A kiegészítő rétegekben (és alattuk) beépített erősítő geoműanyag rétegek segítségével kisebb rétegvastagság esetén is biztosítható az előírt statikus tárcsás teherbírási érték, és a zúzottkő ágyazat alá beépítve a vágánygeometria stabilizálását segítik. Használatukkal merevebb alágyazati réteg alakul ki, ami tartósabb fekszintet eredményez, és a dinamikus hatások következtében tapasztalható ágyazatváll lefolyás jelenség is korlátozódik [1].

A szemcsés réteg és a georács kapcsolata

Ezek a geoműanyagok az esetek többségében georácsok, szőtt geotextíliák vagy ún. geo-kompozitok. A szemcsés rétegek erősítésére, teherbírásuk növelésére leginkább geo­rá­cso­kat alkalmaznak, hiszen a két anyag között létrejövő mechanikus kapcsolat, azok együttdolgozása révén ún. kompozit réteget alkotnak, amely kedvezően befolyásolja a betömörített kiegészítő réteg vagy ágyazat teherbírását, élettartamát és tartósságát. Azaz a szemcsés réteg és a georács interakciója kulcsfontosságú paraméter az erősítés hatékonysága szempontjából, amely kismértékben a súrlódás, nagyobb mértékben viszont az úgynevezett „interlocking” hatás (1. ábra) révén jön létre, amit magyarul beékelődésnek vagy alakkal záró kötésnek nevezhetünk.
A gyakorlati haszna ennek az interakciónak relatíve kis elmozdulások mellett mutatható ki igazán, mikor a georács nyúlása nem, vagy alig haladja meg az 1%-ot. Ebben az esetben az altalajra helyezett georács, valamint a szemcsés réteg között kialakuló interlocking hatás – azaz a georács-szemcsés réteg létrejötte – egy ún. oldalirányú megtámasztást biztosít, amely végül a függőleges terhek által generált deformáció csökkentésére szolgál (2. ábra).

A georácsok kiválasztása

Fontos kérdés a fentiek alapján a geo­rács­ter­mék kiválasztásakor – főként a tervezési fázisban –, hogy mely paramétereket tartjuk fontosnak, azaz melyek azok, amelyek az 1–2. ábrán látható interlocking hatást jelentősen befolyásolják.
Az MSZ EN 13250 alkalmazástechnikai szabvány [2] által előírt minőségügyi jellemzők a következők:

• szakítószilárdság hossz- és keresztirányban,
• maximális terhelésnél mérhető nyúlás hossz- és keresztirányban,
• statikus átszakítási ellenállás (csak geo­kom­pozitok, geotextíliák esetén releváns),
• dinamikus lyukasztási ellenállás (csak geokompozitok, geotextíliák esetén releváns),
• tartósság.

A megerősítés funkcióhoz tartozó alkalmazástechnikai szabvány ugyan előírja azt az öt jellemzőt, amelyet minden georács teljesítménynyilatkozatán meg kell jelölni, a tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy más fontos paramétereket is figyelembe kell venni egy termék hatékonyságának megállapításakor. Például gyakorlati kutatások azt vetik fel, hogy minden szemcsés talaj szemszerkezeti összetételéhez tartozik egy optimális nyílásméret, amivel az 1–2. ábrán látható interlock hatás a leghatékonyabban képes kialakulni. De egyes elképzelések, kutatások alapján a teljesítményben szerepet játszik továbbá a kis nyúlások mellett mért szakítómerevség, a csomóponti merevség, a nyílás alakja, a georács-borda vastagsága, a gyártás technológiája stb.
A továbbiakban a georács-erősítés nélküli, valamint georácsokkal és geo­kom­po­zi­tokkal erősített szemcsés rétegek többszintes laboratóriumi nyíróládával mért belső nyírási ellenállás-vizsgálati eredményeit ismertetjük, az eredmények kiértékelése után megállapításokat fogalmazunk meg a georácsok hatékonyságát befolyásoló fontos tényezőkkel kapcsolatban.

A többszintes nyíróláda bemutatása

Az 1,0×1,0 m alapterületű, valamint 1,0 m mélységű többszintes nyíróláda 10 db egymáson fekvő keretből áll, amelyek acél U profilokból készültek. A láda alsó 50 cm-es részébe XPS lemezek, arra pedig 10 cm homokréteg kerül.
A láda alsó síkjától számított 60 cm-es magasságban, azaz a homokréteg felső síkjára kerülhet az erősítő georács vagy geo­rács-kom­pozit, majd erre a szintre, 2×20 cm-es tömörítési vastagságban, szemcsés talajok építhetők be (3. ábra) [3].

A szerkezet aljába elhelyezett hablemezek a puha altalajt hivatottak modellezni, a homokréteg a geo­rács nyílásméretein keresztül létrejövő interlocking hatás kialakulásának lehetőségét adja meg, a szemcsés rétegben pedig a láda gyors átalakíthatóságának köszönhetően 4, egymástól 10 cm-re elhelyezkedő nyírási síkot hozhatunk létre. A nyírási sík alatt összekapcsolt keretek hengereken gördülnek el a laboratórium padlóján a nyomóerő hatására, míg a nyíróláda szemközti oldalán a nyírási sík felett az ellenerő a felső ládarészt tartja mozdulatlanul. Az összehasonlíthatóság és az eredmények megfelelő kiértékelhetősége érdekében minden esetben ugyanazt a tömörítőeszközt és tömörítési menetet alkalmaztuk.

A vizsgálatsorozat elvégzése lehetőséget teremt a különböző szemcsés anyagok belső nyírási ellenállásértékeinek, a réteg alsó síkjától mért függőleges távolság függvényében (0 cm, +10 cm, +20 cm, valamint +30 cm magasságban) történő meghatározására, különböző kialakítású georács és georács-kompozit rétegek beépítése esetén: amelyet az interlocking hatás kialakulásának fő indikátoraként fogalmaztunk meg a vizsgálatsorozat során.
A vizsgálatokat a [2], [4] és [5] irodalmakban leírt módon végeztük el.

Alkalmazott anyagok

Az egyik szerző – dr. Fischer Szabolcs – már 2009 óta folytat kutatásokat a szemcsés anyagok belső nyírási ellenállásával kapcsolatos témában, az első, releváns tanulmánya a 2012-ben megvédett PhD- disszertációja [4], de számos hazai és külföldi folyóiratban is publikálta az eredményeit. Publikációi teljes terjedelmükben is elérhetők [6].
Ebben a cikkben e közel hétéves ku­tatómunka eredményeit foglaljuk össze a legújabb – a 2016-ban kapott – eredményekkel.
A vizsgálati program lefolytatására a Széchenyi István Egyetem Szerkezetvizsgáló Laboratóriumában került sor, ahol a többszintes nyíróláda segítségével a D.11. Utasítás szerinti SZK1 keverék, FZKA 0/56 zúzottkő és 31,5/63 mm vasúti zúzottkő vizsgálata zajlott le. A különböző szemcsés anyagok nyíróládába tömörített képei, továbbá a szemeloszlási határgörbék a 4. ábrán láthatók.

A határgörbék és a képek alapján is látható, hogy három lényegesen különböző szemcseszerkezetű vizsgálati anyagról van szó, hiszen míg a vasúti ágyazat legkisebb szemcséje 31,5 mm átmérőjű, addig az SZK1 keveréknek akár 7 tömegszázalék 0,063 mm-nél kisebb szemcseátmérőjű finomrész-tartalma is lehet, egyenlőtlenségi mutatója legalább 15, így az optimális víztartalma mellett nagyon jól tömöríthető szemcsés keveréket eredményez. A kísérletek során minden esetben a georács fekszintjétől számított +20 és +40 cm-es magasságokban került sor a tömörítés elvégzésére.
A vizsgálati programban nemcsak különböző szemcsés anyagokat alkalmaztunk, de lényegesen különböző gyártási technológiával készülő, eltérő nyílásméretű georács és georács-kompozit anyagokat építettünk be, hogy ezáltal az interlocking hatás szempontjából lényeges paraméterek kiszűrhetőek legyenek.

Az 5. ábrán láthatók a vizsgált geo­rács­típusok általános képei. Az a) típusú georács extrudált polipropilén lemezből készül, amelyet előírt raszterben lyukasztanak, majd két irányba húzással érik el a termék végleges alakját és a négyzetes nyí­lásméretet. Ezek a georácstípusok meg­lehetősen merev és magas bordákkal, valamint csomópontokkal bírnak, ellentétben a b) típusú georáccsal, amely szőtt technológiával készül, poliészter mo­no­filamens szálakból gyártva, PVC bevonattal. Ennek a georácscsoportnak a legnagyobb előnye a flexibilitása, hiszen a tekercsből „kigurítás” után sem akar visszaállni a szállítási/tárolási állapotába, viszont csomópontja és szálai sérülékenyebbek, mint társaié. A c) típusú polipropilén georácsot gyakran nevezik „félmerevnek”, hiszen előterhelt, extrudált elemi pászmáinak hajlítómerevsége, csomópontjainak csavarási-merevsége van, viszont ezek utólagosan, hegesztéssel készülnek. A d) típusú csoport gyártási technológiája teljes egészében megegyezik az a) típuséval, azaz merevebbek és magas bordákkal, valamint csomópontokkal gyártják, viszont nyílásai egyenlő szárú háromszögekből állnak.

Az 1. táblázatban foglaltuk össze annak a nyolc (GG1–GG7, valamint COMP jelölésekkel) erősítő elemnek a tulajdonságait, amelyeket a vizsgálatsorozatban alkalmaztunk.

A mérési eredmények feldolgozási módszere

Minden egyes georácsra, az adott szemcsés rétegben, az összes nyírási síkra 3-3 vagy 4-4 mérést végeztünk el, és a mérések átlagával dolgoztunk. Az egy-egy nyírási síkra kapott nyomóerő-elmozdulás grafikonok esetén a belső nyírási ellenállást az 5 mm és 40 mm közötti keretelmozdulás tartományán mért adatsorra illesztett lineáris regressziós függvény meredekségével jellemeztük. Az erősítő funkcióval felruházott geoműanyagokat legtöbbször nem a szakítószilárdságukkal, hanem az 1-2%, akár 0,5%-os szakítómerevségükkel jellemzik, hiszen ebben a zónában definiálhatjuk a georács és a szemcsés anyag optimális együttdolgozását. (Megjegyzés: a korábbi kutatásokban – a mostanitól eltérően – az egyes nyírási síkokra jellemző, maximális nyomóerőértékeket vettük figyelembe, ami sokszor 50-70 mm-es keretelmozdulások hatására alakult ki. A valóságban, üzemi körülmények között ekkora – főleg vízszintes – alakváltozása nem lehet a geoműanyag-erősítésű szemcsés anyaghalmaznak – tönkremenetel vagy stabilitásvesztés nélkül. Ezért reálisabb a jelenlegi értékelés.)
A továbbiakban a nyírószilárdság jellemzésére a szemcsés anyaghalmazban az egyes nyírási síkokra jellemző belső nyírási ellenállás kifejezéseket alkalmazzuk. Természetesen az olyan szemcsehalmazok esetén, mint amilyen a vasúti zúzottkő ágyazatot, az SZK1 keveréket, illetve az FZKA 0/56 anyagot felépítő törtszemcsés, szabálytalan alakú, élesélű köveket és finom szemcséket is tartalmazó halmaz, még laboratóriumi körülmények kö­zött sem mérhető tökéletesen pontos, szemcsehalmazra vonatkozó belső nyírási ellenállás. Azaz a mért eredményeknek – a szabálytalan alakú kövek véletlenszerű eloszlásából adódóan – meghatározott szórásuk lesz. A lineáris regressziós függvények meredekségi értékeinek átlagolásával határoztuk meg a belső nyírási ellenállás paramétereket különböző georáccsal vagy georács-kompozittal kialakított rétegszerkezetek esetén az egyes nyírási síkokban. A nyírások közben regisztrált nyomóerőket nem korrigáltuk a keretek között mért súrlódási ellenállások értékeivel. Ezt a közelítést azért alkalmaztuk, mert a súrlódási ellenállások nagyságai a mért nyomóerőkhöz képest kicsiny mértékűek, azonban eredményeink megfogalmazásakor tudatában voltunk annak a ténynek, hogy a laboratóriumi vizsgálatok mérési adatait ezek elhanyagolható mértékben befolyásolták. Valamint abból az okból kifolyólag, hogy a mérések több különböző időponthoz és vizsgálatsorozathoz köthetők, minden egyes eredmény esetében az adott vizsgálat null-méréséhez (erősítetlen esetéhez) viszonyítottuk az erősített eset meredekségi arányszámát.

Eredmények és megállapítások

A többszintes nyíróládás vizsgálattal meghatároztuk a tömörített erősítés nélküli és a különböző típusú georáccsal és georács-kompozittal erősített törtszemcsés vasúti zúzottkő ágyazatra az SZK1 keverékre, valamint az FZKA 0/56 anyagra jellemző belső nyírási ellenállás függvények értékeit a georács/geokompozit síkjától mért vertikális távolság függvényében.

Az 6. ábra a vasúti zúzottkő ágyazat esetén mért eredményeket szemlélteti az első, a második és a harmadik nyírási síkon, különböző georácsok esetére. A sötétkék, azaz az 1,0 értékű oszlop minden esetben az erősítetlen szemcsés halmazt mutatja, azaz a referenciamérést. Az eredményekből az alábbi három lényeges megállapítást tehetjük:

• a többszintes nyíróláda alkalmas a vízszintes síkokra jellemző belső nyírási ellenállás megállapítására;
• a belső nyírási ellenállás georácsok beépítésével növelhető, azaz az interlock hatás kimutatható a módszerrel;
• a belső nyírási ellenállás növekmény még 20 cm-re is érzékelhető a georács síkjától számítva (azaz a 3. nyírási síkban);
• a különböző georácsok eltérő eredményeket adtak.

A 7. ábrán már csak az 1. nyírási síkban mért értékarányok olvashatók le, csoportokba rendezve, nyílásméret alapján. Az első, legnagyobb nyílásméretű csoportban a GG2 és GG6 georácsok szerepelnek, a második csoportban az átlagos nyílásmérettel rendelkező GG1, GG4 és GG6 georácsok láthatók, a harmadik csoportba pedig a kis nyílásméretű termékeket helyeztük el (GG3 és GG7).

A csoportokba rendezés alapján leolvasható a diagramról, hogy hasonló nyílásméretű termékek hasonló eredményeket hoztak. Kisebb eltérések ugyan megfigyelhetők, például a GG7 georács beépítése majdnem 30%-kal csökkentette a belső nyírási ellenállás mértékét, ami logikusnak tekinthető, hiszen a zúzottkő ágyazat legkisebb, 31,5 mm átmérőjű szemcséi sem fértek bele 30 mm oldalhosszúságú egyenlő oldalú háromszög nyílásokba, azaz így az interlocking hatás sem jöhetett létre, sőt feltételezhetően egy csúszófelületet hozott létre a homokréteg és az ágyazat között.

A 8–9. ábra a 0/56 zúzottkő és az SZK1 anyagokra adja meg az 5…40 mm keretelmozduláshoz tartozó lineáris regressziós függvény meredekségének arányát a georács síkjában.

Ahogy már korábban is említettük, és a 4. ábrán is látszik, az alkalmazott szemcsés anyagok szemszerkezete, szemeloszlási görbéje különbözik, így az erősítetlen belső nyírási ellenállásuk is eltér. Valószínűsíthetően éppen emiatt, az interlock hatás segítségével kialakuló georács-szemcsés anyag kompozit a vasúti ágyazati zúzottkő esetében sokkal nagyobb kiterjedésű (6. ábra), viszont a 0/56 zúzottkő esetében csak minimális javulás volt látható 10 cm-re a georács síkjától, az SZK1 szemcsés keverék esetében viszont ez a kompozit réteg biztosan keskenyebb sávban terjed ki, mint 10 cm, a második nyírási síkban javulás már nem volt észrevehető. A megállapítás az eddigiekhez hasonló, a hasonló nyílásméretű georácstermékek nagyon hasonló eredményeket adtak, szignifikáns különbségek nem adódtak. A georács-kompozit termék vizsgálata során pedig mind a 0/56, mind pedig az SZK1 anyagok esetén 10% körüli csökkenést észleltünk a belső nyírási ellenállásban, ami logikus, hiszen a geotextília csökkenti a beékelődés lehetőségét, viszont a csökkenés nem olyan mértékű, hogy a georács-kompozit alkalmazását ne javasoljuk.

Konklúzió és további kutatás

A vizsgálatsorozattal az volt a célkitűzésünk, hogy megállapítsuk a georács és a szemcsés anyag között a megfelelő inter­locking kialakulásához szükséges geo­rács-paramétereket. Mindezt laboratóriumi, többszintes nyíróláda segítségével végeztük, ami megfelelőnek bizonyult a belső nyírási ellenállás, mint az interlocking hatás indikátorának kimutatására a szemcsés anyagok különböző szintjein.
A vizsgálat alapján megállapítható, hogy a georács vagy georács-kompozit esetében nem a gyártási technológia vagy egyéb más csomópontokkal összefüggésbe hozható paraméterek határozzák meg azok teljesítőképességét, sokkal inkább a megfelelő nyílásméret kiválasztása. Jövő­beli kutatási terveink közé tartozik, hogy a bemutatott szemcsés anyagokat (főként a kevésbé vizsgált 0/56 és SZK1) bővített nyílásméret-tartományba tartozó geo­rá­csok­kal is megvizsgáljuk, hogy pontosabb ajánlást tehessünk a nyílásméret helyes kiválasztásával kapcsolatban.