Az útpályaszerkezet felépítése, teherbírása

Átírás

1 Az útpályaszerkezet felépítése, teherbírása Az útpálya a gépjárművek gumiabroncsain átadódó terhelést a burkolaton veszi át, a burkolat továbbítja a burkolatalapra, ez pedig a talapra. A burkolat és a burkolatalap együttesen a pályaszerkezet. A burkolat és az a alap több rétegből áll. Az útpályaszerkezet feladata, hogy a járműforgalom számara biztonságos járműfelületet adjon, és a tervezett élettartamon belül jelentősebb felújítást ne igényeljen. Az útpályaszerkezetben az útpálya felépítésében részt vevő elemek szerkezeti szerepet töltenek be: minden résznek megvan a saját szilárdsági szerepe, emellett szervesen együttdolgoznak, sőt a talaj legfelső része is részt vesz a szerkezet munkájában. A mai útépítés több rétegből álló szerkezetet létesít, sőt ezek mindegyikét külön tudja méretezni, és mindegyik rétegre megállapítja mindazon minőségi jellemzőket, amelyek teljesítése esetén szabad csak a következő réteget elhelyezni. Az útpályaszerkezetek szilárdsági szempontból két fő csoportra oszthatók: - hajlékony - merev szerkezetre. A hajlékony pályaszerkezeteknek aszfalt viszonylag vékony burkolórétegük van, ezzel szemben nagyobb az ez alatti rétegek vastagsága. A merev pályaszerkezet burkolata beton, az előbbiekhez viszonyítva általában nagyobb burkolatvastagsággal, ez alatt a szerkezeti rétegek vékonyabbak, esetleg el is maradhatnak. A két fő csoport között vannak az átmeneti, félmerev pályaszerkezetek. Míg a betonburkolatú pályaszerkezeteket a hajlékony pályaszerkezetektől teljesen eltérő elméleti megoldások alapján méretezzük, a félmerev pályaszerkezeteket a hajlékony pályaszerkezeteknél alkalmazott számítások szerint. A hazai gyakorlatban teherbírás szempontjából a következő módon osztályozzuk a pályaszerkezeteket: Aszfaltmakadám jellegű pályaszerkezet - alapréteg: - makadám, - mechanikai stabilizáció, - más, kötőanyag nélküli szemcsés anyag. - burkolat: - makadám - portalanított makadám,

2 - felületi bevonattal ellátott makadám, - itatott aszfaltmakadám, - kötőzúzalékos aszfaltmakadám, - legfeljebb 7 cm vastagságú hengerelt aszfalt. hajlékony merev CBR földmű teherbíró képességének %-os jellemzője. Vizsgálat: egy 15 cm átmérőjű edénybe zavart talajmintából réteges döngöléssel T rγ = 90%-nak megfelelő tömörségi fokú talajmintát készítenek. Egy sajtóba helyezve egy 50 mm átmérőjű terhelőhengert nyomnak a mintába, leolvassák a (benyomódás) mérőórát, és a (nyomás) dinamómétert, Felrajzolják a p-s terhelésbenyomódás görbéjét. A tömör zúzottkő görbéjét 100%-nak véve, viszonyítják a vizsgált talaj görbéjéhez. CBR% = 100, = 100 % A nagyobbik érték a jellemző CBR% szám. % 2-4% gyenge, elázott vagy nem tömör földmű 5-7% közepesen mérsékelt teherbírású földmű 7-15% megfelelő teherbírású földmű 15-20% jó és kiváló teherbírású földmű

3 Hajlékony pályaszerkezet - alapréteg: - makadám - mechanikai stabilizáció, - más, kötőanyag nélküli, - bitumen kötőanyagú szemcsés anyag, - legalább 1 m 2 -re összetört régi betonburkolat. - burkolat: - 8 cm vagy ennél vastagabb hengerelt aszfalt, - öntött aszfalt, - kő, műkő pl. Viacolor Félmerev pályaszerkezet - alapréteg: - hidraulikus kötőanyagú szemcsés anyag pl. CK, CT, - soványbeton, 2 5 m 2 nagyságú darabokban összetört betonburkolat. - burkolat: - bármilyen aszfalt, - kő, műkő, - idesorolható a betonburkolatra helyezett 8 cm-es és ennél vastagabb aszfaltburkolatú pályaszerkezet. Merev pályaszerkezet A betonburkolatok, és a legfeljebb 7 cm vastag aszfaltburkolattal (vékonyaszfalttal, iszapbevonattal) ellátott, legalább 6 m 2 nagyságú darabokban levő régi betonburkolatok. Az útpályaszerkezettel kapcsolatos alapfogalmak Kopóréteg. Az útpályaszerkezetek és a burkolat legfelső rétege, amely a forgalmi és az időjárási hatások közvetlen elviselésére alkalmas. Felületének kellően érdesnek és egyenletesnek kell lennie, mivel a rajta kialakuló hullámok és keréknyomvályúk rontják az utazáskényelmet és a biztonságot. Kötőréteg. Szerepe a kopóréteg és a burkolatalap rétegei közötti megfelelő együttdolgozás biztosítása, továbbá részt vesz a teherelosztásban és a kopóréteg alakváltozással szembeni ellenálló képességének növelésében. Alkalmazása csak a nagyobb (D és E jelű) forgalmi terhelésű utak építése esetén szükséges. Burkolat. Az útpályaszerkezet legfelső rétege(i) a kopóréteg (és a kötőréteg a nehéz forgalmi terheléseknél). Alátámasztására a burkolatalap szolgál. Burkolatalap. Az útpályaszerkezet egy vagy több rétegből álló része, amely a burkolat által átadódó nyomást jelentősen elosztva és lecsökkentve közvetíti a földmű felületére, megelőzve mind a burkolat, mind a földmű káros deformációját. Felső alapréteg. A burkolatalap felső része, főként bitumenes alap vagy kavicsaszfalt. Alsó alapréteg. A burkolatalap alsó része, amely zúzottkő alap vagy cementes stabilizáció, esetleg bitumenes alapréteg. Közvetlenül fekszik fel a földműre. Földmű. A vonatkozó műszaki előírásokat kielégítő minőségű, teherbíró vagy azzá tett mérnöki létesítmény, amely a földmű teherbírást biztosító talajból, kellő tömörítés és víztartalom mellett épült. Fagyvédő réteg. A földmű legfelső rétegeként épített, szemcsés anyagú védőréteg olyan földműveknél, amelyek anyaga fagyveszélyes, ahol a talajvíz magassága az útpályaszerkezet közelébe érhet, és télen jelentősebb és hosszabb fagyperiódusokra lehet számítani. A fagyvédő réteg a földmű részét képezi. Javítóréteg. A földmű azon legfelső része, amelyet szemcsés anyagból vagy olvadási kárra nem veszélyes talajfajtából készítenek, esetleg a földmű felső részének vagy behordott alkalmas talajnak a stabilizálásával állítanak elő a földmű teherbírásának növelése érdekében.

4 A pályaszerkezettel szemben támasztott követelmények Az útburkolatnak ki kell elégítenie a forgalmi követelményeket, a pályaszerkezetnek pedig kellően állékonynak kell lennie. A forgalombiztonság érdekében a burkolattól kellő csúszásellenállást, a járművek igénybevétele és az utazásminőség érdekében pedig egyenletes (nem kátyús, nem deformálódott) felületet kívánunk meg. A pályaszerkezet állékonyságán azt értük, hogy a pályaszerkezet sem forgalmi terhelés, sem pedig az éghajlati változás hatására sem szenved káros alakváltozást. Az állékonyság tehát azt jelenti, hogy az útpályaszerkezet az alatta levő talajjal együtt teherbíró, a pályaszerkezet anyagai pedig időállók. Míg a felületi tulajdonságok elsősorban burkolattervezési módszerekkel befolyásolhatók, az állékonyság biztosítása méretezési feladat. A kétféle igény nem választható el élesen egymástól, mivel egyfelől a pályaszerkezeten belül kölcsönhatással vannak egymásra, másfelől a külső tényezők hatnak rájuk. Ahhoz, hogy az említett követelményeket kielégítsük, a méretezésnél a következőéré kell figyelemmel lenni: a hajlító-húzó szilárdsággal rendelkező anyagoknak legyen meg az ismétlődő terhelés által keltett, hajlítási fárasztással szembeni ellenálló képessége, azaz a kellő fáradási húzószilárdsága; a hajlító-húzó szilárdsággal nem rendelkező anyagoknak (pl. a talajnak legyen meg az ismétlődő terhelés által keltett nyomással szembeni ellenálló képessége, azaz a kellő nyomószilárdsága; a burkolat legyen képes a vízszintes erők felvételére (fékezés, gyorsítás hatására ne gyűrődjön); a burkolat legyen képes a nyomóerők felvételére (tartós alakváltozást ne szenvedjen, pl. nyomvályú ne alakuljon ki); a külső környezeti hatások (nedvesség, fagy) a pályaszerkezet rétegeit ne károsítsák. Az útpályaszerkezet erőjátéka és teherbírása A terhelés hatására az útpályaszerkezet alakváltozást szenved, és különböző feszültségek keletkeznek benne. Azok a jellegzetes tényezők, amelyeket a pályaszerkezet állékonysága szempontjából figyelembe kell venni, a következők: b behajlás; ε alakváltozás; σ z nyomófeszültség; σ t húzófeszültség; τ nyírófeszültség. A méretezési kritériumok ezen igénybevételi tényezők közül egyet vagy többet kiemelten kezelnek, ezt számítják vagy mérik és hasonlítják össze a vizsgált anyagra megengedett igénybevétellel:

5 A hajlékony pályaszerkezet a rá jutó terhelést kisebb felületen adja át a talajnak, mint a merev szerkezet. Ha a talajban ugyanakkora feszültséget engedünk meg mindkét esetben, akkor a hajlékony pályaszerkezetet vastagabbra kell készíteni, mint a merevet. Az útpályán haladó jármű hatására a burkolat behajlik, a pályaszerkezetbe hajlítófeszültségek ébrednek. Minél nagyobb tömegű a kerék, annál nagyobb a behajlás és a keletkező feszültségek. A kerékterhelés a forgalom nagyságának megfelelően több ezerszer, milliószor ismétlődik. Ez a terhelésismétlődés fárasztja a burkolatot. Az útpályaszerkezet teherbírása azt a határ-igénybevételt jelenti, amelynek túllépése esetében a rendeltetésszerű használatra alkalmatlan állapot bekövetkezik. Az útpályaszerkezetek igénybevételét a mozgó kerékterhelés jelenti. A pályaszerkezet teherbírása az ismételt kerékterhelések nagysága, száma és a behajlások nagysága alapján fejezhető ki. A hajlékony útpályaszerkezetek teherbíró képességének mérése a burkolat felszínén alkalmazott terhelés hatására bekövetkező függőleges alakváltozás (behajlás) méréséből áll. A terhelés átadható terhelt gumiabronccsal vagy acél körlemezen - tárcsán - keresztül. A hajlékony pályaszerkezetek méretezése A pályaszerkezet megerősítésének megtervezése némileg eltér az új pályaszerkezet és a meglévő pályaszerkezet esetében. Új pályaszerkezet esetében a folyamat általában a következő tervezési modulokat foglalja magában: Forgalom. A tervezési forgalom számításának két célja van: a geometriai és a vastagsági méretezés. A számított vagy becsült tervezési forgalom a vastagsági méretezés számára is megadja az alapinformációkat. Így számolható a 100 kn egységtengelyek mértékadó száma. Környezet. A környezeti tényezők közül a legfontosabbak a talajfajták feltárása, a felszíni és felszín alatti vizek helyzete, a domborzat, a csapadék, a hőmérséklet, a fagy, a szélirány. A környezeti tényezőket a geotechnikai szakvélemény foglalja össze, és javaslatot tesz a tervezőknek a szükséges intézkedésekre (pl. szivárgók, talajcsere, hófúvás elleni védelem stb.). Anyagok. Az anyag megválasztásának két szempontja van: legyen alkalmas arra az igénybevételre, amelyet a forgalmi terhelés kelt, továbbá gazdaságos legyen. Vastagsági méretezés. Valamely méretezési rendszer szerint történik. A hazai javaslat típus pályaszerkezeteket ad meg. Ellenőrzés fagyveszély szempontjából. Az érvényben lévő műszaki utasítás szerinti ellenőrzést kell elvégezni.

6 Költségszámítás. Ha lehetőség van alternatív pályaszerkezetek megtervezésére, a költségszámítás döntheti el a legkedvezőbb változat kiválasztását. Meglévő pályaszerkezet megerősítésének tervezése a következő folyamat szerint megy végbe: Forgalom. A forgalom a rendszeres forgalomszámlálások alapján ismert, és a tervezési időtartam alapján jó közelítéssel előre becsülhető. Állapotjellemzők. Részletes feltárás szükséges, amelynek alapján meg kell határozni a rongálódás okát. Külön kell választani azt az esetet, amikor a beavatkozás burkolathiba miatt válik szükségessé (ez fenntartási feladat), vagy a teherbírás csökkenése a beavatkozás oka. Anyagok. Lényegében azonos az új pályaszerkezet esetében tárgyaltakkal. Vastagsági méretezés. A behajlásmérési adatok és az ezen alapuló méretezési rendszer szerint végezhető. Hazai típus pályaszerkezetek Az azonos forgalmi kategóriákba tartozó pályaszerkezetek közül a helyi körülmények, a rendelkezésre álló anyagok figyelembevételével, műszaki, gazdasági megfontolások, elemzések alapján kell kiválasztani az optimális megoldást. Méretezés az anyagok egyenértékűsége alapján Az egyes méretezési rendszerek - ez különösen érvényes a típus pályaszerkezeteknél - meghatározott minőségű anyagokat tételeznek fel. Az egyenértékszámokon alapuló méretezéseknél a pályaszerkezet egyenérték-vastagságát a következőképpen számíthatjuk: H e = Σh 1 e 1 ahol a H e szükséges vastagságot a talaj tervezési teherbírása (pl. CBR-száma) és a tervezési forgalom szerint megadott méretezési görbék segítségével kapjuk; h 1 az egyes pályaszerkezeti rétegek tényleges vastagsága; e 1 a h 1 vastagságú rétegek egyenértékszáma. Ellenőrzés fagykárokra A megfagyott víz térfogat-növekedése a pályaszerkezeti rétegekben és a talajban fagykárt okoz. Az aszfaltburkolat nem érzékeny a fagyra, kivéve, ha a hajszálrepedéseken keresztül víz jut be. A fagyhatás csak meggyorsítja azt a rongálódási folyamatot, amelyet valamely más hatás indított el (pl. fáradás). A szemcsés alaprétegben akkor keletkezhet fagykár, ha maga a szemcsés anyag fagyveszélyes. A pályaszerkezeti rétegek fagykára megfelelően megválasztott anyagok alkalmazásával elkerülhető. Más a helyzet a talajok esetében. A jéglencsés fagyás jellemzője, hogy a finomszemcsés talajokban kialakuló fagyási gócok térfogat-növekedést okoznak, és ha vízutánpótlás is fennáll, ez tovább növeli a jéglencse térfogatát. Végső soron az ilyen fagyási gócok a felszínt több centiméterrel megemelhetik.

7 Hazánkban sokkal gyakoribb az ún. olvadási kár, amelyet a talajfagy felengedése idején a talaj túlzott elnedvesedése és ennek következtében teherbírásának csökkenése okoz. Az olvadási kár különösen akkor veszélyes, amikor a felengedett talajréteg alatt réteg fagyott, tehát vízzáró réteg van. Ha ilyenkor csapadékvíz jut a pályaszerkezet alá, a fagyott réteg miatt nem tud elszivárogni, és folyós, teherbírás nélküli talajréteg keletkezhet. A jéglencsés fagykár független a forgalomtól, az olvadási kárt viszont a forgalom váltja ki. Az olvadási károk ellen az erre veszélyes talaj kizárásával (talajcsere, fagyálló talaj beépítése), továbbá a vízutánpótlás megelőzésével lehet védekezni. A forgalmi terhelésre méretezett pályaszerkezetet meg kell vizsgálni abból a szempontból, hogy van-e fagy- és olvadási kárveszély, vagyis a pályaszerkezet össz-vastagsága elegendő-e az adott talaj- és víztelenítési viszonyok között a kár megelőzésére. A károk megelőzésére a következő alternatív megoldások lehetségesek: fagyálló anyagból olyan vastag védőréteget kell beépíteni, hogy teljesüljön a következő összefüggés: h v = F Σ (h i f i ) cm ahol h v a védőréteg szükséges vastagsága; h i az egyes rétegek vastagsága; F az éghajlati körülményeket jellemző állandó táblázat szerint; f i az egyes pályaszerkezeti rétegeknek az anyagjellemzője; a talajvízszintet kellő mélységig le kell süllyeszteni. Védőréteg szerepe és anyaga A védőréteg a pályaszerkezet és a földmű határán készül, az alap legalsó rétege, kb cm vastagságban, többnyire kavicsos homokból. Egyben a szűrőréteg szerepét is betölti, a pályaszerkezet alá juttatott vizet oldalt elvezeti a töltésrézsűre vagy árokba, a bevágás szivárgó rendszerébe. A védőréteg jelentős védelmet nyújt a felette levő pályaszerkezeti rétegeknek. Jelentős méretekben részt vesz a teherelosztásban, Védi a földművet az elnedvesedéstől

8 Védőréteg alkalmazási lehetőségei