Alépítmény Válogatott fejezetek, esettanulmányok
A meszes stabilizáció lehetőségei (Útügyi napok)
Biztonsággal tervezhető folyamatok és eredmények meszes talajstabilizálással. Útépítés - alépítmény 3
Tervezési célok A beruházói igények kielégítése, vagyis: Költség/eredmény mutatók optimalizálása A kivitelezési idő és kockázat minimalizálása A várható karbantartási periódus optimalizálása Ugyanakkor egyre hangsúlyosabban a környezetvédelmi szempontok figyelembe vétele Útépítés - alépítmény 4
Thousand Metric tons Nemzetközi tapasztalatok Meszes talajstabilizálás USA 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1960 1972 Lime sold in USA for Soil stabilization 1974 1976 1978 1980 1982 Year Útépítés - alépítmény 1984 1986 1988 1990 2001 Sold 5
Thousand metric tons Nemzetközi tapasztalatok Meszes talajstabilizálás Csehország Czech Rep. 60 40 20 Czech Rep. 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Czech Rep. 1 7 10 21 35 56 Year Útépítés - alépítmény 6
Mikor alkalmazható a meszes stabilizáció? Beépítésre - átalakítás nélkül - alkalmatlan kötött talajok előfordulása esetén a helyben maradó talaj alkalmazásával kialakított töltésalapozások, feltöltések és útpályaszerkezetek alaprétegeinek tervezése és kivitelezése esetén. Amennyiben az építési munkák során, többnyire azok megkezdésekor a vártnál nagyobb a feltárt talaj nedvesség tartalma, ami késlelteti a munkák megkezdését. A munkaterület elérése érdekében gazdaságosan megépíthető felvonulási utak tervezése és kivitelezése során. Útépítés - alépítmény 7
A talajban végbemenő változások CaO+H 2 O= Ca(OH) 2 Útépítés - alépítmény 8
A meszes stabilizáció során végbemenő kémiai reakciók. A kezeletlen agyagoknak a polimerekhez hasonló molekuláris struktúrája van, ami nagyfokú plaszticitással párosul. Ez a struktúra nagymennyiségű vizet képes magába zárni, negatívan befolyásolva az anyag tömöríthetőségét. Flocculation/Agglomeration Kezeletlen agyag szemcsék Flocculation/Agglomeration Agyag szemcsék a meszes kezelés után Útépítés - alépítmény A meszes kezelés hatására nem csak a kötött vízburok mérete változik meg, hanem az agyag szemcsék elrendeződése is. A párhuzamos elrendeződésű agyagszemcsék magas deformitási hajlamot eredményeznek, míg a fejvég elrendeződés, mely a mész hatására jön létre, a deformitási szilárdság növekedésével jár. 9
Talajstabilizálás mésszel - a folyamat A végbemenő folyamat: A mész és a talaj szilikát és aluminát részecskéi egymással reakcióba lépve cementes kötést hoznak létre. Ez a PUCCOLÁN REAKCIÓ, melynek során az agyagos talajok jól tömöríthető morzsalékos anyaggá válnak. CA (OH ) 2 Agyag szemcsék 2 2 3 A puccolán reakcióból származó cementes anyag [C-S-H and C-A-H] Puccolán Reakció CA (OH ) 2 CA (OH ) 2 CA (OH ) 2 Kálcium hidroxid Útépítés - alépítmény 10
% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 STABILIZÁLÁS - talaj fajták A stabilizálás lehetősége a talaj szemszerkezetének függvényében HOMOK ISZAP AGYAG Mész + pernye/ kohósalak keverékével; hidraulikus kötőanyaggal stabilizálható Mésszel stabilizálható frakció 0 0,5 0,1 0,05 0,02 0,01 0,002 0,0002 Útépítés - alépítmény 11
STABILIZÁLÁS - a talaj víztartalma A mésszel való stabilizálás alapanyagai: Őrölt, égetett építési mész (CaO), Porrá oltott mész (Ca(OH) 2 ), Oltott mészpép. Őrölt, égetett mész (CaO), Porrá oltott mész (Ca(OH 2 ), Oltott mészpép w >> w opt w ~ w opt w < w opt Útépítés - alépítmény 12
Talajstabilizálás mésszel- plasztikus index Amennyiben a talaj plasztikus indexe I p 15%, a mésszel való kezelés jelentős teherbírás növekedéssel jár Ha ennél alacsonyabb, 8% I p < 15%, a várható teherbírás növekedés kisebb mértékű lesz. Minden egyéb esetben a meszes kezelés szárító hatásával lehet tervezni. Útépítés - alépítmény 13
Talajstabilizálás mésszel - szerves anyag tartalom Ha a talaj szerves anyag tartalma 5 % alatti, az eljárás alkalmazható, azonban 2 % és 5 % közötti szerves anyag tartalom esetén az adagolt mész mennyiségét meg kell növelni. 5 % feletti szerves anyag tartalom esetén az eredmények a szerves összetevők bomlása miatt középtávon visszaesnek, tehát a humusz leszedésére figyelmet kell fordítani. Útépítés - alépítmény 14
A STABILIZÁLÁS hatása V í Z T A R T A L O M % 60 50 40 30 20 10 0 Égetett mészporral stabilizált kövér agyag 0 2 4 6 8 10 MÉSZADAGOLÁS töm. % W l W p I p N Y O M Ó S Z I L Á R D S Á G 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Útépítés - alépítmény 0,0 N/mm 2 0 2 4 6 8 10 MÉSZADAGOLÁS töm. % 28 nap 14 nap 7 nap 4 nap 2 nap 1 óra 15
Kövér agyag proctor-görbéi mész nélkül és 3 % égetett mész adagolással S Z Á R A Z 1,90 1,85 1,80 dmax=1,83g/cm 3 dmax=1,81g/cm 3 Mész nélkül T É R F 1,75 S 1,70 Ű R Ű 1,65 S É G 1,60 W opt =15,5% W opt =20,5% g/cm 3 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 VíZTARTALOM % 3% égetett mésszel Útépítés - alépítmény 16
Tömörítési és teherbírási értékek változása Proctor 0% mész 2% mész 3%mész d,max wopt d,max wopt d,max wopt Kg/m 3 % Kg/m 3 % Kg/m 3 % CBR 1724 17,2 1702 18,7 1673 19,9 Áztatás előtt Áztatás után Áztatás előtt Áztatás után Áztatás előtt Áztatás után % % % % % % 17 14 22 29 26 41 Útépítés - alépítmény 17
[N/mm 2 ] Tárcsás vizsgálatok eredményei E2modulus változása; Miskolc Bosch csarnok Teherbírási modulus E2 80 70 60 50 40 30 20 10 Őrölt égetett mésszel kevert talaj teherbírása Az altalaj teherbírása a stabilizálás előtt 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Vizsgálat sorszáma Útépítés - alépítmény 18
A kivitelezés időigénye- szállítási igény meghatározása A. Talajcsere: Kiemelt föld a depóniára: 0,4 m x 10.000 m² x 1,9 to / m³ = 7.600 to Új anyag: 0,4 m x 10.000 m² x 2,0 to / m³ = 8.000 to Összes anyagszállítás = 15.600 to Összes szállítási igény ( 15 to/tgk.) = 1.040 Tgk. B. Talajstabilizálás: Mész hozzáadagolás (kb. 5 %) 0,4 m x 10.000 m² x 2,0 to / m³ x 0,05 = 400 to Összes szállítási igény ( 15 to/tgk.) = 27 Tgk. 97% -al kisebb szállítási igény Útépítés - alépítmény 19
A kivitelezés időigénye- átfutási idő összehasonlítása A. Talajcsere: Talaj kitermelése ( 2 db nagyteljesítményű kotró ) = 5 nap Talaj visszaterítése, tömörítése = 4 nap Összes átfutás = 9 nap B. Talajstabilizálás: Stabilizációs réteg építése komplett (5000 m²/nap) = 2 nap Összes átfutás = 2 nap 77% -al kisebb finanszírozási igény Útépítés - alépítmény 20
M0 délnyugati szakasz szélesítése, alépítmény
Bevágás építés törőfejes kotróval Útépítés - alépítmény 22
Törő és roppantó fejes kotró Útépítés - alépítmény 23
Lépcsős kialakítású bevágás fejtés Útépítés - alépítmény 24
Bevágás fejtés Útépítés - alépítmény 25
Talaj ill. kőzet viszonyok A szakaszok területén miocén korú, partszegélyi keletkezésű (félig sós) durva mészkő található. A kőzet keletkezéséből fakadóan változatos kifejlődésű, melyeket jól reprezentálnak a közbetelepült agyag, riolittufa rétegek is. A feltárásokból vett magminták erőteljesen eltérő tagoltságot mutattak. Az RQD érték, mely azt mutatja meg, hogy egy adott szakaszon belül hány százalék a 10 cm-nél nagyobb magminta nagy szórást mutatott, értéke 25-100 között változott. A felső magminták erősen tagoltak, míg az alsók ép kőzetet tükröznek. Útépítés - alépítmény 26
A kőzetmechanikai vizsgálatokhoz a feltárt minták 13 eltérő kőzetváltozatba kerültek besorolásra. Ez is érzékelteti a nagyfokú heterogenitást. Az eredmények eltérő szilárdsági paramétereket mutattak, a nyomószilárdság és a rugalmassági modulus feltüntetésével Útépítés - alépítmény 27
Depónia képzés Útépítés - alépítmény 28
Depónia Útépítés - alépítmény 29
Töltés építés Útépítés - alépítmény 30
Töltésépítés Útépítés - alépítmény 31
Elrendezett terep és előkészített rézsű Útépítés - alépítmény 32
Talajtömörítés vibrohengerrel és gumihengerrel Útépítés - alépítmény 33
Lokális depóniák Útépítés - alépítmény 34
A fedőréteg terítése Útépítés - alépítmény 35
Ejtősúlyos talajvizsgáló berendezés Útépítés - alépítmény 36
Ejtősúlyos talajvizsgáló berendezés Mérési elve az, hogy egy ismert tömegű test adott, előre beállított magasságból történő leejtése során pontosan kiszámítható ütőmunkát fejt ki a szerkezet alsó, talajra merőlegesen feltámaszkodó ütköző felületére. A terhelés jellegét tekintve dinamikus. Erről az ütköző felületről adódik át a talajra a terhelés, amely hatására az benyomódik. A benyomódás pontos mértékét egy mérő regisztráló műszer segítségével tudják meghatározni, amely képes az adott terhelő erőhöz tartozó süllyedés (benyomódás) pontos megmérésére, valamint a mért adatok tárolására. Útépítés - alépítmény 37
Statikus terhelésmérés mérőórás benyomódás-mérővel Útépítés - alépítmény 38
Statikus terhelésmérés mérőórás benyomódás-mérővel Általában gépjárművek alváza alá állnak be vele, és a csavarorsó segítségével a járművet megemelik. A mérőóra a szerkezeten méri a terhelő tömeg által kifejtett nyomásértéket, amelyet megszorozva a feltámaszkodás felületének nagyságával adódik ki a terhelő erő értéke. A talajt terhelő erő értékének meghatározásakor figyelembe kell venni a szerkezet talajon felfekvő, valamint a terhelő tömeg felfekvési felületének arányát a számítások során. A berendezés statikus terhelés mérésére alkalmas. Útépítés - alépítmény 39
Talajminta vétele, és kiértékelése radiometriás méréssel Útépítés - alépítmény 40
Izotópos (radiometriás) mérés A szerkezetbe előzőleg a helyszínről vett tömörített talajmintát tesznek, ami megadja a mintavett talaj legfontosabb paramétereit, a nedvesség vagy víztartalmat, valamint a térfogatsűrűséget (ρ n, w tiz, T rρ %). Minden egyes helyszíni mérést laboratóriumi ellenőrző értékelés követ. Útépítés - alépítmény 41
A felső rétegek terítése és bedolgozása Útépítés - alépítmény 42
Tömörítőgépek alkalmazhatósága, talajtól függően, terítési vastagság és járatszám Útépítés - alépítmény 43
M-31-es autóút építése alépítményi munkái
Humuszolás, talajcsere A letermelendő humusz rétegvastagsága jellemzően 50 cm, A talajcseréket javasoltan T rp > 90% tömörségi fokig tömörített homokos kavicsból kell építeni, felső síkján mindkét esetben minimálisan E 2 > 30 MN/m 2 értéket kell elérni. A feltöltött területeken a megkívánt tömörség T rp > 85%, az előírt minimális teherbírás E 2 > 30 MN/m 2 Útépítés - alépítmény 45
A töltés felhordása, és tömörítése Útépítés - alépítmény 46
Pályaszerkezetek alatti minőségi követelmények Beton- és nagymodulusú aszfalt pályaszerkezet esetén ott, ahol az út bevágásban halad a fagyvédőréteg alatti 0.5 m vastag zónában 97%- os (-2% tűrés a mérések 20%-ban) tömörséget kell elérni, ezen zóna felszínén E 2 > 40 MN/m 2 teherbírást kell igazolni. Aszfaltburkolat és bevágás esetén a fagyvédőréteg alatt, a méretezett védőréteg vastagságból adódó tükörszinten 90%-os tömörség és E 2 > 40 MN/m 2 teherbírás igazolandó. Útépítés - alépítmény 47
Alépítményi minőségi követelmények Amennyiben az altalaj önmagában alkalmatlan ezen paraméterek előállítására, úgy a megkívánt tömörségi és teherbírási értékeket a réteg cementes, illetve meszes stabilizációjával kell előállítani és megtartani. A tervezett szakasz építésekor a meglévő töltésekhez a felső 0.2 m vastag fedőréteg eltávolítása után lépcsős fogazással lehet csatlakozni. A lépcsők maximális magassága 0.5 m legyen. Útépítés - alépítmény 48
Töltésalapozás - magas töltések Ahol az autópálya 12 m-t meghaladó magasságú töltésen vezet, a töltésláb szélessége, több mint 70 m. Itt az altalajra átadódó nagy terhelések következtében a töltés felhordása jelentős alakváltozásokat okozott, 40-50 cm közötti süllyedés is kialakult. Előzetes számítások szerint a konszolidáció várható ideje 5-6 hónap lett volna. Ezeken a helyszíneken az építés ütemezésének függvényében felmerült a konszolidáció gyorsításának igénye. Az adott körülmények között kavicscölöp alkalmazása tűnt célszerűnek Útépítés - alépítmény 49
Az első pályaszerkezeti réteg felhordása Útépítés - alépítmény 50
Betonburkolat alatti minőségi követelmények A töltéstest koronaszintjén a pályaszerkezet építési kritérium minimálisan E2 > 80 MN/m 2 teherbírás. Amennyiben a földmű tükörszintjén az előírt teherbírás a felső 15 cm-es réteg konzerválása nélkül is biztosítható, akkor a CTh, illetve a CTt réteg elhagyható. A helyszínen stabilizált 15 cm-es réteg alternatívájaként alkalmazták a telepen kevert (CTt) változatot, ebben az esetben a réteg alatt megkövetelt teherbírás E2 > 60 MN/m 2 volt. Útépítés - alépítmény 51
A védőréteg A védőréteget a burkolati alapréteg alatt, a teljes koronaszélességben végig vezették. A védőréteg alsó síkja (tükör) oldalesése megegyezik a kopóréteg oldalesésével. A védőréteg felső 15 cm vastag stabilizált rétege a pályaszerkezettől számított 45 fokos teherátadási sáv szélétől mindkét oldalon 60-60 cm-rel túlnyúlóan készült. A szélesítés az alapréteget beépítő gép közlekedéséhez kellett. Ezen a szakaszon kívül, oldalesése változó, de csak úgy, hogy az esetlegesen felületére jutó vizet nem vezeti az alapréteg alá. Útépítés - alépítmény 52
Bevágási alépítmények Bevágásoknál a pályaszerkezet alatti -50 cm-es tükör kiemelését követően tükörtömörítéssel T rp > 97% tömörség és E 2 > 40 MN/m 2 teherbírást értek el. Azokon a helyeken, ahol a bevágás tükrön agyag talajok jelentkeztek, a földmű felső 50 cm vastag részének építése előtt - elsősorban elválasztási céllal- geotextília került Útépítés - alépítmény 53
Védőréteg A védőréteg teherbírás javító, egyben fagyvédőrétegként szolgál. Védőréteg céljára fagyálló szemszerkezetű szemcsés talaj használható fel: legnagyobb száraz térfogatsűrűsége legalább 1800 kg/m3, egyenlőtlenségi mutató: U > 7, a 0,02 mm-nél kisebb szemcsék mennyisége legfeljebb 10 tömeg %, a 0,1 mm-nél kisebb szemcsék mennyisége legfeljebb 25 tömeg %, a legnagyobb szemcseátmérő a tömör rétegvastagság 1/2-énél kisebb legyen. a módosított Proctor vizsgálat (MSZ 14043-7:1981) vagy a helyszíni próbatömörítés után a 0.1 mm-nél kisebb szemcsék tömegszázaléka nem haladhatja meg a vizsgálat vagy a próba előtti tömegszázalék 1.5-szeresét. Útépítés - alépítmény 54
A 10m t meghaladó bevágásokban osztópadkát kellett alkalmazni Útépítés - alépítmény 55