A cikk szerzője:

Hudacsek Péter egyetemi tanársegéd
Széchenyi István Egyetem

Dr. Koch Edina egyetemi docens
Széchenyi István Egyetem

Szilvágyi Zsolt egyetemi tanársegéd
Széchenyi István Egyetem

Wolf Ákos egyetemi tanársegéd
Széchenyi István Egyetem

Kis nyílású műtárgyak csatlakozó szakaszainak vizsgálata

A cikkben a szerzők az eltérő szerkezetű és rugalmasságú vasúti pályaszakasz viselkedését vizsgálták dinamikus hatásra, végeselemes programmal, PLAXIS 3D szoftverrel. A tanulmány puha agyag talajba épített, B méretkategóriás műtárgy előtti és utáni átmeneti szakasz viselkedését vizsgálja, különös tekintettel az olyan tényezőkre, mint a vonatsebesség, a töltésmagasság, illetve az átmeneti zónában kialakuló süllyedéskülönbség.


A talaj csillapítása a szemcsék közötti súrlódás során felemésztődő, s végső soron hővé alakuló energiából adódik, és a hiszterézis hurok által közrezárt területtel arányos, tehát tulajdonképpen a ciklus alatt elnyelt alakváltozási energiát fejezzük ki vele. E két fő paraméter (nyírási modulus, csillapítás) értéke a hiszterézis hurok alakjától, az pedig az alakváltozások mértékétől függ. Ennek megfelelően a nyírási modulus és a csillapítás nem egy konstans érték adott talajállapot esetén, hanem a talajt érő alakváltozások függvényében kell ezeket meghatározni.

7. ábra. Normalizált leromlási görbe eltérő geotechnikai szerkezeteknél
A leromlás jellegű viselkedés leírására sok kutató dolgozott már ki anyagmodelleket. Ezek a modellek ún. leromlási görbe és csillapítási görbe megadásával kezelik a talajok igen kis alakváltozási tartományban tapasztalt viselkedését, és csak akkor adhatnak reális, pontos eredményeket, ha a szükséges modellparamétereket kellően gondos laboratóriumi vagy helyszíni mérésekből határozzuk meg. Az említett anyagmodellek közül néhány már a korszerű geotechnikus végeselemes programokban is használható.
A vázolt viselkedés leírására a PLAXIS program Benz et al. [2] kis alakváltozások modellezésére kifejlesztett anyagmodelljét adaptálta a felkeményedő anyagmodellje kiegészítéseként (HS-small anyagmodell). A felkeményedő modell paraméterein túl a kiegészítés miatt szükséges paraméterek a PLAXIS megnevezése szerint a kis alakváltozások esetén érvényes maximális nyírási modulus (G0 = Gmax) és a leromlási görbe azon pontjához tartozó alakváltozás, ahol a modulus éppen a Gmax 70%-a (γ0,7). E paramétereket helyszíni vagy laboratóriumi mérések segítségével határozhatjuk meg pontosan a Ray–Szilvágyi–Wolf szerzőhármas korábbi Sínek Világa folyóiratbeli publikációjában [3] leírtak szerint. Amennyiben vizsgálati eredmény nem áll rendelkezésre, korrelációs összefüggések alapján lehet az értéküket becsülni. E ku­ta­tásban az előbb leírt HS-small anyagmodellt használtuk az altalaj modellezésére. A zúzottkő ágyazatot Mohr–Coulomb, a vasbeton átereszt pedig lineárisan rugalmas anyagmodellel modelleztük. A számításokban alkalmazott paramétereket a 2. táblázat foglalja össze.

Eredmények

Kutatásunk egyik célja a kisműtárgyak beépítésekor szükséges átmeneti szakasz vizsgálata. Olyan kérdésekre kerestük a választ, hogy

  • a két eltérő szerkezetű zóna csatlakozásánál kialakuló süllyedéskülönbség nagyságát miként befolyásolja a folyópálya töltésmagassága;
  • milyen szerepe van az áthaladó szerelvény sebességének.

Kiemeljük, hogy a vonatteher hatására bekövetkező süllyedést a zúzottkő alsó ágyazat tetejére vonatkozólag határoztuk meg úgy, hogy a modellben függőleges metszeteket vettünk fel (3 metszet a folyópályán, 5 a háttöltés zónájában, egy pedig az áteresz közepénél), és megnéztük, hogy mikor halad át a vonatteher éppen e metszet fölött.
A 8. ábra a deformált hálót mutatja, puha agyagtalajban épült 2,0 × 2,0 m-es kisműtárgy esetére, 2 m-es töltésmagassággal és 80 km/h pályasebességgel. Érzékelhető a vonatteher hatására bekövetkező nagyobb összenyomódás a folyópályán és a kisebb alakváltozás a műtárgy melletti visszatöltés zónája fölött.

8. ábra. Deformált háló


A 9. ábra a vonatteher első áthaladásakor bekövetkező többletsüllyedést, azaz csak a teher hatására bekövetkező azonnali összenyomódást mutatja a töltésmagasság függvényében. Megállapítható, hogy nagyobb sebesség nagyobb süllyedést indukál, és minél magasabb a töltés, annál kisebb lesz a többletsüllyedés. Megjegyezzük, hogy 6 m magas töltés építése ilyen altalajviszonyok mellett már egy lépcsőben nem megengedett, mert talajtörés következhet be. 
A 10. ábra 5 különböző mélységben felvett pont mozgásának sebességét mutatja az idő függvényében (A: zúzottkő alágyazat teteje; B: +2 m a töltéstestben; C: az altalaj felszíne; D: –2 m az altalajban; E: –5 m az altalajban). A vizsgált modellben a töltés magassága 2 m. Az ábra alapján az állapítható meg, hogy

9. ábra. Többletsüllyedés a vonatteher első áthaladásakor10. ábra. Függőleges sebesség az idő függvényében (80 km/h)

  • a vonat áthaladásakor a zúzottkő al­ágyazat tetején lévő pont süllyedési sebessége hirtelen megnő, majd viszonylag gyorsan, néhány tized másodperc alatt visszaesik;
  • az anyagi pontok mozgásának sebessége a mélység növekedésével csökken;
  • a felszín alatt ~3,0 m mélységben már alig érzékelhető a teher hatása.

A 11. ábra a teljes süllyedést mutatja a modell közepén felvett hosszmetszetben, amikor a vonat a visszatöltés zónájához közelít. A mozgó teher hatása világosan látszik. A mozgások a mélységgel csökkennek, a maradó alakváltozás a folyópályán kisebb, mint az azonnali összenyomódás.

11. ábra. A modell hosszmetszete a pálya tengelyében
A 12. ábra célszerűen megválasztott pontokban (magasságban) mutatja az elmozdulást az idő függvényeként a folyópályában.
A: zúzottkő alágyazat teteje;
B: altalaj felszíne felett +0,5 m;
C: –3,5 m az altalajban;
D: –5 m az altalajban; visszatöltés zónája;
E: zúzottkő teteje;
F: visszatöltés felszíne felett +0,5 m;
G: –3 m a visszatöltés zónájában;
H: –4 m a visszatöltés zónájában;
I: zúzottkő teteje az áteresz fölött.
A vizsgált esetben a töltés magassága 2,0 m, a járműsebesség 80 km/h. Megjegyezzük, hogy más peremfeltételek esetén is hasonló tendenciákat mutattunk ki. Az ábra alapján az alábbiakat állapíthatjuk meg:

  • a folyópályán a legnagyobb süllyedés a zúzottkő alágyazat tetején van (A);
  • a háttöltés zónájában a süllyedés markánsan csökken (E);
  • a süllyedés a mélységgel jól látható mértékben csökken;
  • –5 m mélyen az altalajban a vonatteher hatása már elenyésző;
  • kb. 25 mm süllyedéskülönbség alakul ki az átmeneti zónában.

12. ábra. A teljes összenyomódás különböző magasságban13. ábra. Többletsüllyedés a teher hatására különböző modelleknél

A 13. ábra 4 különböző modell esetén mutatja a teher hatására bekövetkező többlet-összenyomódást hosszmetszetben. Az ábrán az alábbiak láthatók:

  • a teher áthaladásakor bekövetkező legnagyobb többlet-összenyomódás a folyópályán következik be, a töltés nélküli, 250 km/h járműsebességes modellen;
  • a legkisebb többletsüllyedés a folyó­pályán alakul ki 2 m töltésmagasság és 80 km/h járműsebesség esetén;
  • a legnagyobb süllyedéskülönbség a folyópálya és az áteresz között a töltés nélküli esetben és 250 km/h járműsebességnél alakul ki;
  • a töltés nélküli, 250 km/h járműsebesség igényli a leghosszabb átmenetet;
  • jól kirajzolódik a süllyedéskülönbség az átmeneti szakaszon.

Összefoglalás

A vasúti pályáknál az átmeneti zónák hi­vatottak biztosítani a szükségszerűen je­len levő, különböző alátámasztási merevségű alépítmények közötti fokozatos átmenetet, az elvárt futásjóság elérésének pályaoldalról felmerülő szükséges feltételeként. Ahol a vonat a földművön vezetett pályáról egy merev szerkezetre, pl.: hídra, alagútba vagy áteresz fölé ér, a támaszmerevség hirtelen változása miatt süllyedéskülönbségek alakulhatnak ki. Ez hosszú távon az alépítmény és a pálya állapotának leromlásához vezethet. A süllyedéskülönbségek kialakulása különösen aggályos nagysebességű vasutak esetén, ahol az átmenetben jelen lévő nagy gradiensű szint- és/vagy merevségváltozás nagyobb függőleges gyorsulásokat, és ezáltal nagyobb dinamikus erőhatásokat eredményez, mint az a kis sebességű forgalom esetén lenne várható. Az átmenet fokozatosságának biztosítására különböző műszaki megoldások állnak rendelkezésre. Az átmeneti zónákban fellépő mechanikai hatások és következményeik feltárása, a folyamatok megértése és mindezek értékelése komplex modellezéssel megvalósítható elemzést tesz szükségessé. Az átmeneti zónák mechanikai viselkedésének célravezető modellezéséhez elengedhetetlen e szakaszok környezetében fellépő térbeli és dinamikus hatások kezelése a modellezés során. A szerzők ebben a tanulmányban a probléma megértéséhez szükségesnek ítélt, térbeli végeselemes modell felépítését mutatták be, és annak egy idealizált vonatterhet szimuláló dinamikus terhelésre adott mechanikai válaszát elemezték különböző magasságú töltések esetén.

A cikk folytatódik, lapozás:« Előző123

Irodalomjegyzék

  • [1] European Rail Research Institute. Utrech. ERRI D 230.1/RP 3. Bridge ends. Embankment Structure Transition. State of the Art Report, Nov. 1999.
  • [2] Benz, T., Vermeer, P.A., Schwab, R. (2009): A small-strain overlay model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 33, pp. 25–44.
  • [3] Ray, R.P., Szilvágyi, Zs., Wolf Á.:
  • Talajdinamikai paraméterek meghatározása és alkalmazása. Sínek Világa, 2014/1.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2017 / 2. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©