TÖLTÉSALAPOZÁS = GEOTECHNIKAI ALAPFELADAT A KÁRPÁT-MEDENCÉBEN EMBANKMENT FOUNDATION = A BASIC GEOTECHNICAL PROBLEM IN THE KARPATIAN BASIN Szepesházi Róbert 1 Koch Edina 1 1 Széchenyi István Egyetem, Szerkezetépítési és Geotechnikai Tanszék ÖSSZEFOGLALÁS Hazánk területének számottevő részét puha, szerves talajok fedik, s az utóbbi évtizedben gyakran kellett ezeken szűk határidőkkel közlekedési pályákat (Zalavasút, M7 ap., 75-76. sz. út stb.) építeni. A felmerülő alaptörési, süllyedési és konszolidációs problémák kezelésére szerencsére egyre több hatékony technológiát (lépcsős építés, túltöltés, függőleges drénezés, kavicscölöpözés, dinamikus talajcsere, geoműanyagos erősítés, mélykeverés stb.) bevethettünk. Ezek alkalmazási kritériumai, tervezési módszerei is fokozatosan kialakultak, s a SZE geotechnikusai élen jártak e töltésalapozási módszerek fejlesztésében. A jubileumi konferencián felkérésre az eközben nyert, jobbára sikeres tapasztalatokról adnak számot. ABSTRACT Significant part of Hungary is covered by soft, organic soils. In the last decade we often had to build roads and railways (Zala Railway line, Highway M7., Road No.75-76., etc.) with short deadlines. Several technologies (stage construction, surcharge, vertical drain, stone columns, dynamic replacement, reinforcement with geosynthetics, deep mixing, etc.) can be applied to solve stability, settlement and consolidation problems. The application criteria, design methods have been developed step-by-step. Geotechnical Engineers at SZE were leading the research to develop embankment foundation methods. They were invited to this jubilee conference to present their most successful experiences. KULCSSZAVAK/KEYWORDS puha altalaj, töltésalapozási technológiák, modellezés soft soil, embankment foundation technologies, modeling
1 Bevezető Az elmúlt két évtizedben mind többször kellett utak, vasutak töltéseit puha, általában szerves talajokra építeni. Ennek több oka van, s ezek miatt várhatóan a jövőben is sok esetben kell ilyen feladatokat megoldani. A közlekedési pályák tervezésekor a közlekedés biztonsága, az üzemelési költségek minimalizálása a fő cél, de a helyszínrajzi vonalvezetést még számos további tényező is megköti. A meglévő településeket, a beépítésre kijelölt területeket el kell kerülni, s a területfejlesztési tervekhez is alkalmazkodni kell. Felismerték azt is, hogy nem indokolt a közlekedés területigényeit a mezőgazdaság rovására teljesíteni. Ezek sok esetben azt eredményezik, hogy éppen azért kerül kedvezőtlen altalajú területre egy vonalas létesítmény, mert az másra nem használható. A földmunka csökkentése csak mindezek után vizsgálandó szempont lett, a gyenge altalajú területek elkerülése pedig mint cél általában szóba sem jöhet [1]. Puha altalajon való töltésépítéskor két statikai problémát kell megoldani: a puha altalaj kompresszibilitása, alacsony áteresztőképessége, kúszási hajlama nagymértékű, egyenlőtlen és elhúzódó süllyedéseket okoz, s a tervezési feladat általában az, hogy egy bizonyos időpont után még hátralevő süllyedés, illetve süllyedéskülönbség legyen kisebb egy, a töltésre kerülő felépítmény számára már veszélytelen értéknél, a puha altalaj gyenge szilárdsága stabilitásvesztéssel (alaptöréssel, kipréselődéssel, szétcsúszással) fenyeget, a feladat: kellő biztonság elérése az állékonyságvesztéssel szemben. E problémák különösen azért válnak kritikussá, mert az építési határidők egyre szűkösebbek. A veszélyek elhárítására számos technológiát vetettek be. A lépcsős építés, a túltöltés, a vibrált kőoszlopok, a dinamikus talajcsere mellett, illetve ezekkel együtt a georácsos, geocellás talperősítés mára szinte teljesen kiváltották a korábbi idők módszerét, a puha altalaj kicserélését. Újabban a mélykeveréses talajjavításra is volt példa, a 75-76. sz. főúton pedig egy hazai fejlesztésű kavicscölöpözési technológiát alkalmaztak. Általában külön problémát jelent a vízfolyásnál, gyenge talajon épülő hídfők mögötti, néha 10 m-nél is magasabb háttöltés süllyedésének nagysága és konszolidációs ideje. Nemcsak a magassággal arányosan nagyobb mozgás növeli a gondokat, hanem az is, hogy annak hatása a hídfő cölöpalapozására és a híd felszerkezetére időben is változik [2]. Az említett technológiák lényege már eléggé ismert, a vonatkozó útügyi előírás is tartalmazza őket. A finomságokat a 3-4. fejezetben a projektekhez kapcsolódóan érintjük, előtte a 2. fejezet a tervezési módszerek fejlődését tekinti át. Részletesebb és mélyebb elemzésekre a terjedelmi korlátok miatt nem vállalkozhattunk, [3] tanulmányozása ezt pótolhatja.
2 Töltésalapozások modellezése 2.1 Hagyományos elméleten alapuló számítások A töltésalapozások méretezésére sokféle, a hagyományos talajmechanikai elveken nyugvó eljárást dolgoztak ki, melyeket több-kevesebb sikerrel alkalmazunk ma is. A konszolidációs összenyomódásból származó süllyedést hagyományosan általában lineáris alakváltozási modell feltételezésével, csak a függőleges feszültségek figyelembevételével, a másodlagos konszolidációt a jól ismert szemilogaritmikus összefüggés alapján számítjuk. A konszolidációt hagyományosan általában a rétegződés egyszerűsített modelljével, Terzaghi egydimenziós konszolidáció elméletével határozzuk meg, az építés időtartamát, a teherfelhordás elhúzódását első közelítésben általában nem vesszük figyelembe. A puha talajra épített töltés állékonyságát az altalaj nyírószilárdsága határozza meg. A tönkremenetel a talajviszonyoktól függően háromféle formában következhet be: alaptörés alámetsző csúszólapon viszonylag vastag puha rétegben, a töltéstest szétcsúszása a terepszinten vagy kevéssel alatta, a puha talaj oldalkitérése (kipréselődése) egy keményebb réteg felett. Ezeket hagyományos rézsűállékonysági vizsgálatokkal elemezzük (lamellás vagy blokkos módszer), de első közelítésben egyszerű számításokra is támaszkodhatunk. Ilyen pl. Skempton képlete, mely szerint az alaptörést a töltés függőleges nyomásának és az altalaj törőfeszültségének összehasonlításával értékeljük, mely utóbbi a drénezetlen nyírószilárdság ötszörösére vehető. A lépcsős építés és a túltöltés tervezésekor e szilárdsági paraméter javulását vesszük figyelembe. Az előzetes oszlopszerű talajjavítások (kavicscölöpök, kőtömzsök, betoncölöpök és a mélykeveréssel készülő cölöpszerű testek) tervezési elve az, hogy ezek átveszik a függőleges terhek egy részét, s így mivel merevebbek a gyenge altalajnál csökkentik a süllyedéseket. A kavicscölöpök, kőtömzsök süllyedéscsökkentő hatását hagyományosan Priebe diagramjával vizsgáljuk [4], mely egy javítási (süllyedéscsökkentési) tényezőt ad a területi (kezelési) arány és a kavicscölöpbe, kőtömzsbe bedolgozott anyag belső súrlódási szögének függvényében. A kötőanyagos oszlopok tervezésére a cölöptervezés szokásos képleteit használják, de ezeket már egyre inkább véges elemes modellezés alapján méretezik. A kavicscölöpök, a kőtömzsök és a szalagdrének a konszolidációt is gyorsítják, melynek hatását a hazai gyakorlatban Barron elmélete alapján számítjuk [5]. Ez kombinált vízmozgást feltételez, ami a függőleges és radiális áramlás különválasztásával tárgyalható.
2.2 Végeselemes analízis A hagyományos geotechnikai számítások mellett mindinkább teret kapnak a véges elem módszerek, az azokat használó programok. Ezek új lehetőségeket kínálnak mind az anyagmodellek tekintetében, mind a talaj és a szerkezet kölcsönhatásának leírásában. A fejlettebb anyagmodellekkel meghaladhatjuk a lineárisan rugalmas és a Mohr-Coulumb feltételt használó tökéletesen képlékeny modelleket. A felkeményedő talajmodelleket (Hardening Soil Model) alkalmazva pl. olyan hatásokat is korrektebben vizsgálhatunk, mint a túltöltés, illetve annak megszakítása, a puha talajokra kidolgozott modellel (Soft Soil Model) pedig pl. a konszolidációs és a másodlagos összenyomódás időbeli alakulása kezelhető ígéretesen. A véges elemes modellezés másik nagy előnye, hogy vele egy modellen belül tudjuk vizsgálni a teherbírási és használhatósági határállapotokat, s figyelembe tudjuk venni például a konszolidációt és a talajvíz ingadozását, építési-, tehermentesítési és újraterhelési fázisokat tudunk beiktatni, és akár minden építési fázis után lekérdezhetjük az állékonyságot [6]. A síkbeli (2D) modell töltésalapozások vizsgálatára általában megfelel, s első közelítésként elfogadható az oszlopok falként való modellezése is, de ez elfedi az oszlopok körüli esetleg kritikus feszültségkoncentrációt. A tengelyszimmetrikus (AXY) modellezést kavicscölöpös, kőtömzsös, betoncölöpös, oszlopszerű mélykeveréses töltésalapozás méretezésére használják. Ezzel egyetlen javított talajoszlopot és az azt körülvevő azon talajhengert vizsgáljuk, melynek terhelését a vizsgált oszlop nagyészt átveszi. A javított talajoszlopot talajként, s ennek megfelelő tulajdonságokkal modellezzük, míg körülötte a talajhengert az altalaj eredeti paramétereivel látjuk el. E modellel azt vizsgáljuk, hogy a töltés, a ráépülő pályaszerkezet és az arra kerülő forgalmi terhelés mekkora süllyedéskülönbséget okoz az oszlop tengelye és az azt körülvevő talajhenger palástja között, illetve hogy kialakul-e az oszlopok fölött és között a kellő átboltozódás. A módszer előnye az egyszerűsége, hogy gyorsan lefuttathatók vele a számítások, hátrány, hogy a stabilitásról nem ad felvilágosítást [7]. A térbeli (3D) modellel elvileg korrekt módon vizsgálhatók a valós viszonyok: az altalajt, a cölöpszerű testeket és a töltést is háromdimenziós testként lehet bevinni a modellbe, s kölcsönhatásaikat a korszerű talajmodellek elvileg jól szimulálhatják. Képet adhat az oszlopok körüli talajmozgásokról, a gyenge talajnak az oszlopok közötti esetleges kipréselődéséről is. Tény azonban, hogy az ilyen 3D modellek felépítése és futtatása nagyon időigényes, a programok beszerzési ára viszonylag magas, jelenleg inkább kutatási feladatok megoldására használjuk [8]. A SZE Szerkezetépítési és Geotechnikai Tanszékén a PLAXIS 2D szoftvert 2007, a PLAXIS 3D-t pedig 2011 óta használjuk.
3 Töltésalapozások a Zalavasúton Az Európai Unió keleti részén fekvő országok fejlesztését segítő vasúti folyosók közül az V. számú Dél-Európát hivatott összekapcsolni Kelet- Európa középső részével. A folyosó dunántúli szakaszát a Bajánsenye- Zalaegerszeg-Székesfehérvár-Budapest vasútvonal alkotja helyenként új nyomvonalon, másutt a régi helyén, vagy a régi töltésre ráépülve. A Bajánsenye-Ukk, Zalavasút néven ismert szakasz terveit a MÁVTI Kft. és az INFRAPLAN Rt. dolgozta ki. A töltésalapozást illetően egyes szakaszokra a kivitelezést elnyerő vállalkozások más megoldásokat is kerestek, s ebbe a SZE tervező csapatát vonták be. 3.1 Zalavasút I. Zalacséb-Andráshida szakasz: drénezés A szakasz talajadottságairól összefoglalóan elmondható, hogy 4-5 m mélységig túlnyomóan gyúrható-merev közepes-kövér agyagösszlet fekszik, alatta pedig szemcsés talajok találhatók. Helyenként előfordulnak puha iszapok, laza iszapos finom homokok és sovány agyagok, illetve kemény kötött rétegek is. A kritikus agyagok összenyomódási jellemzőit ödométeres vizsgálatokkal állapítottuk meg, az eredeti tervekhez ilyenek nem készültek. A 1. ábra a jellemző geometriai kialakítást mutatja, s feltünteti a fontosabb talajfizikai paramétereket is [9]. A földmű építésére kb. 1 év állt rendelkezésre. A szűk határidő, illetve a magas építési költségek miatt a Fővállalkozó arra kért fel bennünket, hogy vizsgáljuk meg az eredeti vibrált kőoszlopos alapozásról függőleges szalagdrénezésre való áttérés lehetőségét. A tervezés során a kiegészítő feltárások eredményeit felhasználva, a hagyományos méretezési módszereket alkalmaztuk, s a függőleges szalagdréneket, egyetlen szakasz kivételével, megfelelőnek ítéltük. ~ 5,2 ~ 7,5 ~ 5,2 0,6 3,5 töltés vágány = 20kN/m 3 1:1,5 2 h 5,0 kissé szerves kövér agyag E s 2,5-3,5 MPa c v 3 10-8 m/s c u 25 kpa kavics E s 50 MPa 1. ábra. Zalavasút I. jellemző töltésgeometriája és talajadottságai 10 évvel a tervezés után, egy kutatás keretében, a vibrált kőoszlopos alapozást PLAXIS 3D szoftverrel, Mohr-Coulomb, illetve Soft-Soil anyag-
töltésmagasság (m) modelleket alkalmazva is megvizsgáltuk [10]. A 2. ábra a különböző módszerekkel számított, illetve a kivitelezés megkezdésétől a töltés építés ütemében folyamatosan végzett süllyedésmérési eredményeket veti össze a teherfelvitel és az idő függvényében. A legfejlettebb modellel azért tudtunk a mért értéket jobban közelítő eredményt kapni, mert az figyelembe veszi az altalaj terhelés okozta javulását. 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 idő (nap) -2 süllyedés (cm) -4-6 monitoring hagyományos elmélettel számított PLAXIS 3D Mohr - Coulomb model PLAXIS 3D Soft - Soil model -8-10 2. ábra. Mérési és süllyedésszámítási eredmények a Zalavasút I-en 3.2 Zalavasút II. Zalaegerszeg-Ukk szakasz: cellamatrac A pálya e szakasz elején új nyomvonalra, a továbbiakon teljes, illetve fél keresztszelvényben a meglévő töltés helyére épült. A töltés geometriai kialakítása, a töltésképző anyag minősége az I. szakaszra ismertetettekhez hasonló, a töltésmagasság a szakasz elején 5,5 m, aztán 0,5-2,5 m. Az altalaj jellemzői: egy vékony fedőréteg alatt 0,5-1,0 m vastagságban tőzeg, alatta 2-3 m vastag puha szerves agyag fekszik, az alatt pedig szemcsés összlet van [11]. A földmű építésére itt is kb. 1 év állt rendelkezésre. Emiatt és a költségcsökkentés okán a Fővállalkozó annak vizsgálatát kérte, hogy építhető-e az eredeti vibrált kőoszlopos töltésalapozás helyett cellamatracos alapozás, melyre kedvező ajánlatot kapott. A Zalavasút I-től eltérően, itt már ehhez az áttervezéshez a Plaxis 2D véges-elemes programot használtuk, és a puha altalaj és a töltésépítéskor bekövetkező tehermentesítés-újraterhelés korrektebb leírása végett a Soft Soil (SS) és a Hardening Soil (HS) anyagmodellt alkalmaztuk [12]. A tőzeg és a kövér agyag ezen
anyagmodellekben szereplő módosított kompressziós és duzzadási indexét igényes ödométeres vizsgálattal határoztuk meg, amelynek eredményére mutat példát a 3. ábra. Az alapozást számításokkal alátámasztva megfelelőnek ítéltünk, bár jeleztük, hogy jelentős mértékű másodlagos összenyomódásra kell számítani, s a hidak háttöltéseinél szükség van az altalaj javítására is. A cellamatrac alá az agyagok konszolidációjának gyorsítására függőleges szalagdrének beépítését is javasoltuk. ln p' (kpa) 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 0,0 4,0 e v (%) 8,0 12,0 16,0 20,0 3. ábra. A Zalavasút II-n végzett egyik ödométeres vizsgálat eredménye A süllyedést, a konszolidációs időt (figyelembe véve a beépített drének konszolidációgyorsító hatását), illetve a stabilitást (figyelembe véve mind a cellamatrac, mind pedig a beépített szalagdrének stabilitásnövelő hatását) egy PLAXIS 2D modellen vizsgáltuk, szimulálva az építésütemezést is. A 4. ábra a végállapotban bekövetkező függőleges összenyomódásokat érzékelteti. A töltésépítés ütemében süllyedésmérésre is sor került, s az eredmények a számítottaktól alig tértek el. A cellamatracos alapozás állékonyságát számítottuk a Brit talajerősítési szabvány (BS 8006:1995) ajánlásai alapján is, amely hagyományos földstatikai elveken alapul [13]. A két módszer hasonló eredményt adott. 4. ábra. A függőleges összenyomódások a Zalavasút II. egy szakaszának cellamatracos és szalagdrénes alapozására végzett FEM-analíziséből
4 M7 autópálya töltésalapozásai A 2000-2010 közötti években Magyarországon nagy autópálya építési program valósult meg. Az M7 autópálya Zamárdi-Országhatár közti szakaszán sok helyen került a nyomvonal tőzeges területre, ami komoly kihívást jelentett a geotechnikusok számára. Az alkalmazott megoldások, a projekttapasztalatok ugyanakkor gazdagították is a szakterületet. E projektekben a SZE geotechnikusai elsősorban a Mérnök oldalán működtek közre, de részt vettek a monitoringban is. 4.1 M7 ap. Balatonszárszó-Ordacsehi szakasz: lépcsős építés Az M7 autópálya e szakasza a Balatontól délre, a Somogyi dombvidék északi peremén épült. A pannóniai emelet felszínének eróziójával, a pleisztocén üledékek lerakódásával alakult ki, melynek a legelterjedtebb képződménye a lösz, mely 20-30 m vastagságban borítja Somogy dombjait. A holocénban képződött a tó és a berek ingoványos, mocsaras területe. A nagykiterjedésű, szerves tőzegek a körzet mélyen fekvő részein ott jöttek létre, ahol az annak idején a magasabb vízszintű Balaton folyamatosan víz alatt tartotta a felszínt. Ezek településhelyzete szabálytalan, mivel egykor a mélyedéseket töltötték ki, minőségük vízszintes és függőleges irányban egyaránt változik [14]. Az autópályatöltés jellemző geometriáját és az altalaj legfontosabb tulajdonságait az 5. ábrán szemléltetjük. (Egyes mocsaras területeken nem lehetett vizsgálatokat végezni, azt kellett feltételezni, hogy e helyeken még kedvezőtlenebbek lehetnek a talajparaméterek.) Az építéshez itt elegendő idő állt rendelkezésre, így a legegyszerűbb és legolcsóbb megoldást, a lépcsős építést lehetett választani, nem volt szükség talajjavításra. Az itteni korábbi töltésépítések tapasztalatai e megoldás sikerével biztattak, s számítással is valószínűsíthető volt, hogy az évtizedekre elhúzódó másodlagos konszolidáció mértéke elviselhető. ~6,0 ~30,0 ~6,0 1,0 pályaszerkezet 2,0 1,0 homoktöltés homokos kavics = 21 kn/m 3 1:1,5 h 4,0 tőzeg E s 600 kpa k 10-7 m/s C 0,005 c u 15 kpa homokos agyag E s 12 MPa 5. ábra. Az M7 autópálya tőzeges altalajú szakaszának fő paraméterei
süllyedés (cm) töltésmagasság (m) Kérdéses tulajdonképpen csak az volt, hány lépcsőben szabad megépíteni a töltést, s egy-egy lépcsőt meddig kell pihentetni. A töltésalapozást a hagyományos elméletek alkalmazásával méretezték, pl. drénezetlen nyírószilárdság terhelés hatására bekövetkező növekedését Mesri egyszerű képletével számolták. A szakasz végül három ütemben épült, előbb két kb. 2,0 m magas lépcső készült el, melyek után 5-6 hónap pihentetés következett. Ezután készült el a védőréteg, illetve azt (túltöltésként) 0,5 m helyett kb. 1,0 m magasságúra építették, hogy a pályaszerkezet alatt várható süllyedéseket is előrehozzák. E lépcsőt 2-3 hónapig hagyták fenn, s aztán épült meg a cementes stabilizációs réteg. A munka közben havonta volt süllyedésmérés és annak kiértékelésére támaszkodva döntöttek a további munkafázisokról. A 6. ábra egy süllyedésmérési eredményt mutat [15]. 105 M7 autópálya 136+200 töltés-süllyedés 0 bal váll -10-20 tengely jobb váll -30 töltés túltöltés 0,45 m -40-50 -60 2004-70 5.29 7.28 9.26 11.25 1.24 3.24 5.23 7.22 9.20 11.19 6. ábra. Süllyedésmérési eredmény az M7 ap. 136+200 szelvényében A lépcsős építés jó megoldás volt, tetemes megtakarítást eredményezett, elmaradhatott a talajcsere vagy a talajjavítás. Az első építési szakaszok első lépcsőinek tapasztalatai alapján lehetett pontosítani a további terveket, ami lényegileg megfelel az Eurocode 7 által is ajánlott megfigyelési módszernek. Ez éppen olyan helyeken indokolt, ahol az altalaj viselkedését nehéz előre jelezni, mint ahogy itt is egyes részterületek tőzegeit illetően. A hagyományos módszerekkel végzett süllyedésszámításokkal kapcsolatban meg lehetett (kellett) állapítani, hogy a 2. és 3. lépcsőben keletkező süllyedésekre csak akkor adnak jó eredményt, ha azok süllyedéseit az előző fázisban feljavuló modulusokkal számítjuk. idő
4.2 M7 ap. Ordacsehi-Balatonkeresztúr szakasz: DR-kezelés Az M7 autópálya következő, Ordacsehi és Balatonkeresztúr közötti tőzeges szakaszán az adottságok csaknem azonosak voltak az előző szakaszéval. E szakasz nagyobb része az egykori Balaton melléköblének területére esik, amely mélyen benyúlik a dombok pleisztocén löszből és finom homokból álló részére. A mocsaras, lápos területen a terepszint alatt általában 1-3 m vastagságú fekete, meszes, iszapos tőzeg található, mely a Csisztai-csatornánál a legvastagabb (4,6-4,8 m). A tőzeg alatt sok helyen szürke, szürkésbarna, puha szerves agyag vagy iszap van [16]. Lényeges különbséget jelentett az előbbi szakaszhoz képest, hogy az építési határidők és a szervezés egyéb kötöttségei nem tették lehetővé a három-, de még a kétlépcsős építést sem. A Fővállalkozó tartott továbbá attól, hogy a másodlagos összenyomódás okozta deformációk miatt a jótállási kötelezettség tetemes javítási költségeket róhat rá. Az eredeti tervek kavicscölöpözést tartalmaztak, de a Fővállalkozó e megoldástól hamar elállt. Viszonylag gyorsan, részletesebb terv nélkül is kiderült ugyanis, hogy e technológia által igényelt alulról és fölülről is behatárolt szemeloszlású homokos kavics ára itt rendkívül magas lett volna. A folyópálya töltésalapozását végül alvállalkozóként a francia Menard-cég oldotta meg az általa tervezett és megvalósított dinamikus talajcserével létrehozott kőtömzsökkel. D c 2,5 m átmérőjű acéltömböt 8-10 m magasról ejtegetve döngölték be a gyenge altalajba a felszínre terített vegyes, murvaszerű bányameddőt, melynek a bedöngölés utáni mechanikai és hidraulikai jellemzői a célnak még éppen megfeleltek, de amelyet vibrált kőoszlopként már nem lehetett volna bejuttatni. Az első fázisban általában 7,0 7,0 m-es négyzetes raszterben hoztak létre kőtömzsöket, majd a másodikban egyet-egyet a négyzetek középpontjaiban is [17]. A Menard-cég a méretezés során nem a hagyományos modellezéssel élt, hanem a PLAXIS 2D program AXY modelljével vizsgált egy kőtömzsöt s az azt körülvevő talajhengert (7. ábra). A 2.2. fejezetben már vázolt módon értékelték az eredményeket, és arra vállaltak garanciát, hogy a forgalmi terhelés nem okoz majd a pályaszerkezet tetején 5cm/50m-nél nagyobb süllyedéskülönbséget. Ez a modell a teljes (átlagos) süllyedésre valamivel hatékonyabb csökkentést mutatott ki, mint amit a Priebemodell eredményezett, s a megfigyelés ezt általában igazolta is. Hogy az így javított altalajon egy lépcsőben felépíthető-e a töltés alaptörés nélkül, azt a francia gyakorlatban használatos TALREN nevű állékonyság-vizsgáló szoftverrel ellenőrizték. A síkbeli állapotra érvényes, lamellás eljárással dolgozó programba a javított altalaj szilárdságát a termett talaj és a kőtömzsök szilárdságának a felületeik arányával súlyozva átlagként vitték be.
lépték, geometria, rétegződés, kőtömzs, járműteher FEM-háló süllyedések a töltés hatására főfeszültségek a töltés hatására süllyedések a forgalom hatására 7. ábra. M7 ap.: Kőtömzsök hatásának Menard-féle FEM-modellezése A hidak mögötti magasabb háttöltések alatti altalaj összenyomódásból származó süllyedéseket 2,0 2,0 m raszterben lehajtott ún. CMC betoncölöpökkel (Controlled Modulus Column) csökkentették. E hatékonyabb megoldást azért vetették be, mert a hídfőknél a süllyedés miatt kialakuló lépcsőt a közlekedők általában szigorúbban ítélik meg. 4.3 M7 ap. Nagykanizsa-Becsehely szakasz: hídfőproblémák E szakaszon a pannon agyag, agyagos homok, homokkő és márga alkotja az altalajt. Néhol 20 m-ig is I c =0,7-1,1 konzisztenciájú kövér agyagok vannak, a kiszáradt kéreg alatt a drénezetlen nyírószilárdság és az öszszenyomódási modulus a mélységgel nő (c u =10-90 kpa és E s =4-25 MPa). A talajvízszint jellemzően a felszín alatt 1,0-2,0 m-re van, de helyenként a terepen jelentkezik. A Tervező ezeket az adottságokat elfogadhatónak ítélte, ezért a folyópálya töltéseihez speciális alapozást nem írt elő. A hidak magas háttöltéseihez a kis áteresztőképességű agyagok konszolidációjának gyorsítására viszont függőleges szalagdrénezést tartottak szükségesnek, 9 db híd esetében pedig kavicscölöpöket. A tervezés során a hagyományos elméleteken alapuló módszereket alkalmazták. A kivitelezés során gondot okozott, hogy a projektet a műszakilag megfelelő megvalósíthatóság árhatárán alul vállalták. Hátráltatta a munkát az is, hogy a kivitelezést végző egyik konzorciumi tag ellen csődeljárás indult. A dréneket későn építették be, s így az átadásig a konszolidáció nem zajlott le. A vibrált kőoszlopok esetében problémát okozott a felső kiszáradt kéreg átszúrása.
A mozgásokat e szakaszon is ellenőrizték, ám a korábbi szakaszokhoz képest ritkábban, az egész kivitelezés alatt csak 3-4 mérésre került sor, aminek oka szintén a projekt áron aluli vállalása volt [18]. A szakasz átadása után másfél évvel több helyen problémák jelentkeztek, főleg a csőátereszek környékén, mert azok késői beépítése után már nem volt elég idő a konszolidációra. Egyes helyeken az egyenlőtlen sülylyedés miatt a burkolat deformálódott, sőt meg is repedt. Gondok voltak egyes hidak háttöltéseinél is: a mozgások elhúzódtak, tartani kellett a cölöpökre ható negatív köpenysúrlódástól és a nyomatéki terhelésüktől. E szakaszból érdemes kiemelni a Z31 műtárgy esetét. A támaszokat CFA cölöpökre alapozták, a közel 15 m magas háttöltések alá pedig kavicscölöpöket építettek be süllyedéscsökkentés és konszolidációgyorsítás céljából. A gyors töltésépítést követően azt tapasztalták, hogy a töltéskorona alatt 25 cm süllyedés, a töltéslábnál pedig 10 cm emelkedés következett be, az áthidalt patakmeder feltöltődött, visszaduzzasztott, a közbenső támaszok oszlopai pedig 20 cm-t befelé dőltek. Nagy mértékű oldalirányú talajmozdulások következhettek tehát be, s a kérdés az volt, hogy felhelyezhetők-e a tartók az elferdült támaszokra, s rajtuk keresztül a hasonlóan szabálytalanul terhelt cölöpökre [2]. A hídfők és a közbenső támaszok viselkedésének modellezését PLAXIS 2D programmal, azon belül HS anyagmodellel sikerült megoldani, mellyel az építési folyamatot komplex módon lehetett modellezni, s a sokszereplős kölcsönhatásokat egészben, egyben lehetett kezelni. A modellt a megmért elmozdulásokkal kalibrálni lehetett, s így igazolható volt, hogy a felszerkezet megépíthető, sem az, sem a későbbi járműterhelés nem okoz kritikus állapotokat. A 8. ábra az üzemi állapotban bekövetkezett vízszintes mozgásokat érzékelteti. 8. ábra. M7 ap. Z-31 híd: PLAXIS 2D modellel kapott vízszintes mozgások
2014-ben a SZE Szerkezetépítési és Geotechnikai Tanszékén a hídfők viselkedésének modellezésére készült egy PhD dolgozat [19], mely már a 3D modellezés lehetőségét is elemezte. Bíztató eredményeket hozott, mert reálisabban vette figyelembe a cölöpök viselkedését és az előtöltés körüli feszültségi és alakváltozási állapotot. Egy teljes hídfő PLAXIS 3D futtatási eredményeiből a 9. ábra a függőleges elmozdulásokat mutatja. 9. ábra Hídfő PLAXIS 3D modellezése: a függőleges elmozdulások képe 5 Összefoglalás A puha altalajon való töltésépítés során fenyegető talajmechanikai veszélyek elhárítására számos technológiát alkalmaztak és fejlesztettek tovább az elmúlt időkben hazánkban is, minthogy a Kárpát-medencei talajadottságok okán gyakorta találkozunk ezzel a feladattal. A dolgozat a Zalavasút és az M7 autópálya ilyen projektjeit tekinti át, hangsúlyt helyezve arra, hogy miként jutottunk el egy-egy szakaszon az optimálisnak gondolt megoldáshoz. Fontosnak tartottuk annak bemutatását is, hogy miként fejlődtek a projektek keretében a tervezési-méretezési módszerek. Ezek révén tisztázódtak az egyes megoldások alkalmazási kritériumai, melyeket korábban még sokat vitattunk. Az 1. táblázat ezeket foglalja össze, értékelve, hogy a különböző módszerek miként növelik a stabilitást, csökkentik a süllyedést és miként értékelhetők a kivitelezési költségek, az építési idő és a környezetvédelem szempontjából. E táblázat jól segíthet a tervezés első fázisában, a módszer kiválasztásában. Kialakult az is, hogy mely tervezési, méretezési módszerek fogadhatók el, illetve melyek segítik, teszik igazán hatékonnyá az alkalmazásukat. A hazai projektek tapasztalataira és igényeire épülve több kutatás, PhDértekezés is bővítette tudásunkat, képességeinket, a dolgozat ezeket is felvillantja.
A tárgykörben a fejlődést segíti az is, hogy a közelmúltban több technológiára adtak ki európai szabványt a Speciális geotechnikai munkák című sorozat részeként, s ezeket Magyarország is honosította. Ezeket és az összegyűlt tapasztalatokat is hasznosítva az alkalmazási és modellezési irányelveket a 2006-ban megjelent Utak és autópályák létesítésének általános geotechnikai szabályai című útügyi előírás (e-út-06.02.11) és a 2012-ben elkészült Vasúti alépítmény tervezése, építése, karbantartása és felújítása című, D11 jelű MÁV-utasítás is megfogalmazta. 1. táblázat. A töltésalapozási módszerek hatékonysága Irodalomjegyzék [1] Koch E., Scharle P., Szepesházi R. (2008a): Példák és esettanulmányok a mából a kétfokozatú mérnökképzésben hagyományos és újszerű modellezéssel, Kézdi Árpád Emlékülés, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2008. szeptember 21, pp 42-61. [2] Szepesházi, R. (2009): Hídalépítmények tervezésének fejlesztése, 50. Hídmérnöki Konferencia, Siófok, pp. 429-470. [3] Koch E. (2013): Töltésalapozási eljárások modellezése, Széchenyi István Egyetem, PhD értekezés, Győr.
[4] Priebe, H.J. (2005): The design of Vibro Replacement, Ground Engineering, dec, pp. 31-36. [5] Barron, R.A.(1948): Consolidation of fine-grained soils by drain wells, Proceedings of ASCE, 134, Paper No. 2346, pp.718-724. [6] Ray, R., Scharle, P., Szepesházi, R. (2010): Numerical modeling in the geotechnical design practice, 14th Danube-European Conference on Geotechnical Engineering, Bratislava, cd kiadvány. [7] Varaksin, S. (2007): The importance of the conception and the in situ parameters at the soil improvement projects, Széchy Károly Emlékelőadás, Budapest. [8] Schweiger, H.F. (2009): Numerical modelling of stone columns in soft clay under an embankment, Geotechnics of Soft Soil Focus on Ground Improvement, Taylor&Francis Group, London, pp. 305-311 [9] Koch E. (2005a): Töltésépítés a Zalavasúton, Közúti és Mélyépítési Szemle, 55. évf. december. pp. 16-22. [10] Brinkgreve R.B.J., Vermeer P.A. (2010): PLAXIS-Finite element code for soil and rock analyses, Plaxis 3D. Manuals, Delft University of Technology Plaxis bv, The Netherlands. [11] Koch, E., Scharle, P. (2010): Design of geocell mattress at the Zala railway line, XIVth Danube-European Conference on Geotechnical Engineering, Bratislava, cd kiadvány. [12] Brinkgreve R.B.J., Vermeer P.A. (2002): PLAXIS-Finite element code for soil and rock analyses, Version 8. Ed. by A.A. Balkema, Rotterdam. [13] BS 8006:1995, British Standard, Code of practice for strengthened/ reinforced soils and other fills, London, pp. 122-150. [14] Pozsár L. (2003): M7 ap. Balatonszárszó-Ordacsehi közötti szakasz, Részletes geotechnikai szakvélemény, GEO-TERRA Kft. [15] Koch E., Táskai A. (2004): Süllyedésmérés az autópálya-építéseken, Mélyépítés, 2004. július-szeptember, pp. 42-43. [16] Farkas, J. (2005): A földmű-alapozás elméleti háttere az M7 autópálya Ordacsehi és Balatonkeresztúr közötti szakaszán, Közúti és Mélyépítési Szemle, 55. évf. 10. szám, pp. 28-37. [17] Hajdú A., Tárczy L. (2006): Az M7 autópálya Ordacsehi-Balatonkeresztúr szakasz különleges töltésalapozásának viselkedése 6 hónap üzemeltetés után, Geotechnika 2006 Konferencia, Ráckeve. [18] Koch, E., Szepesházi, R. (2009): Foundation of embankments on peaty subsoil at M7 Motorway in Hungary, Seminar on Geotechnical Engineering in Road Construction, Bratislava, pp. 113-119. [19] Szép, J. (2014): Hídszerkezetek modellezése a talaj és a szerkezet kölcsönhatásának figyelembevételével, Széchenyi István Egyetem, PhD értekezés, Győr.