BUDAPESTI METRÓÁLLOMÁSOK BACK ANALYSIS VIZSGÁLATA A MONITORING EREDMÉNYEK TÜKRÉBEN BACK ANALSYS OF THE RETAINING STRUCTURE BEHAVIOUR AT BUDAPEST METRO STATIONS Kardos Nóra Dr. Mahler András Dr. Móczár Balázs Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Geotechnikai Tanszék ÖSSZEFOGLALÁS A mai világban a mérnöki létesítmények építése során a monitoring vizsgálatok egyre szélesebb körben terjednek. Azonban a magyar mérnöki társadalom egyelőre még nem fektet elég hangsúlyt a külföldön már számos területen használt és ismert back analysis -re. A kapott eredmények tágabb értelmű feldolgozása a legtöbb esetben nem történik meg. Diplomamunkám során egyes metróállomások munkatérhatároló szerkezeteinél mért alakváltozásokkal fogalkoztam. A választott metróállomások az M4 Etele téri állomása, annak a pajzsindító munkatere, melynél a kapott adatok alapján, megfelelő modell felvételére, majd vizsgálatára került sor, valamint a Gellért téri állomás, ahol a rendelkezésre álló adatok alapján csak a végállapotot tudtam vizsgálni. Célom annak vizsgálata volt, hogy a felvett talajparaméterek mennyire vannak összhangban a mérési eredményekből számított valós paraméterekkel. ABSTRACT The use of extensive monitoring systems during construction of engineering projects has became more and more popular recently. However, the everyday practice in Hungary pay less attention to the back analysis of the monitoring results. Back analysis of the retaining structures of two deep excavation is introduced and evaluated in this study. The chosen metro stations are: the Etele tér and the Gellért tér. The soil and monitoring data available for these sites enabled a detailed back analysis which aimed to make a comparison of back computed and initially choosen soil parameters. KULCSSZAVAK/KEYWORDS
Mély munkagödör, résfal, inklinométer, back analysis, véges elemes modellezés Deep excavation, diaphragm wall, inclinometer, back analysis, finite element modelling BEVEZETÉS Hazai építőiparban egyre szélesebb körben kezd elterjedni az a gondolat, hogy az építőmérnöki létesítmények kivitelezése után is foglalkozzunk a monitoring adatokkal. Sok esetben ugyan történnek mérések és utólagos vizsgálatok, csak ezek nem publikusak, a mélyépítő cégek saját knowhow-jukként kezelik. Elsősorban azt vizsgáljuk, hogy a tervezési fázisban felvett karakterisztikus jellemzőkkel számítva (pl.: Plaxis, Axis VM, Geo5) milyen elmozdulás értékeket kapunk és azok mennyire összehasonlíthatóak a monitoring mérési értékekkel. VIZSGÁLT ÁLLOMÁSOK Az általam vizsgált M4 metró állomások, az Etele téri pajzsindító állomás és a Gellért téri állomások voltak. Mindkét állomás Budán, a XI. kerületben helyezkedik el, a Budai-hegység mikrorégió területén. Az 1. ábrán látható az Etele téri pajzsindítóállomás inklinométeres méréseinek helye. 1. ábra Inklinométerek helye az Etele téri pajszindító állomásnál Az ismert helyek alapján, az 5-ös inklinométer keresztmetszetében vizsgálódtam. A 2. ábrán a munkatér alaprajza és keresztmetszete, valamint, az inklinométer globális elhelyezkedését mutatja.
2. ábra Alaprajz és az inklinométer elhelyezkedése az Etele téri pajzsindító állomásnál A Gellért téri állomásnál a 3. ábrán láthatjuk az inklinométerek elhelyezkedését. 3. ábra Inklinométerek helye a Gellért téri állomásnál Vizsgálataimat a 4-es inklinométer síkjában végeztem. A 4. ábrán a Gellért téri munkatér hosszmetszete és az inklinométer helye látható.
4. ábra Hosszmetszet és az inklinométer elhelyezkedése a Gellért téri állomásnál A két terület egy mikrorégióba tartozik, így a földtani felépítés szinte teljesen megegyezik a két állomás esetén. A különbség abban adódik, hogy a Gellért téri állomás esetén, megjelenik egy homokos kavics réteg a feltöltés alatt. A Gellért téri állomás a Dunához közel helyezkedik el és ez a homokos kavics réteg, a Pesti oldali hordalékkúp síkság Duna teraszkavics rétege. Az Etele téri pajszindító állomás számításokhoz felhasznált jellemző rétegszelvénye az 5. ábrán, a Gellért téri állomás pedig a 6. ábrán látható.
5. ábra Etele téri állomás rétegszelvénye 6. ábra Gellért téri állomás rétegszelvénye A talajrétegződés leegyszerűsítve a következő: felül feltöltés, alatta agyagos fedő réteg, Gellért tér esetén itt jelenik meg a homokos kavics réteg, majd alatta a kiscelli agyag. Az állomások Milánói módszerrel készültek, mely építési fázis állapotait az Etele téri állomás esetében vizsgálataim során igyekeztem figyelembe venni.
MODELLEZÉS A modelleket Plaxis 2012 végeselemes programmal készítettem. A mérések és a tervezési értékek alapján a Plaxis programba bevitt modell segítségével készítettem a back analízist. A szimmetria adta lehetőségek miatt, a doboz modellen belül a fél munkatéren vizsgálódtam. ETELE TÉRI PAJZSINDÍTÓ ÁLLOMÁS Az Etele téri pajzsindító állomás esetén a modell a 7. ábrán, a modell során felvett kiindulási talajfizikai paraméterek az 1. táblázatban láthatóak. A szerkezetek merevségi értékeinél, az UVATERV Út- és Vasúttervező Zrt.-től kapott értékekkel számoltam. A munkatér teljes szerkezete a lemezen kívül (az a modellben nincs benne) C20/25-ös betonból készült. A talajvízről, sajnos ennyi idő távlatában, pontos adatokhoz nem tudtam jutni (sehol sem volt fellelhető), így háromféle feltételezéssel élve vettem figyelembe azt. I.: Talajvíz, munkaterület alatt ~2 m-re, terepszint alatt ~4 m-re. II.: Talajvíz, földkiemelésnek megfelelően résfal környezetében folyamatosan változik. III.: Kiscelli agyag vízzáró. Ennek modellben való megjelenítése a 8. ábrán látható, ahol a szürkével jelölt rész a vízzárónak beállított kiscelli agyag és a talajvíz a munkaterület alatt ~2 m-re húzódik. 7. ábra Etele téri munkatér plaxis modellje A résfal hossza a rendelkezésre álló tervek szerint 21 m.
8. ábra Vízzáró kiscelli agyag beállított modellje 1. táblázat Etele téri állomás kiindulási paraméterei Feltöltés Agyagos fedő réteg Kiscelli agyag (repedezett) Kiscelli agyag (ép) f c g g n E oed E( 50ref) E( Urref) E( OEDref) Anyagmodell (unsat) (sat) fok kn/m2 kn/m3 kn/m3 MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2 28 10 18 19 0 8 - - - Mohr Coulomb 25 20 20 21 0,2-12 60 12 Felkeményedő 27 70 21 22 0,2 20 40,1 20 Felkeményedő 27 70 21 22 0,2 40 80,1 40 Felkeményedő Az inklinométeres mérések közül a maximális elmozdulási ábrát a 9. ábra mutatja. A görbe ahhoz az állapothoz tartozik, amikor az alaplemez szintjét elérte a földkiemelés. Az inklinométeres mérés során a fix pont, amelyet relatív nullának veszünk a felső. A maximális elmozdulás x=0,02915 m. Ezen értéket igyekeztem visszanyerni az előbbi modell és paraméterek segítségével.
9. ábra Etele téri munkatér inklinométeres görbéje GELLÉRT TÉRI ÁLLOMÁS A gellért téri állomás modellje a 10. ábrán, a modell esetében felvett talajfizikai paraméterek a 2. táblázatban találhatók. A szerkezetek merevségi értékeiről nem állt rendelkezésemre adat. A kapott geometriákat, betonminőségeket figyelembe véve számoltam ki a merevségeket zárt födémekre. A födémeknél áttörések voltak, így első körben végeztem egy vizsgálatot, mennyire befolyásolják a merevségek az elmozdulási értékeket, melyek eredményeiből azt kaptam, hogy számottevő hatásuk nincsen. 2. táblázat Gellért téri állomás kiindulási paraméterei f c g g n E oed E( 50ref) E( Urref) E( OED50ref) Anyagmodell (unsat) (sat) fok kn/m2 kn/m3 kn/m3 MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2 Feltöltés 28 10 18 19 0 8 - - - Mohr Coulomb Agyagos fedő réteg 25 20 20 21 0,2-12 60 12 Felkeményedő Homokos kavics 37 0 19 20 0 40 - - - Mohr Coulomb Kiscelli agyag 25 30 21 22 0,2 20 100 20 Felkeményedő A talajvízről sajnos pontos adatokat itt sem kaptam hossza kutatásom ellenére sem, így a már említett háromféle feltételezéssel vettem figyelembe.
10. ábra Gellért téri munkatér plaxis modellje Az inklinométeres mérések maximális elmozdulási ábrája a 11. ábrán látható. A görbe az alaplemez beépítése utáni állapotra vonatkozik. Az inklinométeres mérések során a fix pont, amelyet relatív nullának veszünk az a résfal alsó pontja. A maximális elmozdulás itt x=0,01558 m volt. Ezen értéket igyekeztem visszanyerni az említett modell és paraméterek esetében. 11. ábra Gellért téri munkatér inklinométeres görbéje VIZSGÁLATOK
A vizsgálatok elején végeztem egy paraméter érzékenység vizsgálatot. Az 1. és 2. táblázatban szereplő minden egyes paramétert ±10%-kal változtatva lefutattam a számítást. Ennek célja az volt, hogy lássam, az egyes paraméterek milyen mértékű hatással vannak a modell elmozdulási értékeire. A változtatások következtében az az eredmény született, hogy a kiscelli agyag alakváltozási paramétereit változtatva lesz a legnagyobb elmozdulás változás. A többi paraméter változtatásával annyira markáns elmozdulási érték különbség nem alakult ki. Ezután az egyes feltételezett talajvízviszonyok mindegyikénél az alakváltozási paramétereket változtatva igyekeztem a maximális elmozdulási értékeket visszanyerni. A Talajvíz I. esetén a vízszintes elmozdulás ábra folytonosan lefelé növekvő még a résfal befogott részénél is; a Talajvíz II. esetén az ábra lefelé növekvő, de a résfal befogott szakaszán már közel állandó; a Talajvíz III. esetén pedig hasasodó, de nem teljesen ugyanolyan, mint az inklinométer esetén, az elmozdulási maximum nem ugyanott alakul ki. A talajfizikai paraméterek változtatása után, a talajok előterheltségét is figyelembe vettem, megnézve annak hatását az résfal vízszintes elmozdulásaira nézve. A talajok előterheltségének számításba vételére, két lehetőség van: túlkonszolidáltsági fok (OCR), vagy az előterhelési szint (POP) alkalmazásával. Az OCR változtatásokat végrehajtva az egyes figyelembe vett talajviz állapotok esetén a résfal alsó részénél az ábra hamarabb visszagörbül. Növelve az OCR értékét az elmozdulások nőnek. Az OCR=3-nál a görbe maximális értékig megfelelő, azonban utána az alja még lassabban görbül vissza. A POP változtatását végrehajtva, a talajvíz I. és II. feltételezése esetén az OCR változtatáshoz hasonlóan viselkedik, azaz lecsökken az elmozdulások értéke és hamarabb visszagörbül az ábra. Azonban a Talajvíz III. esetén a POP érték változtatásával a görbe szinte ugyanott marad. A plaxis modell plate elemében, amely jelen esetben maga a résfal, lehetőség van egy határnyomatéki érték megadására, ekkor a résfal anyag típusát Elastoplastic-ra kell állítani (Mp). Ennek beállításával a modell lefutásakor, ahol a résfalban keletkező nyomaték értéke meghaladná a határértéket, ott egy képlékeny csuklót vesz figyelembe a program a modellben. Vizsgálatot végeztem a határnyomaték változtatásával kapcsolatban is. Talajvíz I. feltételezés esetében nem látható a határnyomaték megadása következtében nagy változás. A Talajvíz II. feltételezés esetében a határnyomaték megadásával az
elmozdulási ábrákban két inflexiós pont is kialakul a résfalban. Talajvíz III. feltételezés esetében a görbe a résfal felső 6 méteres szakaszán követi az inklinométer görbéjét, majd utána a határnyomaték megadásával képlékeny csukló alakul ki a résfalban és a görbék alja pedig szinte teljesen egybefut, a maximális pontnál növelve a nyomaték értékét egyre jobban csökken a görbe maximális értéke. A túlkonszolidáltság és határnyomaték vizsgálata után ezeket kombináltam is, és úgy is lefutattam a vizsgálatokat. Talajvíz I. feltételezés esetében kapott elmozdulási görbe alja visszagörbül, továbbá az elmozdulások értéke lecsökken a résfal kb. 10. m-től. Illetve a résfal 5. m-nél egy inflexiós pont alakul ki. Ami érdekes, hogy a kétféle előterheltség (OCR, POP) figyelembevétele nagy különbséget nem mutat az ábrákban a Talajvíz I. feltételezés esetén. Talajvíz II. feltételezéskor az elmozdulási görbe alja visszagörbül, továbbá az elmozdulások értéke lecsökken a résfal felső kb. 10. m-es szakaszától, illetve a résfal kb. 5 m-nél szintén egy inflexiós pont jelenik meg. A kétféle előterheltség figyelembevétel, nagy különbséget nem mutat az ábrákban a Talajvíz II. esetén sem. A Talajvíz III. feltételezésekor, ha az OCR-t módosítottam, az elmozdulás értékek lecsökkentek majdnem a felére. Azonban a POP előterhelési szint megadása esetén, változtatva azt, az elmozdulási értékek nem adnak akkora eltérést. A határnyomaték megadásával kissé lehet finomítani a görbéken. A Gellért téri állomás esetén, a vizsgálat során figyelembe vett szerkezeti elemek közül, a P+4, P+2, P+1 födémek áttörésesek. A P+4 esetén a födémből, egy közel négyzet alak kihagyására került sor, a P+2, P+1 födémek esetén pedig körbe egy szegélygerenda készült, mely gerendákkal támasztott. A gerendák száma és mérete eltérő a két födémszintnél. A résfal, zárófödém és az alaplemez merevségeit szokásos képletekkel kiszámoltam, azonban a födémek (P+4, P+2, P+1) számításánál figyelembe kellett vennem az áttörések hatását. A vizsgálatok alapján az említett áttöréses szintek esetén arányosan vettem figyelembe a merevségeket, amelyből kiderült, hogy az x irányú elmozdulásokra nincsenek akkora hatással. Maximum 3,10 mm elmozdulás különbség alakult ki a teljes merevség és a nagyon lecsökkentett merevséggel figyelembe vett modell esetében.
EREDMÉNYEK Az Etele téri pajzsindító állomásnál kapott legjobb görbe az alakváltozási paraméterek változtatása esetén a 12. ábrán látható. A változtatott paraméter értékek pedig a 3. táblázatban találhatók. 12. ábra Etele téri állomás vizsgálati eredménye az alakváltozáso paraméterek változtatása esetén ( Talajvíz III. ) 3. táblázat Etele téri állomás változtatott paraméterei f c g g n E oed E( 50ref) E( Urref) E( OED50ref) Anyagmodell (unsat) (sat) fok kn/m2 kn/m3 kn/m3 MN/m2 MN/m2 MN/m2 MN/m2 Feltöltés 28 10 18 19 0 8 - - - Mohr Coulomb Agyagos fedő réteg Kiscelli agyag (repedezett) Kiscelli agyag (ép) 25 15 20 21 0,2-12 60 12 Felkeményedő 22 50 21 22 0,2-10 20 10 Mohr Coulomb 22 50 21 22 0,2 26 52 26 Felkeményedő A 3. táblázatban kékkel jelöltem azokat a paramétereket, amelyeket változtattam az kiindulási paraméterekhez képest. Az előterheltség (OCR, POP) és a határnyomaték változtatásának kombinálása esetén a 13. ábrán láthatók azon kapott elmozdulási ábrák, melyek a legjobban megközelítik az inklinométeres görbéket.
Az egyes görbék változtatott értékei a talajfizikai paramétereknek a 3. táblázatban található értékeknek megfelelő. Míg az előterheltség értéke, és a határnyomaték értéke a görbének a nevében van megadva. Az OCR előterheltséget OCR, a POP-t, pedig P-vel jelöltem és az adott görbénél figyelembe vett értéke a jelzés mögötti. Az M pedig a határnyomaték jele és mögötte pedig a megadott nyomatéki érték található knm-ben. 13. ábra Etele téri állomás vizsgálata OCR, POP és határnyomaték kombinációjának figyelembe vételével A Gellért téri állomásnál kapott görbék az alakváltozási paraméterek változtatása esetén az egyes talajvíz feltételezések esetén a 14. ábrán láthatóak. Az előterheltségi értékek változtatása következtében a 15. ábrán láthatjuk a görbéket. A sárga görbék a 14. ábrákon az inklinométeres görbék és az egyes görbék változtatott paramétereinek értékét a 4. táblázat tartalmazza. A számozások esetén a 0.0.0 jelzések esetén a résfal és bélésfalat együtt dolgozóként veszem figyelembe, a 0.0 jelzések esetében nem.
4. táblázat Görbék paraméterei a 14. ábránál Jelölés Talaj Változtatás Max. elmozdulás 1.2.8 kiscelli agyag f, c (+) 27 40 E 50, E ur, E OED (+) 55 275 55 x=0,01763 m 1.2.9 kiscelli agyag f, c (+) 27 40 E 50, E ur, E OED (+) 60 300 60 x=0,01670 m 1.13 kiscelli agyag E 50, E ur, E OED (+) 55 275 55 x=0,01588 m 1.15 kiscelli agyag f, c (+) 27 31 E 50, E ur, E OED (+) 55 275 55 x=0,01534 m 2.2.8 kiscelli agyag f, c (+) 27 40 E 50, E ur, E OED (+) 55 275 55 x=0,01586 m 2.2.9 kiscelli agyag f, c (+) 27 40 E 50, E ur, E OED (+) 60 300 60 x=0,01498 m 2.9 kiscelli agyag E 50, E ur, E OED (+) 50 250 50 x=0,01545 m homokos kavics Es (+) 60 2.10 f, c (+) 27 31 x=0,01555 m kiscelli agyag E 50, E ur, E OED (+) 45 225 45 0.4.1 3. táblázatban megadott talajfizikai paraméterek esetén x=0,00585 m 0.1 3. táblázatban megadott talajfizikai paraméterek esetén x=0,00585 m 0.9 kiscelli agyag f, c, g(+) 20 25 20 E 50, E ur, E OED (+) 15 75 15 x=0,00669 m 14. ábra Gellért téri állomás elmozdulás görbéi egyes talajviz feltételezések esetén
Az 5. táblázat a 15. ábra görbéinek paramétereit tartalmazza. A srága görbe itt is az inklinométeres görbe. Az 1.2.4 es görbe a kiinduló görbe. Az előterheltség változtatása pedig a görbe megnevezésében található. Például POP 600, vagy OCR 3. 5. táblázat Görbék paraméterei a 15. ábránál Max. Jelölés Talaj Változtatás elmozdulás 1.2.4 kiscelli agyag E 50, E ur, E OED (+) 40 200 40 x=0,02823 m 1.2.16 kiscelli agyag OCR 2 x=0,02056 m 1.2.17 kiscelli agyag OCR 3 x=0,02109 m 1.2.18 kiscelli agyag OCR 4 x=0,02423 m 1.2.10 kiscelli agyag POP 600 kpa x=0,02056 m 1.2.11 kiscelli agyag POP 500 kpa x=0,02109 m 1.2.12 kiscelli agyag POP 400 kpa x=0,02423 m 15. ábra Gellért téri állomás elmozdulás görbéi előterheltség változtatásakor
KONKLÚZIÓK A talajfizikai paraméterek közül az alakváltozási paraméterek változtatása nagymértékű hatással van a maximális elmozdulási értékekre. A talajrétegek közül a kiscelli agyag alakváltozási paramétereinek változtatása idézi elő a legnagyobb változást a végső maximális elmozdulási értékekben. Továbbá a Gellért térnél megjelenő, homokos kavics talajréteg (Duna terasz kavics) alakváltozási parameter változásának nagyobb a hatása. A talajvíznyomásnak jelentős hatása van a maximális elmozdulási értékekre, illetve magát a görbe alakját is befolyásolja. Ez a tény nagyban megnehezíti a hasonló problémák vizsgálatát, mert a kialakuló pórusvíznyomás viszonyok még utólag is nehezen értékelhetőek. Az előterheltségi értékek változtatása következtében az elmozdulás értékek lecsökkentek. Az Etele térnél kapott görbék hamarabb visszagörbültek és mindhárom vizsgált talajvíz állapot esetén hasonló tendencia volt megfigyelhető. A Gellért térnél a résfal alján látványos visszagörbülés nem érzékelhető, ott sem nyertem vissza az inklinométerből kapott visszagörbül alakot. A Gellért téri állomásnál végzett merevség vizsgálatából kiderült, hogy az elmozdulásokra a födémtámaszok merevségének változtatása nincs nagyobb hatással. A maximális elmozdulási ábra lekövetésére számtalan vizsgálatot végeztem. A vizsgálatokról elmondható, hogy igen soktényezősek. Összességében, az inklinométeres elmozdulási görbék alakját teljes mértékben lekövetni nem sikerült. Ennek oka, hogy az elmozdulások értéke nagyon kicsi. A vizsgálatoknál elsősorban a milliméteres, tizedmilliméteres különbségeket nem sikerült kiküszöbölni, amik elenyészőek a munkaterek és a résfalak méreteihez képest. Az Etele téri pajzsindítónál valamivel több információ állt rendelkezésemre a Gellért téri adatokhoz képest, amely a back analízissel kapott görbék és az eredeti inklinométeres görbék egyezőségében is kitűnik. A vizsgálatokhoz tehát megfelelő információkra van a legnagyobb szükség a megfelelő modell mellett, hogy a vizsgált görbék várhatóan teljes egészében lefedjék az inklinométeres elmozdulási görbét. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A Metro 4 állomásairól kapott számos adatért, szeretnénk ezúton is nagy köszönetet mondani a Geovil Kft., HBM Kft., Speciálterv Építőmérnöki Kft., Strabag-MML Kft, S&S Geotechnika Kft., UVATERV Út- és Vasúttervező Zrt. nek.