SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI

Átírás

1 SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI Dr. Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus SZE ÉÉKK Közlekedésépítési Tanszék IX. Kő- és Kavicsbányász Napok, Velence-fürdő,

2 Az előadás tartalma Köszönetnyilvánítás Kutatási probléma felvetése Az interlocking hatás jellemzői Laboratóriumi vizsgálatok Mérési eredmények Mérési eredmények értékelése Összefoglaló megállapítások Irodalomjegyzék

3 Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozunk a Bonar Geosynthetics Kft.-nek (a vizsgálatok finanszírozása és a georácsok, geoműanyagok biztosítása) és a Colas Északkő Kft.-nek (szemcsés anyagok biztosítása) a kutatásfejlesztési munkánk támogatásáért.

4 Kutatási probléma felvetése A közlekedési létesítmények építésekor nagy mennyiségben használnak szemcsés rétegeket (pl. kiegészítő réteg, alapréteg, vasúti zúzottkő ágyazat, stb.), amelyekbe gyakran kerül betervezésre geoműanyag (georács, georács+geotextília) réteg erősítő funkcióval. A szemcsés anyagokban a geoműanyagok miatti belső nyírási ellenállás-növelő hatás jelenleg nem ismert teljes körűen. Laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatokkal az ún. interlocking hatás számszerűsíthető. A különböző kialakítású esetek összehasonlíthatók. Nem célja az előadásnak és a kutatásnak az egyes geoműanyag gyártók termékeinek ismertetése, a viselkedés összehasonlításának alapja a vizsgált geoműanyagok geometriai-fizikai-mechanikai paramétereire korlátozódik.

5 Az interlocking hatás jellemzői

6 Az interlocking hatás

7 Az interlocking hatás georács interlocking hatás Forrás: Konietzky et al.: Use of DEM to model the interlocking effect of geogrids under static and cyclic loading

11 A membrán és az interlocking hatás

12 Forrás: Brown et. al. (2007) Forrás: Brown et. al. (2006) Forrás: Konietzky et. al. (2004) Forrás: Indraratna et. al. (2007)

13 Az interlocking hatás 1. zóna: Nincsen alakkal zárás. A szemcsés halmaz eredeti tulajdonságai érvényesek. 2. zóna: Átmeneti zóna. Az alakkal záró hatás nemlineáris lefutású az alsó maximum és a felső minimum érték között. Szemcseelmozdulás van. 3. zóna: Átmeneti zóna. Az alakkal záró hatás maximális hatásfokú. Szemcseelmozdulás nincsen.

14 Rétegvastagság SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI Laboratóriumi vizsgálatok A belső nyírási ellenállás értékeit különböző síkokban kell ismerni Zúzottkő ágyazat Georács/geokompozit Belső nyírási ellenállás

15 Megoldás: többszintes nyíróládában történő mérés

16 A többszintes nyíróláda felső keretek alsó keretek georács síkja (Nr. 1) görgőpálya Megj.: A kép nem a jelenlegi vizsgálatkor készült.

17 A nyírási síkok nyírási sík Nr.4 nyírási sík Nr.3 nyírási sík Nr.1 nyírási sík Nr.2 alapsík (Nr.0)

18 Változók Tömörített réteg, nincsen georács Tömörített réteg, van georács Anyagtípus (szemcsés keverék/zúzottkő) Különböző georács, geokompozit A rétegszerkezet Állandó paraméterek Szemcsés keverék (40 cm), v. E 2 =7,2 MPa Thermopan XPS lemezek

19 Vizsgált szemcsés anyagok és geoműanyagok 31,5/63 E típusú vasúti zúzottkő ágyazati anyagnál (CÉK, Szob): geoműanyag nélkül, GR1: Polipropilén (PP) alapanyagú hegesztett csomópontú georács, mm-es hálómérettel, GK1: A GR1 georács 160 g/m 2 tömegű PP nem szőtt geotextíliával, GR2: Poliészter (PET) anyagú, PVC bevonatú szőtt georács mm-es hálómérettel, GK2: Poliészter (PET) alapanyagú georács (35 35 mm-es hálóméretű) poliészter (PET) nem szőtt geotextíliával kombinálva, GR3: Polipropilén (PP) alapanyagú extrudált georács mm-es hálómérettel, FZKA 0/56 típusú szemcsés keveréknél (CÉK, Szob): geoműanyag nélkül. GR1: Polipropilén (PP) alapanyagú hegesztett csomópontú georács, mm-es hálómérettel, GK1: A GR1 georács 160 g/m2 tömegű PP nem szőtt geotextíliával, GR2: Poliészter (PET) anyagú, PVC bevonatú szőtt georács mm-es hálómérettel, GR3: Polipropilén (PP) alapanyagú extrudált georács mm-es hálómérettel.

20 GR1 és GK1 GR2 GK2 GR3 Alapanyag PP PET+PVC PET PP Gyártási mód Hegesztett 1 Szőtt 2 Szőtt 3 Extrudált 4 Szakítószilárdság 1,0%-os nyúlásnál 7 kn/m n.a. n.a. n.a. Szakítószilárdság 2,0%-os nyúlásnál 12 kn/m 7,5 / 8 kn/m 7,5 / 8 kn/m 10,5 kn/m Nyílásméret mm mm mm mm 1 Kétirányban teherviselő georács, amely merev, előterhelt, extrudált polipropilén (PP) pászmákból áll, minden irányban megegyező tervezési szilárdsággal, csomópontjaikat pedig számítógép vezérelt lézerhegesztéssel képzik. 2 Kétirányban teherviselő szőtt georács, amely poliészter (PET) szálakból készül utólagos PVC bevonattal. 3 Kétirányban teherviselő szőtt georács, amely poliészter (PET) szálakból készül utólagos bevonat nélkül. 4 Extrudálással készült polipropilén (PP) lemez lyukasztásával, majd kétirányú nyújtásával előállított georács.

21 Beépítési lépések 1. Megj.: A képek nem a jelenlegi vizsgálatkor készültek.

22 Beépítési lépések 2. Megj.: A képek nem a jelenlegi vizsgálatkor készültek.

23 Tömörítés: - 20 cm és 40 cm vastagságban. Tömörítő eszköz: - L-2/C típus, - tömeg: 68 kg, - teljesítmény: 1,1 kw, - névleges vibrációs frekvencia: 3000/min, - tömörítőlap: 500x500 mm. A zúzottkő ágyazat tömörítése Fontos: azonos legyen a tömörítési munka minden vizsgálat előtt. Megj.: A kép nem a jelenlegi vizsgálatkor készült.

24 Nyomóerő Ellenerő Elmozdulás Megj.: A kép nem a jelenlegi vizsgálatkor készült.

25 A szemcsék elmozdulása a felső síkon Megj.: A képek nem a jelenlegi vizsgálatkor készültek.

26 A szemcsék elmozdulása a felső síkon Az ellenerő oldalán A nyomóerő oldalán Szemcsék torlódása Szemcsehiány Megj.: A képek nem a jelenlegi vizsgálatkor készültek.

27 Mérési eredmények

28 A minősítési paraméterek meghatározása a belső nyírási ellenállás 1. A 10 mm és 20 mm közötti keret-elmozduláshoz tartozó húrmodulus 2. A 10 mm és 20 mm közötti keret-elmozdulásnál az ezen a tartományon mért adatsorra illesztett lineáris regressziós függvény meredeksége

29 Húrmodululus [kn/mm] A GR1 és GR3 georácsok mutattak csak erősítést (~1,05 1,10-szeres értékek a georács nélküli rétegszerkezethez képest) a georács síkjában, valamint a +10 és +20 cm-es magasságban, ennek a valószínűsíthető oka GR2 georács hálószemeinek kis mérete, valamint a geokompozitok (GK1 és GK2) esetében a geotextília interlocking-ot csökkentő hatása. SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI A mm keretelmozduláshoz tartozó húrmodulus értéke 31,5/63 E típusú zúzottkő esetén geoműanyag erősítés nélkül, és különböző geoműanyagos erősítésekkel 0,6 0,5 0,4 0,3 31,5/63 E - Georács nélkül 31,5/63 E - GR1 31,5/63 E - GK1 31,5/63 E - GR2 31,5/63 E - GK2 31,5/63 E - GR3 0,2 0, A geoműanyag síkjától mért távolság (cm)

30 Húrmodululus [kn/mm] SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 A mm keretelmozduláshoz tartozó húrmodulus értéke FZKA 0/56 típusú szemcsés keverék esetén geoműanyag erősítés nélkül, és különböző geoműanyagos erősítésekkel FZKA 0/56 - Georács nélkül FZKA 0/56 - GR1 FZKA 0/56 - GK1 FZKA 0/56 - GR2 FZKA 0/56 - GR3 0-0,1-0, A geoműanyag síkjától mért távolság (cm) A húrmodulus és a meredekség paramétereket tekintve, a geoműanyag síkjában az összes geoműanyag alkalmazása pozitív hatással rendelkezett (1,05 1,36), a maximális értékeket a GR1 erősítés adta, míg a minimális a GK1-hez tartozott, (folytatás a köv. dián)

31 Meredekség [kn/mm] A +10 cm-es magasságban a GK1 geokompozittal lehetett elérni a maximális (~1,70-szeres) erősítést, míg a GR2 gyengítette a szemcsés réteget (kb. 20%-kal), a +20 cm-es magasságban a GR1 és GR3 georácsok minimális gyengítést eredményeztek (~0,90 0,95), viszont a geokompozit (GK1), illetve a GR3 georács kis mértékű erősítést adott (rendre 1,20 és ~1,10). SPECIÁLIS GEOMŰANYAGOKKAL ERŐSÍTETT SZEMCSÉS RÉTEGEK LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATAI 0,6 0,5 A mm keretelmozduláshoz tartozó lineáris regressziós függvény meredekségének értéke FZKA 0/56 típusú szemcsés keverék esetén geoműanyag erősítés nélkül, és különböző geoműanyagos erősítésekkel FZKA 0/56 - Georács nélkül FZKA 0/56 - GR1 0,4 0,3 0,2 FZKA 0/56 - GK1 FZKA 0/56 - GR2 FZKA 0/56 - GR3 0,1 0-0, A geoműanyag síkjától mért távolság (cm)

32 Mérési eredmények értékelése 1. Jelen előadásban nem adtam meg külön a polinomiális regressziós függvényeket, a mérési adatokat csak folyamatos vonallánccal kötöttem össze, érzékeltetve ezzel a függvény kapcsolatot. A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálat mérési eredményei alapján teljes biztonsággal megállapítható, hogy a szemcsés anyaghalmaz alá beépített megfelelő típusú georács/geokompozit réteg növeli a tömörített zúzottkő ágyazatban és az FZKA 0/56 típusú szemcsés keverékben a belső nyírási ellenállás nagyságát.

33 Mérési eredmények értékelése 2. A mostani vizsgálat-sorozatban az alkalmazott georácsok és geokompozitok nyílásmérete a d max =63 mm-hez képest jellemzően kisebbek voltak. Nemzetközi szakirodalmak alapján az a georács nyílásméret hatásos, amelyik a d max érték 1,4 szerese. Korábbi vizsgálatok alapján kijelenthető, hogy a nagyobb (kb mm-es) bordatengely-távolságú georácsoknál szignifikáns erősítés érhető el 31,5/63 E típusú vasúti zúzottkő ágyazatban. Az FZKA 0/56 típusú szemcsés keverék esetén összességében elmondható, hogy minden georács erősítő elem pozitív hatása igazolható. Érdekes összefüggés, hogy ezen szemcsés anyag esetében a javulás főként a georács ~15 cm-es közelében érzékelhető, amely valószínűsíthetően a lokális átboltozódás mérsékelt hatására (az ágyazati anyaghoz viszonyítva) vezethető vissza. A szemcsés keverék georácshoz közeli tartományában viszont az erősítés akár az 1,7-es szorzót is eléri, ami igen szignifikáns különbség. Ennek oka, hogy a nyílásméret ebben az esetben már sokkal jobban illeszkedik az anyag szemeloszlásához.

34 Mérési eredmények értékelése 3. Az FZKA 0/56 típusú szemcsés keverék esetén összességében elmondható, hogy minden georács erősítő elem pozitív hatása igazolható. Érdekes összefüggés, hogy ezen szemcsés anyag esetében a javulás főként a georács ~15 cm-es közelében érzékelhető, amely valószínűsíthetően a lokális átboltozódás mérsékelt hatására (az ágyazati anyaghoz viszonyítva) vezethető vissza. A szemcsés keverék georácshoz közeli tartományában viszont az erősítés akár az 1,7-es szorzót is eléri, ami igen szignifikáns különbség. Ennek oka, hogy a nyílásméret ebben az esetben már sokkal jobban illeszkedik az anyag szemeloszlásához. Az (1) képlet azt mutatja meg, hogy milyen nyílásmérettel kell rendelkeznie egy georácsnak a megfelelő beékelődő hatás eléréséhez, adott szemszerkezetű talaj esetében: BGG 3,5 d 50 (1) Az (1) képletben szereplő BGG a minimális/megfelelő nyílásméret milliméter dimenzióban, a d 50 pedig az 50% átesett tömegszázalékhoz tartozó szemcseátmérő szintén milliméter dimenzióban. Nyilvánvalóan a képlet fordítva is működik, adott georácshoz közelítőleg megállapítható vele az optimális szemszerkezetű talaj.

35 Mérési eredmények értékelése 4. A FZKA 0/56 típusú anyag határgörbéit tanulmányozva az ehhez tartozó optimális nyílásméret mm között található, azaz a georácsok, amelyeket alkalmaztunk, éppen alkalmasak a megfelelő interlocking hatás elérésére, ezzel magyarázható, hogy milyen esetben kimutatható a javulás számottevő mértéke.

36 Összefoglaló megállapítások A vizsgálat alapján megállapítható, hogy a georács erősítő elemek esetében nem a gyártási technológia vagy a csomópontok kialakítása határozza meg annak teljesítőképességét, sokkalta inkább azokat a releváns paramétereket kell mérlegelnünk, amelyeket a beépítési környezet irányoz elő számunkra: megfelelő nyílásméret kiválasztása, szükséges értékű (szakító)erő felvétele az 1-2%-os deformációs tartományban.

37 A konferencia absztrakthoz felhasznált irodalmak jegyzéke Nimbalkar, S. Neville, T. Indraratna, B.: Performance assessment of reinforced ballasted rail track, Proceedings Of The Institution Of Civil Engineers Ground Improvement (167) 2014/ Kurhan, D. M.: Determination of dynamic loads from the wheel on the rail for high-speed trains, Science And Transport Progress. Bulletin Of Dnipropetrovsk National University Of Railway Transport 2015/ Major Zoltán Horvát Ferenc: Átmeneti szakasz kialakítása ágyazatragasztással, eltérő függőleges merevségű pályaszakaszok csatlakozásánál, Sínek Világa 2013/ Fischer Szabolcs: A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata, PhD értekezés, SZE MMTDI, 2012 Fischer Szabolcs Horvát Ferenc Major Zoltán: Evaluation of railway track geometry stabilisation effect of geogrid layers under ballast on the basis of laboratory multi-level shear box tests, Acta Technica Jaurinensis 2012/ Fischer Szabolcs: Investigation of inner shear resistance of geogrids built under granular protection layers and railway ballast, Nauka ta Progres Transportu, 2015/ MSZ :1989: Útpályaszerkezetek teherbíró képességének vizsgálata. Tárcsás vizsgálat ( ) MSZ EN 13450:2003: Kőanyaghalmazok vasúti ágyazathoz MSZ EN 13242:2002+A1:2008: Kőanyaghalmazok műtárgyakban és útépítésben használt, kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú anyagokhoz Brown, S. F. Kwan, J. Thom, N. H.: Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast, Geotextiles and Geomembranes Koerner R. M.:, Designing with Geosynthetics, Xlibris Press, USA, 2012

38 Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Honlap: kep.sze.hu