K+F JELENTÉS. B&C módszer feltárása. A.) Bevezető A COLAS megbízására jelen előkutatás célja annak az európai kutatásnak az

Átírás

1 K+F JELENTÉS HELYSZÍNI, NAGYFELÜLETŰ, DINAMIKUS TÖMÖRSÉGMÉRÉS KIFEJLESZTÉSE HELYAZONOSÍTÁSSAL ÉS A TÖMÖRÍTŐ HENGEREK SÜLLYEDÉSÉNEK FOLYAMATOS MÉRÉSÉVEL B&C módszer feltárása A.) Bevezető A COLAS megbízására jelen előkutatás célja annak az európai kutatásnak az előkészítése, hogy nagyfelületű gépi tömörítés során a hengerre szerelt szintmérő a tömörítő henger által okozott tömörödési süllyedés folyamatos mérésével mérni lehessen a tömörségi fokot, a teljes tömörített felületen. A végső állapot rögzítése, mint minősítési dokumentáció jelenhet meg, a ténylegesen elért relatív és abszolút tömörségi fokról, a teljes felületen. A módszer kiterjeszthető a dinamikus teherbírás mérésére, valamint a géplánc vezérlésére, akár személyzet nélküli robotvezérlés kialakításával, a korszerű GPS helyazonosítás alkalmazásával. Ezidáig a tömörség nagyfelületű mérése nem volt megoldott, bár jelentős törekvések tapasztalhatók ebben az irányban. A mélyépítés két legfontosabb minősítő paramétere a tömörség és a teherbírás. Az elterített rétegek tömörítéséhez is kell egy minimális mintegy MPa teherbírás, melynek értéke magasabb tömörségi igények felé emelkedő. Világszerte új megoldásokat keresnek a tömörségi fok meghatározására az utóbbi időben, mely az izotópos mérési módszer kiváltására alkalmas lehet. Ezek egy része a próbatömörítésen bevált és méréssel igazolt technológia ellenőrzésére szorítkozik, a hengerjáratok számának, beállításának ellenőrzésével. Másik lehetőség a könnyűejtősúlyos berendezéssel (LFWD-vel) ellenőrzött teherbírási homogenitás, mely helyszíni dinamikus modulus méréssel egy homogén teherbírást vár el, a kellően tömörített felülettől. Ez a tömörségi fok mértékének meghatározására alkalmatlan, a 1

2 homogén teherbírás elérésével csak feltételezzük, hogy a tömörsége is megfelelő. Az erre utaló kis alakváltozás megengedése valóban jelezheti a tömörség megfelelőségét, de bizonyosságot csak a tömörödési görbe alakja nyújthat. További ismert lehetőség a CCC-módszer (Continuous Compaction Controll), melyet Adam & Kopf publikált 2004-ben. Ők a hengerekre szerelt gyorsulásmérőkkel különböző paramétereket (pl. omega) számítanak, melyektől elvárják, hogy a próbatömörítéskor megállapított jellemzőket hozzák. B.) Előzmények Magyarországon 2002-től folynak kutatások a dinamikus tömörségmérési módszer kidolgozására és az ehhez szükséges mérőberendezés előállítására, mely EU szabadalmat kapott. A módszer összefüggést talált a Proctor vizsgálat konstans száraz tömegéhez tartozó térfogatkülönbségek (tömörségi fok) és a mért alakváltozás között. Egy módosított, dinamikus könnyűejtősúlyos berendezéssel létrehozott tömörödési görbe egy adott relatív tömörségi fokot határoz meg. A módszer tesztelése kedvező tapasztalatokat mutat. Nem volt eddig lehetséges, hogy a tömörítő hengerek alatti anyagréteg süllyedéséből megállapítsák a tömörödési görbét egy adott pontra, valamint hogy a tömörödési görbéből a földmű, pályaszerkezeti réteg tömörségét, tömörségi fokát megállapítani lehessen. Jelen előkutatás egy magyar know-how alapján olyan megoldás kidolgozását adta, mellyel a teljes munkába vett felület tömörsége, annak változása, a hengerek alatti réteg tömörödési alakváltozásának és víztartalmának mérésével (gyorsulásmérővel, vagy lézerszint méréssel) meghatározható. 2

3 A rendszer a felület mért pontjának azonosítására az önmagában ismert GPS (Global Positioning System) rendszert alkalmazza. Jelentős, hogy a tömörödési görbe megfelelő értelmezéssel éppúgy alkalmas a dinamikus TEHERBÍRÁS, mint a TÖMÖRSÉG számszerű és a hagyományokkal egyező mérnöki jellemzésére. Ha a módszer a teljes felület mérésére és nagyfelületű minősítésére alkalmas, akkor egyben lehetőséget teremt a visszacsatolásra is, azaz lehetséges a munkagépek automatikus vezérlése, mely a szubjektív hibákat kiküszöbölheti. Az embertől függetlenül végzett vezérlés, az automatizált géplánc a különböző tömörítő hengereken túl KIEGÉSZÍTHETŐ a nedvesítéshez szükséges locsoló kocsikkal, fellazítást végző karmos boronával, vagy tárcsával, gréderrel. A megcélzott nagyfelületű mérési-minősítési módszer megvalósítása az emberi tényezőket, hibalehetőségeket a legnagyobb mértékben képes kiküszöbölni és egyben egy időkorlát nélküli, folyamatos munkavégzés lehetőségét teremtheti meg. A módszer elméleti felépítése: - Hengerek alatti réteg tömörödési alakváltozásának és víztartalmának mérése mátrixok kialakításával. - Mérőberendezés és adatgyűjtő berendezés kialakítása. - Tömörödési görbék mérése és feldolgozása - Próbatömörítések elvégzése laboratóriumi előkészítéssel, tömörség különböző módszerekkel történő mérésével, 3

4 - a CCC módszer adaptálása Trg%-ot minősítő 3D felületre Ahhoz, hogy a hengerre szerelt gyorsulásmérőkkel, vagy alakváltozás mérésével meghatározzuk a tömörségi fokot, az alábbi feltételeket kell biztosítani és ellenőrizni: - A tömörített anyag víztartalma változatlan, vagy annak tekinthető legyen. - A tömörödő munka (gép) azonosítható, vagy azonos. - Rétegvastagság kisebb, vagy egyenlő, mint a határ-rétegvastagság. - A töredezett réteg alatt megfelelő ellenfelület áll rendelkezésre a tömörítéshez. - A dinamikus tömörségi fok független a sűrűségtől. - A különböző munkával tömörített egyazon anyagok tömörödési görbéi egymással párhuzamosak. Ez a dinamikus tömörségmérés elméletében azonos tömörségi fok változást jelent. A párhuzamos alakváltozási görbék esetén mindig ugyanazt a relatív tömörségi fokot kapjuk, mely a végértékre (100%) vonatkoztatható. - Adott állapotú adott anyagnál adott tömörségi fok változást előidéző munkavégzés mennyisége azonos. Nagyobb tömörítő henger gyorsabban tömörít, a kisebb egyáltalán nem, vagy lassabban. A minimálisan szükséges hengertömeg behatárolható. - A tömörségi fok változás a teljes tömörség elérésekor (100%), nyer értelmet azzal, hogy ha a ΔT r %-ot a 100%-ból levonjuk, megkapjuk a henger alatti aktuális tömörségi fokot. - A száraz térfogatsúly növekménye a tömörödő munka függvényében - arányos a laboratóriumi Proctor-munkával - különböző víztartalmaknál. - A tömörödési görbe alakja a matematikailag az y=c*e -x/d formulával meghatározható, függetlenül attól, hogy a teljes tömörödési görbe mely szakaszában tart éppen a tömörítés. A formula pontosabb meghatározására a görbe első felében kedvezőbb lehetőség nyílik, mint a második felében, ezért a kezdeti tömörödés mérése fontosabb 4

5 - A tömörödési görbe Y tengelyén a tömörödési alakváltozást ábrázoljuk, míg az x tengelyen az idő, vagy időarányos fizikai jellemző, pl. munkavégzés lehet. Előnye az alakváltozási görbe számításának, hogy a mért pontok egyforma súllyal vesznek részt az alakváltozási görbe meghatározásában, ezért a pontok bizonytalanságai jól kiszűrődnek. - Az alakváltozási görbe egyes tényezői várhatóan anyag-függőek, mások kizárólag a tömörítési módtól függenek. Ezek viselkedése és eredményei más anyagokra, például az aszfaltlaboratóriumi girátoros tömöríthetőségi vizsgálatokból már jól ismertek. - Az alakváltozási görbe Δt, egyenlő idő, vagy ΔW közült tömörítési munka szakaszokra osztható, így léptékként az egymást követő pontok közötti süllyedés különbség számítható az alakváltozási görbéből. - A tömöríthetőség függ a víztartalomtól, ezért a rétegre jellemző víztartalom mérése a tömörítés során (adott időközönként, vagy folyamatosan, adott rétegben több mintavételi helyen) szükséges. A nedvességkorrekciós tényező és az elérhető relatív tömörségi fok megszabja, hogy a tömörítés egyáltalán elkezdhető-e, vagy értelmetlen és locsolás, vagy szárítás szükséges inkább. A tömörödési görbe vége általában csak akkor vízszintes (konstans), ha az alatta lévő réteg teherbírása elegendő, ellenkező esetben csak lineárissá válik és =konst. szöget zár be a vízszintes tengellyel. C.) A módosított Proctor vizsgálat tömörség-víztartalom görbéjének alakja és jellemzői Az Andreas Kft-ben folyó adatgyűjtés lehetővé tette a Proctor vizsgálatok, és a kistárcsás FWD készülékkel mért dinamikus tömörségmérések tömörödési görbéjének matematikai elemzését, a görbe egyenletének, összefüggéseinek tudományos meghatározását. 5

6 Alaphalmaznak tekintettük a vizsgálódásaink szempontjából a 2005 évi KTI körvizsgálatot, ahol 18 anyagra 28 laboratórium végzett párhuzamos vizsgálatot. A nagy számú mérésen túl jelentős, hogy az ismételhetőség is reprezentálódik a halmazban. A feldolgozás során a mért adatokon kívül (általában 4 víztartalomhoz tartozó 4 száraz testsűrűség), a nedves ágon további három fiktív pontot vettünk fel úgy, hogy a felvett víztartalom és a mérésnél alkalmazott legnagyobb víztartalom különbsége legalább 3-4% legyen. A nedves ágon a mérés már nehézkes, a telített mintából a víz kifolyik. Ez az oka annak, hogy ezek a fiktív pontok melyek a telítési vonalakhoz simulnak jóval nagyobb megbízhatósággal rendelkeznek, mint a mért pontok, ebben a tartományban. Azt tapasztaltuk, hogy az eredmények nagyon különböznek egymástól. Minél szárazabb a minta, a száraz testsűrűségek értékei szétszórnak. Néhány mintánál igen rossz eredmény adódott. A ρ dmax értékei nem egyértelműek, így a tömörségi fok tág határokban terjed. Finomszemű homok (1) 1. Finomszemű homok 1. Finomszemű homok sz ár az sz áraz A telítési vonalakat valamennyi ábrán feltüntettük. A bal oldali ábrák az elsőnek kapott értékek ábrázolása, míg a jobb oldali a 3-4% os víztartalom távolságra javított értékek összesített ábrája, anyagtípusonként. 6

7 Iszapos homokliszt (2) 2. Iszapos hom okliszt 2. Iszapos hom okliszt s z á r a z s z á r a z Iszapos homok (3) 3. Iszapos homok 3. Iszapos hom ok r s z á r a z 2.10 r s z á r a z

8 Iszapos homok (4) 4. Iszapos homok 4. Iszapos homok s z áraz 2.10 s z áraz Iszapos homokok (3-4. adatsor) egyesítve 3-4. Iszapos homok 3-4. Iszapos homok s z áraz 2.10 száraz

9 Dolomit murva (5) 5. Dolomit murva 5. Dolomit murva s z áraz 2.2 s z áraz Agyagos homokliszt (6) 6. Agyagos homokliszt 6. Agyagos homokliszt s z á raz 2.10 szá raz

10 Homokos kavics (7) 7. Homokos kavics 7. Homokos kavics s z á r a z 2.10 s z áraz Agyagos homokliszt (8) 8. Agyagos homokliszt 8. Agyagos homokliszt s z áraz 2.10 s z áraz

11 Agyagos homokliszt (6-8. adatsor) egyesítve 6-8. Agyagos homokliszt 6-8. Agyagos homokliszt s z á raz 2.10 s z á raz D.) A tömörségi fok és a Proctor-próbatest magasságkülönbségeinek összefüggése Az ÚT ÚME szerinti összefüggés az alternatív módszernél Dsz=constans modellre átszámított a Proctor alkalmassági vizsgálatokból számítható -tényezőt veszi alapul. A h- Trd% között a Proctor adatok feldolgozásakor ugyanis LINEÁRIS összefüggés tapasztalható, melynek meredeksége a érték. A tömörségi fok T rd % és az alakváltozás h közötti összefüggést kerestük a lineáris és másodfokú regressziós analízissel. Ennek alapján meghatároztuk a Proctor együtthatóból számított lineáris együttható értékét minden egyes adatoknál, és minden anyagra egy átlagos értéket számoltunk. A értéke és között ingadozik. Az összesnek a súlyozott átlaga ± ami megerősíti a értének az ÚT ben felvett pontosságát. 11

12 A minta száma jelen esetben 392 db, az M várható érték intervalluma =0,01 szignifikancia szinten Student-eloszlással számítva 0,376 ± azaz igen kis eltéréssel megegyezőnek tekinthető (lásd alábbi táblázat). Anyagonként a következőt kaptuk: s Lineáris közelítés Másodfokú közelítés [g/cm 3 ] B R 2 a c R 2 1. Finomszemű homok átlag szórás min max db Más anyagokra a következő táblázatban összesítettük a kapott eredményeket. A minta száma valamennyi esetben meghaladta a minimálisan szükséges elemszámot, így a megbízhatóság tekintetében elfogadható következtetéseket tehetünk. 12

13 2. Iszapos homokliszt átlag szórás min max db Iszapos homok átlag szórás min max db Iszapos homok átlag szórás min max db Dolomit murva átlag szórás min max db Agyagos homokliszt átlag szórás min max db Homokos kavics átlag szórás min max db Agyagos homokliszt átlag szórás min max db

14 Mindösszesen átlag szórás min max db A kapott átlag = ból (mostani) és a felvett = ből (ÚME) számított tömörségi fok és a h összefüggése a következő ábrán látható. A h = 2.6 mm-nél, a tömörségi fok 90 %-os körüli értéke mellett, a két számított tömörség különbsége igen csekély Trd%. Trd% - h összefüggés tömörségi fok% mm ( h) Megállapítható, hogy a nagyszámú minta feldolgozásából az ÚME szerinti megoldás igazolható, de pontosításra is felhasználható. A tömörségi fokban a most kapott összefüggés 1%-on belüli eltérést adott. 14

15 E.) A víztartalom hatása a Proctor-görbére Az optimális víztartalomnál számított Trw nedvességkorrekciós tényező értéke a dinamikus tömörség elmélete szerint mindig =1. Ha az optimális víztartalmakat egymásra tesszük egy szimmetrikus, vagy aszimmetrikus görbét kapunk, melynek görbülete anyagfüggő. Ezt vizsgáltuk a következőkben, megállapítva azt is, hogy a szimmetria feltételezhető-e. G sz = const esetén: T rw V V min T % 100 rg T rw d max G i V i i sz G sz V 1 % min d max T rwi ahol: V i f w i w%,v min ; Vi V min Vi w w i opt A laboráns tapasztalatával a w opt közelítő értéke akár kézzel a helyszínen is könnyen megállapítható. A laboratóriumban most mért víztartalmak eltérést meghatároztuk az optimális víztartalomtól, majd a T rw - w% összefüggés alapján meghatározhatjuk a Trw nedvesség-korrekciós tényezőt. Ha a relatív tömörségi fok T re %=100 (mint a Proctorvizsgálatnál), akkor a dinamikus tömörségmérés elmélete szerint a tömörségi fok a Trw százszorosa. Az anyagonként, az egyes adatokkal dolgoztuk fel a G sz = const modellel és minden T rw - w% összefüggés diagramára másodfokú egyenletű (y = Ax 2 + Bx) regressziós görbét illesztünk és az alábbi ábrát kaptuk a w opt -ra tükrözve a görbét: 15

16 y = x x R 2 = Relationship Trg% ( Trw ) - Trw (Trg%) A kapott eredményt átlagoltuk. Egyes anyag fajtájára kaptunk egy átlagos T rw - w% összefüggést, amelynek a paraméterei (A, B) a következő táblázatban foglalhatók össze: Ssz. Anyag A B R 2 1 Finomszemű homok Iszapos homokliszt Iszapos homok Iszapos homok Dolomit murva Agyagos homokliszt Homokos kavics Agyagos homokliszt Minden esetben lehetséges volt olyan pontot találni, melyre a tükrözés végrehajtható volt. Ez azt jelenti, hogy a w opt többnyire erősen szimmetrikus görbe közepe, csak a nedves ági vizsgálati nehézségek, és a telítési vonalak közelsége torzít. 16

17 Relationship T rg % ( T rw ) - w% T rw (T rg %) F.H. I.HL. I.H. I.H. D.M. A.HL. H.K. A.HL. A w = 3%-nál, az egyes anyag átlagos tömörségi foka a következő táblázatban látható: Ssz. Anyag Átlag T rg [%] 1 Finomszemű homok Iszapos homokliszt Iszapos homok 97.33± Dolomit murva Agyagos homokliszt 97.25± Homokos kavics Fentiek alapján megállapítható, hogy a ±3%-os beépítési víztartalom megengedése NEM TARTHATÓ tovább, mert jelentős eltérést okoz a tömörségben, ráadásul szabályozni kell a pontos víztartalom mérés módját, gyakoriságát és értékét (tűrését), mert jelentős befolyása van. Esetünkben a 3%-os víztartalom eltérés miatt 5-3% tömörségi fok esés volt tapasztalható. 17

18 F.) Dinamikus tömörségmérés tömörödési görbéjének vizsgálata Az ÚT ÚME szerinti Trd% tömörségi fokot összevetettük a tömörödési görbe átlagával, hogy lássuk annak függőségét. Öt adatsor állt rendelkezésünkre, Mélyépítő Labor Kft.-től: 54 db adatsor (jelölés: ML): a Mélyépítő Labor Kft. által vasúti homokos altalajon végzett tömörség-mérések eredményei. Andreas Kft.-től: 50 db adatsor (jelölés: KV): Kevei Kft fővárosi közmű helyreállításoknál végzett tömörség-mérések eredményei. Andreas Kft.-től: 58 db adatsor (jelölés: B): Baján díszkőburkolat építéskor végzett tömörség-mérések védőrétegen eredményei. Andreas Kft.-től: 158 db adatsor (jelölés: P(10) illetve P(18)): homokos kavics anyaggal épült Portugáliai vasút altalaján végzett tömörség illetve tömörségteherbírás mérések eredményei. H-TPA Kft.-től: 198 db adatsor (jelölés: H-TPA (10) iszapos homok anyaggal épült M7 Zamárdi földmunkákon végzett dinamikus tömörség-mérések eredményei. Összesen: 518 db adatsor Tömörödési görbe átlaga: s mátlag számítása: Módosítottuk a kapott adatsort az s 53 különbözettel. Ekkor az utolsó ejtésnél feltételezzük, hogy a 100%-kor tömörítést elértük. Az első ütésszámhoz tartozó számítandó s 01 értékét az többi módosított s ij adatokkal lineárisan számítjuk. Az s mátlag a nullától különböző módosított s ij és a számított s 01 értékek átlaga lett. 18

19 1.50 s ij x ln n kapott adat számított s01 A kapott s mátlag -okat sorba rendezve kerestük a tömörségi fokkal (T rd ) való összefüggést, amely az alábbi ábrán látható: Rendezett s mátlag - T rd összefüggése y = x R 2 = y = x R 2 = Trd % 80 y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = Rendezett s mátlag ML KV B P(10) P(18) HTPA(10) Linear (ML) Linear (KV) Linear (B) Linear (P(10)) Linear (P(18)) Linear (HTPA(10)) Számíthatjuk is az s 01 első ejtés értékét, abból a feltételezésből, hogy a tömörödési görbe logaritmikus jellegű. A többi pontból ekkor kimetszhető az s 01 számított értéke. Ez sokkal pontosabb lehet, mint a mért érték, mert az a felfekvéstől, inhomogenitástól is függhet. 19

20 Célunk az volt, hogy bemutassuk, a tömörségi fok függ a tömörödési alakváltozástól. Az így számított s 01 és a tömörségi fok összefüggése láthatóan jobb: Rendezett s 01sz - T rd összefüggése y = x R 2 = 0.25 y = x R 2 = Trd % 80 y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = Rendezett s 01sz ML KV B P(10) P(18) HTPA(10) Linear (ML) Linear (KV) Linear (B) Linear (P(10)) Linear (P(18)) Linear (HTPA(10)) G.) Az altalaj hatásának figyelembe vétele. A következőkben küszöböljük ki az altalaj hatását. Ezt úgy vesszük figyelembe, hogy feltételezzük, a tömörödési görbe két utolsó pontja meredeksége jellemzi az altalajt, hiszen a réteg már tömör. Ha végtelen teherbírású rétegre terítettük volna, vízszintesbe állna. s mátlag számítása az altalajhatás kiküszöbölése esetén: Szintén módosítjuk a kapott adatsort a s ij -s 53 különbözettel. Az utolsó három módosított adat tangens szögének az átlagát számoltunk, ezzel az átlagos szögével lineárisan számoltuk a többi ütésszámnál tartozó módosított s ij értékét, a mért adatokból kivontuk a számított 20

21 adatokat, megkaptuk az új adatsor, amelyet tényleges süllyedésnek tekintünk az altalajhatás kiküszöbölésével. Az új adatsorral lineárisan számítjuk az első ütésszámhoz tartozó s o1 értékét. A s mátlag az új adatsorban szerepelt nullától különböző s ij értékeknek az átlaga sij x ln n mért adatok számított adat - altalajhatás kivéve számított s01 A kapott s mátlag -okat sorba rendezve kerestük a tömörségi fokkal (T rd ) való összefüggést az altalajhatás küszöbölése esetében, amely a alábbi ábrán látható: 21

22 Rendezett s mátlag - T rd összefüggése altalajhatás kivéve y = x R 2 = y = x R 2 = Trd % 80 y = x R 2 = y = x R 2 = Rendezett s mátlag ML KV P(10) p(18) Linear (ML) Linear (p(18)) Linear (P(10)) Linear (KV) A számított s 01 és a tömörségi fok összefüggése: Rendezett s 01sz - T rd összefüggése altalajhatás kivéve 100 Trd % y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = y = x R 2 = Rendezett s 01sz ML KV P(10) P(18) Linear (ML) Linear (P(18)) Linear (KV) Linear (P(10)) 22

23 A tömörség és alakváltozás összefüggése tehát több alternatívából szemlélve is igazolható, másrészt nincs jellemzőbb összefüggés, mint amit az ÚT alternatív összefüggése megadott. H.) Az első ejtés pontatlanságának hatása Deformációs mutató D m számítása: 153s s 2s s 1 17 D m Az s 01 elhagyásával: 153s s 2s s D m Adatok s 01 kiküszöbölése 1 s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s D m = D m = D * m = D * m = T rg = T rg = T rg =

24 Az első ütésből keletkezett süllyedés értéke s 01 nem igazán befolyásolja a tömörségi fok számításában. Igazoljuk ezt az állítást azzal, hogy az első adatsorból elhagyjuk a mért értéket és az utolsót megkettőzzük. Nézzük mekkora eltérést tapasztalunk a Trd% tömörségi fokban, HA A TÖMÖRÖDÉSI GÖRBE alakja ugyanaz maradt. Nem találtunk jelentő eltérést. I.) Tömörödési görbe egyenlete, jellemzői A tömörödési görbe anyagfüggőségét, jellemzőit vizsgáltuk meg végül, a rendelkezésünkre álló adathalmazokon. A B&C mérésnek az eredményeit az ÚT útmutatásai alapján - először korrigáltuk úgy, hogy az előző ütésszámhoz tartozó süllyedés s ij értéke nagyobb legyen az utána lévő értékénél. A korrigált adatsoronként y a be ct modellel (ahol a, b, c: a meghatározandó paraméterek, t: az ütésszám) illesztettük. Minden esetben két jellemző összefüggést találtunk, melyek: A szemilogaritmikus ábrázolásban az alakváltozási görbe egy egyenes Az anyagtípustól a görbe alakja függ Fentiek alapján az alakváltozási görbe alkalmasnak bizonyulhat a nagyfelületű tömörség- és teherbírás mérés kidolgozására, a helyszíni próbabeépítések megfelelő kialakításával, illetve az ott mért paraméterek felhasználásával. Gyakorlatilag kitűzhető cél, hogy a próbatömörítésen B&C dinamikus tömörségmérővel meghatározott paraméterekből, a hengerre szerelt szintmérővel a teljes tömörített felület folyamatosan mérhető, de főleg: MINŐSÍTHETŐ legyen. 24

25 Az alábbiakban bemutatott ábrák közműhelyreállításokon végzett mérések feldolgozásai. Itt az alkalmazott anyagok különbözőek, mégis jól láthatók a tömörödési tendenciák és jellegzetességei. KEVEI mérések eredményei kapott adatok s ij x [m m ] Ütésszám [-] Nemlineáris ábrázolás KEVEI mérések eredményei kapott adatok lg (s ij x ) lg n [-] Szemilogaritmikus ábrázolás 25

26 KEVEI mérések eredményei korrigált adatok 500 sij x 100 [mm] Ütésszám [-] Nemlineáris ábrázolás KEVEI mérések eredményei korrigált adatok lg (sij x 100) lg n [-] Szemilogaritmikus ábrázolás Ha ezekre a pontokra görbét illesztünk, ezek paraméterei azonos anyagnál, azonos rétegvastagságban azonosak, azaz kifejezhetők egy paramétersorral. Megvizsgáltuk, hogy ezeknek az illesztéseknek az első két számított pont közötti meredekségei (tg szöge), hogyan változnak, tapasztalható ezekben valami azonosság, vagy különbözőség. Megállapíthattuk, hogy a jelen adatsoroknál ezek képe jellegzetesen hasonló, azaz később ilyen következtetések levonására alkalmas lesz. 26

27 KEVEI mérések eredményei Illesztési függvények 500 sij x 100 [mm] Ütésszám [-] KEVEI mérések eredményei Illesztési függvények lg (sij x 100) lg n [-] KEVEI mérések eredményei Illesztési függvények ln (sij x 100) Ütésszám [-] 27

28 J) Összefoglalás Nem volt eddig lehetséges, hogy a tömörítő hengerek alatti anyagréteg süllyedéséből megállapítsák a tömörödési görbét egy adott pontra, valamint hogy a tömörödési görbéből a földmű, pályaszerkezeti réteg tömörségét, tömörségi fokát megállapítani lehessen. Jelen előkutatás egy magyar know-how alapján olyan megoldás kidolgozását adta, mellyel a teljes munkába vett felület tömörsége, annak változása, a hengerek alatti réteg tömörödési alakváltozásának és víztartalmának mérésével (gyorsulásmérővel, vagy lézerszint méréssel) meghatározható. A rendszer a felület mért pontjának azonosítására az önmagában ismert GPS (Global Positioning System) rendszert alkalmazza. Jelentős, hogy a tömörödési görbe megfelelő értelmezéssel éppúgy alkalmas a dinamikus TEHERBÍRÁS, mint a TÖMÖRSÉG számszerű és a hagyományokkal egyező mérnöki jellemzésére. Ha a módszer a teljes felület mérésére és nagyfelületű minősítésére alkalmas, akkor egyben lehetőséget teremt a visszacsatolásra is, azaz lehetséges a munkagépek automatikus vezérlése, mely a szubjektív hibákat kiküszöbölheti. Az embertől függetlenül végzett vezérlés, az automatizált géplánc a különböző tömörítő hengereken túl KIEGÉSZÍTHETŐ a nedvesítéshez szükséges locsoló kocsikkal, fellazítást végző karmos boronával, vagy tárcsával, gréderrel. A megcélzott nagyfelületű mérési-minősítési módszer megvalósítása az emberi tényezőket, hibalehetőségeket a legnagyobb mértékben képes kiküszöbölni és egyben egy időkorlát nélküli, folyamatos munkavégzés lehetőségét teremtheti meg. 28

29 A módszer elméleti felépítése: - Hengerek alatti réteg tömörödési alakváltozásának és víztartalmának mérése mátrixok kialakításával. - Mérőberendezés és adatgyűjtő berendezés kialakítása. - Tömörödési görbék mérése és feldolgozása - Próbatömörítések elvégzése laboratóriumi előkészítéssel, tömörség különböző módszerekkel történő mérésével, - a CCC módszer adaptálása Trg%-ot minősítő 3D felületre Ahhoz, hogy a hengerre szerelt gyorsulásmérőkkel, vagy alakváltozás mérésével meghatározzuk a tömörségi fokot, az alábbi feltételeket kell biztosítani és ellenőrizni: - A tömörített anyag víztartalma változatlan, vagy annak tekinthető legyen. - A tömörödő munka (gép) azonosítható, vagy azonos. - Rétegvastagság kisebb, vagy egyenlő, mint a határ-rétegvastagság. - A töredezett réteg alatt megfelelő ellenfelület áll rendelkezésre a tömörítéshez. - A dinamikus tömörségi fok független a sűrűségtől. - A különböző munkával tömörített egyazon anyagok tömörödési görbéi egymással párhuzamosak. Ez a dinamikus tömörségmérés elméletében azonos tömörségi fok változást jelent. A párhuzamos alakváltozási görbék esetén mindig ugyanazt a relatív tömörségi fokot kapjuk, mely a végértékre (100%) vonatkoztatható. - Adott állapotú adott anyagnál adott tömörségi fok változást előidéző munkavégzés mennyisége azonos. Nagyobb tömörítő henger gyorsabban tömörít, a kisebb egyáltalán nem, vagy lassabban. A minimálisan szükséges hengertömeg behatárolható. - A tömörségi fok változás a teljes tömörség elérésekor (100%), nyer értelmet azzal, hogy ha a ΔT r %-ot a 100%-ból levonjuk, megkapjuk a henger alatti aktuális tömörségi fokot. - A száraz térfogatsúly növekménye a tömörödő munka függvényében - arányos a laboratóriumi Proctor-munkával - különböző víztartalmaknál. 29

30 - A tömörödési görbe alakja a matematikailag az y=c*e -x/d formulával meghatározható, függetlenül attól, hogy a teljes tömörödési görbe mely szakaszában tart éppen a tömörítés. A formula pontosabb meghatározására a görbe első felében kedvezőbb lehetőség nyílik, mint a második felében, ezért a kezdeti tömörödés mérése fontosabb - A tömörödési görbe Y tengelyén a tömörödési alakváltozást ábrázoljuk, míg az x tengelyen az idő, vagy időarányos fizikai jellemző, pl. munkavégzés lehet. Előnye az alakváltozási görbe számításának, hogy a mért pontok egyforma súllyal vesznek részt az alakváltozási görbe meghatározásában, ezért a pontok bizonytalanságai jól kiszűrődnek. - Az alakváltozási görbe egyes tényezői várhatóan anyag-függőek, mások kizárólag a tömörítési módtól függenek. Ezek viselkedése és eredményei más anyagokra, például az aszfaltlaboratóriumi girátoros tömöríthetőségi vizsgálatokból már jól ismertek. - Az alakváltozási görbe Δt, egyenlő idő, vagy ΔW közült tömörítési munka szakaszokra osztható, így léptékként az egymást követő pontok közötti süllyedés különbség számítható az alakváltozási görbéből. - A tömöríthetőség függ a víztartalomtól, ezért a rétegre jellemző víztartalom mérése a tömörítés során (adott időközönként, vagy folyamatosan, adott rétegben több mintavételi helyen) szükséges. A nedvességkorrekciós tényező és az elérhető relatív tömörségi fok megszabja, hogy a tömörítés egyáltalán elkezdhető-e, vagy értelmetlen és locsolás, vagy szárítás szükséges inkább. A tömörödési görbe vége általában csak akkor vízszintes (konstans), ha az alatta lévő réteg teherbírása elegendő, ellenkező esetben csak lineárissá válik és =konst. szöget zár be a vízszintes tengellyel. - Matematikai statisztikai feldolgozás, a lehetséges összefüggések szorossága és megbízhatósága. - Összefüggés kidolgozása a talaj próbatömörítésének tapasztalatai, az elméleti kutatások és a gyakorlati összehasonlítások alapján. - Konkrét mérési feladat bemutatása a kialakított mérési rendszerrel, a működőképesség igazolására. 30

31 A próbabeépítéseken valamennyi mérési módszerrel tervezünk méréseket. A nagyfelületű tömörségmérést a tömörítő-gépekre szerelt jeladókkal tervezzük, melyre több elméleti kialakítás lehetséges. Valamennyi kialakítás fő jellemzője, hogy - a hengerek folyamatos haladása közben, a tömörítés hatására a rétegben létrejött függőleges alakváltozást (z) mérjük, - a hengerek folyamatos haladása közben egy azonos időegységet, időforrást használunk, mely a GPS helymeghatározással szinkronizált, vagy azonos. - a hengerek haladásának horizontális (x y) helyzetét műholdas navigációval határozzuk meg ± 20 cm pontossággal. A hengerlés választott átfedésének nyilvánvalóan ehhez kell igazodni, - a hengerek munkavégzése célszerűen automatizált is lehet, előre hátra járásuk vezérlését egy helyszínre telepített központi vezérlőautomatika irányíthatja, - a vezérlő automatika kapcsolatban állhat a műholdakkal vagy a GPS rendszerrel és a hengereken elhelyezett automatikával, lineáris szintmeghatározás esetén továbbá a hengereken elhelyezett érzékelőkkel. A kifejlesztendő rendszer működése úgy képzelhető el, hogy az elterített rétegen haladó hengerről az azonosító jelekből számíthatóan minden időkoordinátához mérjük az (x-y) horizontális pozíciót és a rétegfelszín (z) magasságát, illetve az előző mért magassághoz képest a lézeres, vagy gyorsulásmérős módszerrel mért eltérést, a réteg mért összenyomódását. Ezeket a pontokat egy érzékenységű x-y kiterjedésű z i (x,y) mátrixban felbontva helyezzük el. Mindaddig adatsorunk nincs, amíg a mátrix dobozokba legalább három adat nem kerül. Ez a folyamat az előre hátra hengerjáratok során fokozatosan egyre több mért ponttal teljesül. Három adat egy mátrix elemben már alkalmas tömörödési görbe azonosítására, előreszámítására, az éppen aktuális tömörségi fok megállapítására. Ez eleinte annál pontosabb, minél több réteg van a mátrixban, egy bizonyos mintaszám felett pedig már alig változó. A rendszer működése csak az időjárási és technikai tényezőktől függ, az emberi tényezők és hibák kizárhatók. Így, a tömörítés esőmentes időben folyamatosan végezhető, időkorlát nélkül éjjel és nappal, automatizáltan. 31

32 A rendszer finomítható a tömörítő-eszközök különböző beállításainak hatásainak vizsgálatával, összehangolásával, az optimális vibráció irányának kombinációjának bekapcsolásával, optimalizálásával. A mérő rendszer mobilizálható, annak részei bárhol a szabad ég alatt felállíthatók, csupán technikai összehangolásukról kell gondoskodni. A rendszer részei egyrészt hagyományos gépelemek (tömörítő hengerek), másrészt ismert szintvezérlők (lézeres szintező, vagy hengerre szerelt gyorsulásmérő), a műholdakkal meghatározható pozíció azonosító rendszer (GPS), meglevő európai rádióadós órajel. Fentiekhez kiépítendő egy összehangoló-vezérlő számítógépes egység, ennek vezérlő szoftvere, illetve programspecifikációja dönti el alapvetően a rendszer működésének határait és jóságát. A géplánc rendszer működése kiegészíthető továbbá víztartalom-mérővel, hőmérővel, és gépelemként távvezérelt, vagy informált locsoló-kocsival, mely nedvesítést végezhet, továbbá gréderekkel, melyek a szintegyenetlenségek korrekcióit végezhetik. Szükségessé válhat anyagpótlási igény (a tűrést meghaladó rétegvastagság hiánynál), mely esetén a már tömörített felület fellazítása után terítéses anyagpótlás és újratömörítés végezhető. A rendszer kalibrálásának elve azon alapul, hogy az egy helyben álló henger bekapcsolt vibrációval a tömörödési görbét, menetben pedig a rész-görbéket adja meg, melyek számításai a hengerjáratok között egyéb dinamikus mérőeszközzel (például B&C tömörségmérővel) kontrollálható. Ezzel az adott felületre több fraktált (tördelt) görbéből a tömörödési görbe előállítható. A rendszer kontrolljánál a hagyományos mérési eredmények szórását, mérési pontosságát is figyelembe kell venni. A beállítás a várható érték tartományok átfedésével, az átlagok közelítésével történik. A rendszer elemei közötti kommunikáció vezeték nélküli, a bluetooth-, infravörös-, vagy rációhullámos rendszerű, melynek lehetőségei már alaposan kidolgozottak. 32

33 Egyéb adatok regisztrálása is szükséges ahhoz, hogy a rendszer teljes működése reprodukálható legyen. Ilyen a hengerek száma, jele, hengerenként a vibrátor működése stb. A regisztrált adatok komplex feldolgozása az informatikai rendszerekben feldolgozható, lekérdezhető legyen. Az alakváltozást mérő műszer A nagyfelületű tömörségellenőrzés a tömörítő-gépekre tervezett jeladókkal lehetséges, melynek megválasztása az alábbiak közül választható: - alakváltozás mérése gyorsulásmérővel és pontos időmérés alkalmazásával, - alakváltozás mérése lézeres szintezővel, szinthez viszonyított változás regisztrálásával és pontos időméréssel, - alakváltozás mérése ultrahangos távolságméréssel és pontos időméréssel. Szakirodalom -Lőrincz, J; Imre, E; Gálos, M; Trang, Q.P; Telekes, G; Rajkai, K; Fityus, I. (2005) Grading entropy variation due to soil crushing. Int. Journ. Of Geomechanics 5(4): Lőrincz, J; Imre, E; Gálos, M; Trang, Q.P; Telekes, G; Rajkai, K (2004) Grading entropy variation due to soil crushing. Second International Conference from Experimental Evidence Towards Numerical Modelling of Unsaturated Soils. September 18-19, 2003 Bauhausuniversity, Weimar, Germany. ( ) Imre, E., Fityus, S., Trang Q. P., Albert, P., Telekes, G. (2005) The variation of the grading entropy due to soil degradation in some laboratory tests. 11 th ICF Turin March 20-25, Imre, E; Rajkai, K, Genovese, R, Jommi, C, Lorincz, J; Aradi, L, Telekes, G. (2003): Soil water-retention curve for fractions and mixtures. Proc. of UNSAT-ASIA, Osaka Imre, E; Havrán, K; Lorincz, J; Rajkai, K, Firgi, T; Telekes, G. (2005): A model to predict the soil water characteristics of sand mixtures. Int. Symp. on Advanced Experimental Unsat. Soil Mech. Trento June Proceedings of the Advanced Experimental Unsaturated Soil Mechanics, Trento, Italy (Tarantino, Romero & Cui (editors), Taylor & Francis Group, London, ISBN , pp Lorincz, J; Imre, E; Gálos, M; Trang, Q.P; Telekes, G; Rajkai, K; Fityus, I. (2005): Grading entropy variation due to soil crushing. Int. Journ. of Geomechanics. Vol 5. Number 4. p Imre, E; Havrán, K; Lorincz, J; Rajkai, K, Firgi, T; Telekes, G. (2005): A model to predict the soil water characteristics of sand mixtures. Int. Symp. on Advanced Experimental Unsat. Soil Mech. Trento June Proceedings of the Advanced Experimental Unsaturated Soil Mechanics, Trento, Italy (Tarantino, Romero & Cui (editors), Taylor & Francis Group, London, ISBN , pp

34 Adam & Kopf: Operational devices for compaction optimization and quality control p: , Proceedings of the International Seminarium on Geotechnics in Pavement and Railway Design on Construction FGSV 516 Merkblatt für die Verdichtung das Uthergrundes mit Unterbauer im Straβenbau Dr. Kézdi: Soil Mechanic I. TK Budapest METRÓBER: ER-TRG01 Ellenőrzési rendszer próbatömörítések végrehajtására és értékelésére az M7 Zamárdi Balatonszárszó szakszán. Mérnöki Eljárási Utasítás. p.:10 Subert: Method for Measuring Compactness-rate with New Dynamic Light Falling Weight Deflectometer. Geotechnic (V4) 10 th International Conference 2005 Subert: Method for Measuring Compactness-rate with New Dynamic LFWD. XIII. Danube- European Conference on Geotechnical Engineering Ljubljana, Slovenia Subert: MixControll Kft K+F Jelentés Budapest ÁKMI Kht /2002 Teherbírás- és tömörségmérés B&C módosított ejtősúlyos berendezéssel EP Measurement of the compaction rate of granular material layers IRODALOM: FGSV 516:2003 Merkblatt für die Verdichtung das Untergrundes mit Unterbaues im Straβenbau. D.Adam F.Kopf: Operational devices for compaction optimization and quality control. (Continiuous Compaction Control & Light Falling Weight Device) International Seminar on geotechnics in Pavement and Railway Design and Construction Rotterdam Dr. Kézdi Á.: Soil Mechanics Budapest Subert: Tömörség- és teherbírásmérés könnyűejtősúlyos berendezéssel K+F Jelentés ÁKMI Kht /2002 Budapest ÚT :2003 Útügyi Műszaki Előírás Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könnyű ejtősúlyos berendezéssel Subert: Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könnyű ejtősúlyos berendezéssel Közúti és Mélyépítési Szemle 53. évf szám. p.: Subert: A dinamikus tömörségmérés tapasztalatai 31. Útügyi Napok Győr 2003, 3. szekció. p.: 10. Subert: Dinamikus tömörség- és teherbírásmérés könnyűejtősúlyos berendezéssel Közúti és mélyépítési szemle 2003/2 Subert: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának újabb tapasztalatai Geotechnika 2003 Konferencia Ráckeve Subert: Dinamikus tömörségmérés környezetbarát, új mérés a mélyépítésben Mélyépítés 2003 p.: Subert: Dinamikus tömörségmérés alkalmazásának tapasztalatai és előnyei 31. Útügyi Napok Győr, Építés-Technológia szekció Subert: B&C dinamikus tömörségmérés megbízható minőség a mélyépítésben Mélyépítő-tükörkép 2004 p.: Dr. Fáy Péter: B&C teherbírás- és tömörségmérő készülék Magyar Elektronika 2004/6.szám p.:46-47 Subert: Új, környezetkímélő, gazdaságos mérőeszközök a közlekedésépítésben Geotechnika 2004 Konferencia Ráckeve Subert: B&C dinamikus tömörségmérés Mélyépítés 2004 október-december p.: Subert: B&C egy hasznos társ Magyar Építő Fórum 2004/25 szám p.:36. 34

35 Subert István: A dinamikus tömörség- és teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései Közúti és Mélyépítési Szemle 55.évf szám. p.:28-32 Dr. Boromisza T.: Megjegyzések Subert István: A dinamikus tömörség- és teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései c. cikkéhez. Közúti és Mélyépítési Szemle 55.évf szám. p.:35-36 Subert István: Válasz Dr. Boromisza Tibor hozzászólására ( A dinamikus tömörségés teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései c. cikkéhez. Közúti és Mélyépítési Szemle 55.évf szám. p.:37-39 I. Subert: New Method for Measuring of Dynamic Compaction Rate with Small-plate Light Falling Weight Deflectometer. XIII. Danube-European Conference on Geotechnical Engineering Ljubljana 2006 Extended abstract 35