw4hwaq&ved=0cc0q8gewaa 1 Forrás: %C3%A1rt%C3%A9r.png 438