Bevezetés

A közvetlenül a zúzottkő ágyazat alá beépített georácsokkal kialakított rétegszerkezetet viszonylag rövid ideje, s csak kevés gyakorlati tapasztalattal alkalmazzák egyes külföldi vasúttársaságok, a vágánygeometria stabilitásának növelése céljából. Az 1. ábrán látható az ún. alakkal zárási („interlocking”) hatás. A rétegszerkezet belső nyírószilárdságának (belső nyírási ellenállásának) s így teherbírásának növelése lényegét a tört szemcsés kitöltő anyag és a síkrács együttdolgozása jelenti. A zúzottkő anyag behatol a rácsosztás alkotta hézagokba, és a rácsrudakba belekapaszkodik. Alul létrejön egy rács-zúzottkő kombinált réteg, amely megakadályozza a szemcsék magassági értelmű és oldalirányú szétrendeződését. Erre az együttdolgozó rétegre ülnek rá a további szemcsék, amelyek tört felületi kialakítása szintén kedvező a szemcsés halmaz belső nyírási ellenállása (nyírószilárdsága) szempontjából.

A járműterhek hatására a rácsrudakban és a rácscsomópontokban igénybevételek lépnek fel, amelyeknek a georács – kedvező fizikai tulajdonságai következtében – ellenáll. Ezek közül a két legfontosabb a rács szakítószilárdsága és a szakadási nyúlás. A szakítószilárdságnak megfelelően nagynak, míg a szakadási nyúlásnak megfelelően kicsinynek kell lennie. Ez utóbbi azért fontos, hogy már kis erő felvételére is képes legyen a rács, azaz ne térjen ki nyúlással az igénybevételek elől.
Végeredményben az ágyazatban úszó, dinamikus hatásoknak kitett keresztaljas vágány geometriailag stabilabb, a fekvéshibák kialakulásával szemben ellenállóbb lesz. Lecsökken a geometriai méreteltérések, mérethibák növekedési sebessége, így a vágány kevesebb szabályozást kíván, aminek jelentős gazdasági eredménye lehet. Ha a rétegszerkezet viselkedését ismerjük, akkor a rétegek szükséges vastagsága pontosabban határozható meg. Ez ismét gazdasági kérdés is egyben.
Laboratóriumi vizsgálatok
Az ún. interlocking hatás során a rács és
a kőszemcsék közötti együttdolgozás a rács síkjában még nem ismert teljes pontossággal. Arról pedig egyáltalán nincsenek mérési adatok, hogy a rács síkjától felfele távolodva ez a hatás hogyan változik, s hol lehet meghúzni a még hatékony együttdolgozás határát. Laboratóriumi vizsgálataink célja ezeknek a kérdéseknek a megválaszolása volt, különböző körülmények, változó paraméterek (pl. a rács típusa, az ágyazat tömörítettsége, az ágyazat alatti réteg teherbírása) mellett.
Az alakkal zárás (azaz az interlocking hatás) mélységi lefutása a zúzottkő ágyazatban nem ismert. Az valószínűsíthető, hogy a kitöltő anyagban a rács síkjától felfelé távolodva hatása egyre csökken. Jó közelítés lehet, ha három zónát tételezünk fel, ahogyan azt a 2. ábra mutatja.
A rácstól legtávolabbi 1. zónában az alakkal zárás hatása már nem, vagy csak alig érvényesül. Itt a szemcsék viselkedését kölcsönhatásuk határozza meg. Erőhatásra szabad, tömörített (esetleg fellazult) halmazként viselkedik.
A 2. zóna az ún. átmeneti zóna. Itt már érvényesül – de felfelé irányban egyre kisebb hatásfokkal – az alakkal zárás. A hatás változását leíró függvényről azt tételeztük fel, hogy nemlineáris.
A 3. zóna a rács közvetlen közelében található. Itt teljes mértékben érvényesül az alakkal zárás. A szemcsék elmozdulása vízszintes értelemben erősen akadályozott.
Vizsgálatok módszere, készüléke, esetei
A vizsgálat megtervezéséhez két érvényes szabvány előírásai használhatók. Ezek az ISO 12957-1:2005: Geoszintetikák. A súrlódási jellemzők meghatározása. 1. rész: Közvetlen nyíróvizsgálat, illetve az MSZ EN ISO 13738:2005: Geotextíliák és rokon termékeik. A talajból való kihúzással szembeni ellenállás meghatározása. Azonban mindkettőből csak bizonyos előírások vehetők át, hiszen a tervezett kísérlet egyedi célja miatt egyedi módszerek szükségesek.
Az alakkal záró hatás mélységi lefutásának leírásához olyan nyíróládás kísérletekre van szükség, ahol a zúzottkő réteg különböző mélységi metszeteiben kapunk eredményeket. Az eredményeket számos változó befolyásolja, amelyek miatt jelentős számú mérést kellett elvégeznünk. Nagyon fontos, hogy kvázi azonos körülményeket teremtsünk az azonos mérési sorozatokban. Ez azt jelenti, hogy egy-egy sorozatban minden paraméter változatlan, csupán a nyírás síkja van mindig más mélységben, ahogyan azt a 3. ábrán a piros vonalak mutatják.
A vizsgálatokat a következő változókkal lehetséges végrehajtani:
•    az alátámasztó réteg rugalmassága (teherbírása),
•    a georács típusa (legfontosabb rácstulajdonságok: rácsosztás, nyúlási modulus),
•    a kitöltő zúzottkő anyag jellemzői (szemeloszlás, szemcsealak, új vagy használt anyag),
•    a zúzottkő anyag vastagsága,
•    a zúzottkő anyag tömörítettsége,
•    a rétegszerkezet tetején működtetett     terhelés nagysága.

A normál, kétszintes nyíróláda nem felel meg a kísérletekhez, mert mindig csak ugyanabban a síkban tud dolgozni. A feladathoz egy újszerű elven működő, ún. többszintes nyíróládát kellett kifejlesztenünk, amely magasságilag osztott. A nyíróláda egy alsó, hengereken gördülő keretszerkezetből, s e fölött rögzített helyzetű, egymáshoz kapcsolható, 10 cm magas keretelemekből áll. Elvi rajza a 4., kialakítása az 5. ábrán látható.
A nyíróláda mérete: 1,00 × 1,00 m alapterület és 1,00 m magasság. A 6. ábrán egyfajta rétegszerkezeti elrendezés látható.
A nyíróláda alapkeretében rugalmas, kis teherbírású alapozóréteget alakítottunk ki, Thermopan XSP lemezekkel.
Az alulról felfelé sorrendben második réteg geotextíliára terített 10 cm vastag homok segítette a zúzottkő szemcséknek a rács nyílásaiba történő behatolását, és egyben védte az alsó rugalmas réteget a szemcsék éles éleitől, sarkaitól. A homokréteg tetejére egy réteg georács vagy geokompozit (georács geotextília) került. Ez jelölte ki azt a síkot is, ameddig a különböző kísérleti elrendezésekben a rétegszerkezet átalakítása szükséges volt. A szimpla georácsnak vagy a geokompozit georács elemének a mozgás iránya szerinti hátsó végét elmozdulás ellen a nyíróláda alsó kerete falának külső oldalához rögzítettük. Ez az elrendezés szimulálta azt az állapotot, hogy a pályában gyakorlatilag a georács bármely keresztmetszete
a felette lévő felépítmény súlya következtében lehorgonyzottnak tekinthető. A georács síkja az 1. nyírási sík volt.
A georácsra zúzottkő réteg került. Az alapkeret felett öt emeleti keret található, amivel a nyíróláda falainak 10 cm-es magassági modulja valósult meg.
A georács síkja felett mindegyik keret-
találkozási sík nyírósík. A kiválasztott nyírósík alatti, illetve feletti kereteket egymáshoz kell rögzíteni együttmozgathatóságuk érdekében. Például az alulról felfelé 2. nyírási sík úgy adódik, hogy az alap- és az első felső keret van egymáshoz rögzítve, felettük pedig a 2., 3. és 4. emeleti keret van összekapcsolva. (Az a két keret, amely között
a nyírási síkot működtetjük, természetesen nem volt összekapcsolva.)
Ahhoz, hogy a kísérletekből megbízható adatokat lehessen nyerni, nagyon fontosak minden vizsgálatsorozatban az azonos körülmények. Ez azt jelenti, hogy minden egyes nyírási kísérletben a tört szemcsés ágyazati anyag azonos tömörségűre legyen tömörítve. Sajnos olyan mérési eljárás/eszköz, amellyel a nyíróládában az anyag tömörítettségének mértékét számszakilag meg tudnánk határozni, nem létezik. Ezért az alábbiakat kellett megtenni:
•    az ágyazat tömörítéséhez mindig ugyanazt a lapvibrátort alkalmaztuk;
•    minden egyes nyírási kísérlet előtt,
a rétegszerkezet építésekor, az elvégzett
tömörítési menetek száma azonos volt.
Minden egyes nyírási kísérletben megállapítottuk (megmértük) a következő jellemzőket:
•    az alapréteg E2 modulusát MPa-ban,
•    az alsó keretet (kereteket) mozgató víz-
szintes nyomóerő nagyságát,
•    a felső keretet (kereteket) kitámasztó         vízszintes tartóerő nagyságát,
•    az alsó keretelem(ek) elmozdulását,
•    a zúzottkő dilatációja miatti keretemel-
kedést ellensúlyozó függőleges erőt.
(Az erőt mértük, de az elrendezés biztosította, hogy eredményeinket ennek fellépése nem befolyásolta.)
A georácsot rögzítő kereten és a felső
5 db keret mindkét oldalán (a mozgás
irányával párhuzamos síkon) egy-egy
200 × 60 mm-es ablakot alakíttattunk ki, plexilemez borítással. Ezeken az ablakokon keresztül megfigyeltük, hogy az egyes síkokon történő elmozdítás során elhanyagolható mértékű szemcsemozgások alakultak ki, amelyek nem befolyásolták az eredményeket.
A nyírási kísérletek számát a változók határozzák meg. Az eddig elvégzett laboratóriumi vizsgálataink során
•    kétféle ágyazati anyag tömörítettséget         (tömörítetlen és tömörített),
•    két georács és két geokompozit (georács
geotextília) típust (georács típus 1. és
2., geokompozit típus 1. és 2.),
•    egyféle E2 teherbírási modulussal rendelkező alapréteget,
•    egyféle zúzottkő anyagot (új, éles élű         szemcsés anyag),
•    konstans zúzottkő ágyazat vastagságot
(40 cm),
•    zérus nagyságú függőleges terhelőerőt,
•    valamint négy nyírási síkot alkalmaztunk.
A fentieknek megfelelően az alábbi méréses vizsgálatokat hajtottuk végre:
•    a zúzottkő szemeloszlás és szemalak vizsgálata,
•    a rétegszerkezet ágyazási tulajdonságának jellemzése,
•    az üres nyíróláda keretelemei között az
egyes nyírási síkokon a keretelemek
eltolásával szemben fellépő súrlódási ellenállások meghatározása,
•    a vasúti zúzottkő anyag belső nyírási ellenállásának megállapítása függőleges te-
her működtetése nélkül, tömörítet-
len, illetve tömörített zúzottkő anyaggal,
georács nélkül, illetve különböző típusú
georácsokkal (geokompozitokkal).
A belső nyírási ellenállás jellemzésére minden elrendezésre és minden nyírási síkra 3-3 mérést végeztünk el.
A laboratóriumi vizsgálatokhoz a zúzottkő a KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft. komlói kőbányájából érkezett, amely megfelelt a vasúti zúzottkő anyagra vonatkozó szabvány minden előírásának.
A rétegszerkezet rugalmas ágyazását Thermopan hőszigetelő lemezekkel kiala-
kított, 50 cm vastag alapréteggel biztosítottuk. A réteg teherbírását (E2 modulusát) a te-
repi vizsgálatnál is alkalmazott statikus tár-
csás terheléssel határoztuk meg. A két mérésből a második terhelési ciklusban kialakult s2 süllyedés átlaga 9,4 mm lett. Ebből
az E2 = 67,5/s2 kifejezés segítségével
7,2 MPa érték adódott.
A nyíróláda nyírási síkjain az egymá-
son elcsúszó felületek állandó súrlódási ellenállást ébresztenek. Síkonként az alábbi súrlódási ellenállás értékeket állapítottuk meg:
•    4. nyírási sík (legfelső keretsík) 0,265 kN,
•    3. nyírási sík (fentről lefelé második keretsík) 0,462 kN,
•    2. nyírási sík (fentről lefelé harmadik keretsík) 0,664 kN,
•    1. nyírási sík (fentről lefelé negyedik keretsík) 0,865 kN.
A vizsgálatoknál alkalmazott georácsok és geokompozitok
A laboratóriumi vizsgálatok során négyfajta geoműanyagot alkalmaztunk:
•    GR1: georács típus 1.,
•    GK1: geokompozit típus 1. (georács típus 1. geotextília),
•    GR2: georács típus 2.,
•    GK2: geokompozit típus 2. (georács típus 2. geotextília).
A GR1 és GK1 esetében a georács extrudált, míg a GR2., valamint a GK2 esetében hegesztett csomópontú volt.
(A georácsok típusának megnevezését nem tartjuk szükségesnek közölni, mert célunk a viselkedés összehasonlítása volt.)
A georácsok/geokompozitok és a geo-
textíliák geometriai tulajdonságait a 7. ábra és az 1. táblázat, míg mechanikai tulajdonságaikat a 2. és 3. táblázat rögzíti.
A vizsgálatok végrehajtása
és azok eredményei
Georács nélküli rétegszerkezet, tömörítetlen zúzottkő anyaggal
Az első mérési sorozatban a zúzottkő réteg tömörítetlen volt. A vizsgálatot a legfelső (4.) nyírási síkon kezdtük, s lefelé haladtunk a 3., a 2., végül az 1. síkra. Egy-egy nyírás végrehajtásánál 30–80 mm közötti keretelmozdulást kellett előidézni. Ez általában elég volt ahhoz, hogy kialakuljon az az egyensúlyi erő, amelyet már nem kellett továbbnövelni ahhoz, hogy a keret folyamatosan elcsúsztatható legyen, másrészt ekkora elmozdulás még nem változtatta meg az alsóbb rétegekben lévő szemcsék helyzetét.
A keretre adott nyomóerő nagyságát
20 kN/perc egyenletes sebességgel növeltük. A négy nyírási síkon 3-3 mérést végeztünk úgy, hogy minden méréssorozat után az ágyazati anyagot a segítő személyzet eltávolította a nyíróládából, majd a rétegszerkezetet újra felépítették. Minden esetben új georács/geokompozit réteget építettünk be.
Georács nélküli rétegszerkezet, tömörített zúzottkő anyaggal
A vizsgálatot az előző alfejezetben ismertetett módon hajtottuk végre. A zúzottkő réteget 20 cm-es vastagságokban L–2/C típusú lapvibrátorral tömörítettük. Tömege 68 kg, teljesítménye 1,1 kW, a névleges vibrációs rezgésszáma kb. 3000/min,
a rezgőlap mérete 500 × 500 mm. Hogy
a tömörítő munka azonos nagyságú legyen a rétegeken, mindig azonos járatszámmal végeztettük el a tömörítést (két sávban 3-3 menetben).
A georács nélküli, tömörített rétegszerkezet esetében adódó mérési eredményeket terjedelmi okokból nem tudjuk minden részletében bemutatni, egy jellemző grafikont a 8. ábra tartalmaz.
Geokompozittal és georáccsal kialakított rétegszerkezet, tömörítetlen és tömörített zúzottkő anyaggal
Az előző fejezetben írtakhoz hasonlóan – szintén terjedelmi okok miatt – kizárólag a GK1 erősítésű tömörített zúzottkő halmaz mérési diagramjaiból tudunk egyetlen példát bemutatni a 9. ábrán. Az összes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat rész- és végeredménye Fischer, 2012 PhD disszertációban megtekinthető.
A laboratóriumi vizsgálatok
mérési eredményeinek kiértékelő elemzése
Az egy-egy nyírási síkra kapott nyomóerő-elmozdulás grafikonok egyértelműen felülről korlátos függvényeket ábrázolnak. Ez a felülről korlátosság jellemzi pontosan azt a szemcsemechanikai viselkedést, amely a zúzottkő szemcsehalmaz belső nyírási szilárdságát jellemzi. A későbbiekben a nyírószilárdság jellemzésére a zúzottkő halmazban az egyes nyírási síkokra jellemző belső nyírási ellenállás kifejezéseket alkalmazzuk. Természetesen az olyan szemcsehalmazok esetén, mint amilyen a vasúti zúzottkő ágyazatot felépítő törtszemcsés, szabálytalan alakú, éles élű köveket tartalmazó halmaz, még laboratóriumi körülmények között sem mérhető tökéletesen pontos belső nyírási ellenállás. Azaz a mért eredményeknek
a szabálytalan alakú kövek véletlenszerű eloszlásából adódóan meghatározott szórása lesz. Egyetlen síkon történő méréshez tartozó nyomóerő-elmozdulás grafikonon is csak átlagoló módszerekkel van lehetőség az abban a síkban a vasúti zúzottkő ágyazati kőhalmaz belső nyírószilárdságát jellemző nyomóerő értékek megállapítására. Az egyensúlyi állapot azt a tartományt jelenti
a nyomóerő-elmozdulás grafikonokon, ahol már nem szükséges többletnyomóerő az elmozdulás növeléséhez. Az ezt az állapotot jelentő nyomóerő értékek átlagolásával határoztuk meg a fenti értékeket különböző georáccsal-geokompozittal kialakított rétegszerkezetek esetén az egyes nyírási síkokban.
Azokban az esetekben, amikor a nyomóerő és a tartóerő lényegesen (>15%) eltértek egymástól, a mérést megismételtük, így ezek az eredmények nem kerültek bele a kiértékelésbe.
A 2012-ben készült PhD értekezésben megtalálható összefoglaló táblázatban szereplő nyomóerők átlagértékeit
a 10. ábrán tüntettük fel. Peremfeltételként
a georács síkjától mért 40 cm távolságban 0 kN-os nyomóerőt vettünk fel,
mert a felső síkon a nyírás jelensége nem értelmezhető. Az átlagértékekre harmadfokú polinomiális regressziós függvényeket illesztettünk, s minden esetben
R2 > 0,97 értékű determináltsági koefficienst kaptunk.
A nyírásvizsgálatok után kibontva
a geoműanyagokat, a GR1, valamint a GR2 típus esetén is tapasztaltunk károsodást.

A mérési adatok átlagértékeire illesztett polinomiális regressziós függvények alapján ún. növekedési szorzókat határoztunk meg a beépített georács/geokompozit síkjától mért távolság függvényében, amelyek az alábbi mechanikai jelentéssel bírnak:
•    növekedési szorzó A: a georács/geo-
kompozit réteg beépítésének javító
(belső nyírási ellenállást növelő) hatása tömörített zúzottkő rétegben;
•    növekedési szorzó B: a tömörítés hatása georács/geokompozit réteggel erősített zúzottkő rétegben;
•    növekedési szorzó C: a georács/geo-
kompozit beépítésének hatása tömörítetlen zúzottkő rétegben;
•    növekedési szorzó D: a tömörítés hatása
georács/geokompozit réteg nélküli zúzottkő rétegben.
A 11–14. ábrákon a négy különböző georács/geokompozit típusra adtuk meg a növekedési szorzókat a georács/geokompozit síkjától mért távolság függvényében. A függvényeket a 10. ábrán látható regressziós vonalak egyenleteinek hányadosaként állítottuk elő.
A laboratóriumi mérési
eredményekből levonható
következtetések
A korábbi fejezetekben részletesen bemutatott mérési eredmények alapján egyértelműen kijelenthető, hogy a többszintes nyíróládás vizsgálat alkalmas a szemcsés anyaghalmazokban – jelen esetben a vasúti zúzottkő ágyazatban – az egyes vízszintes síkokra jellemző belső nyírási ellenállás nagyságának megállapítására.
A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálat mérési eredményei alapján meg-
állapítható, hogy a zúzottkő réteg alá be-
épített, megfelelő típusú georács/geokom-
pozit réteg növeli mind a tömörítetlen,
mind a tömörített zúzottkő ágyazatban
a belső nyírási ellenállás nagyságát az alábbi módon:
•    a GR1 erősítés esetét kivéve a tömörített georács nélküli és a különböző típusú georácsokkal/gekompozitokkal erősített rétegszerkezetek esetében a belső
nyírási ellenállás maximuma nem a
georács/geokompozit síkjában van, hanem a felette lévő 0–10 cm-es zónában;
•    a GK1 és GK2 típusú erősítés esetén
a vasúti zúzottkő ágyazat belső nyírási ellenállását a georácsra ragasztott geotextília réteg csökkenti az azonos típusú, de geotextília nélküli georács erősítés eseteihez képest, mivel a georácsra kasírozott geotextília korlátozza a zúzottkő szemcsék beülésének mértékét a georács bordák közé;
•    a GR2 rétegszerkezet esetén a georács
síkjában mért kisebb nyomóerő érték
a georács tönkremenetele miatt adódott, amely az alacsony értékű csomóponti merevséggel magyarázható.

Meghatároztuk a növekedési szorzók értékeit a georács/geokompozit síkjától mért 0–30 cm-es zónában, amelyek az alábbi eredményeket adták:
•    Legnagyobb az erősítő hatás a GR1 réteg alkalmazása esetén, annak síkjában (1,904). A georács/geokompozit erősítés hatása tömörített zúzottkő réteg esetében az erősítés síkjától mért 15–22 cm-es zónában a legkisebb.
•    A tömörítés növeli a belső nyírási ellenállás értékét GK1 rétegerősítés esetén annak síkjától mért 0–30 cm-es zónában.
•    A zúzottkő ágyazat alá beépített geo-
rács/geokompozit a 0–30 cm-es intervallumban növeli a zúzottkő ágyazati halmazban a belső nyírási ellenállást tömörítetlen ágyazatban.
•    Georács/geokompozit nélküli esetben megállapítható, hogy a tömörítés jelentős mértékben képes megnövelni a zúzottkő ágyazat belső nyírási ellenállását.
További kutatási lehetőségek
A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok során a vasúti zúzottkő ágyazat alá vágánygeometriai stabilizálás céljából beépített georácsok hatásának teljesebb körű elemzését segítheti a jövőben:
•    éles élű, azaz új állapotú, illetve legömbölyödött szemcsékből álló, használt vasúti zúzottkő ágyazati anyaggal végzendő összehasonlító vizsgálatok végrehajtása;
•    száraz, illetve vizes és olajos vasúti zúzottkő ágyazati anyag használata;
•    különböző alépítményi teherbírási modulusú alapra épített rétegszerkezetek
vizsgálata;
•    különböző zúzottkő ágyazatvastagságok alkalmazása;
•    egyéb, más típusú georácsok/geokom-
pozitok felhasználása;
•    függőleges terhelés alatti vizsgálatok végrehajtása;
•    dinamikus vizsgálatok végrehajtása.

Munkánkat a MÁV Zrt. K F szerződés keretében támogatta, amelyért ezúton is köszönetünket fejezzük ki.
Irodalomjegyzék
Fischer, Sz.: A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata. PhD értekezés, Széchenyi István Egyetem Műszaki Tudományi Kar, 2012, 148 p.
Indraratna, B., Shahin, M. A., Salim, W.: Stabilisation of granular media and formation soil using geosynthetics with special reference to railway engineering. Journal of Ground Improvement, Vol. 11 (2007), No. 1, pp. 27–44.
Raymond, G. P.: Reinforced ballast behaviour subjected to repeated load. Geotextiles and Geomembranes, Vol. 20 (2002), pp. 39–61.
Shin, E. C., Kim, D. H., Das, B. M.: Geogrid-reinforced railroad bed settlement due to cyclic load. Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 20 (2002), pp. 261–271.
Tensar International Ltd.: Railways. Mechanical Stabilisation Track Ballast and Sub-ballast. Marketingkiadvány, 2010, Blackburn, 11 p.
Universitas-Győr Nonprofit Kft.: Georácsok alkalmazása a vasúti zúzottkő ágyazat stabilizálására. Kutatási zárójelentés (készítette: dr. Horvát Ferenc, Fischer Szabolcs), Győr, 2010. november 30., 139 p.
Stahl, M.: Interaktion Geogitter-Boden: Numerische Simulation und experimentelle Analyse. PhD értekezés, Technischen Universität Bergakademie Freiberg, 2011, 166 p.