Előzmények

Az elmúlt öt-tíz évben többször kellett Magyarországon is utak, vasutak töltéseit puha, telített, általában szerves talajokra építeni. A puha altalaj gyenge szilárdsága stabilitásvesztéssel fenyeget, kompresszibilitása, csekély áteresztőképessége, kúszási hajlama pedig nagymértékű és elhúzódó süllyedéseket okoz. Mindezek különösen azért válnak kritikussá, mert az építési határidők egyre szűkösebbek. A problémák megoldásának egyik eszköze lehet a mélykeveréses talajjavítás.
A mélykeverés kifejlesztése Svédországban és Japánban kezdődött az 1960-as évek végén egy fúrószáras oszlopszerű javítás alkalmazásával (1. ábra). Ez azóta sokfelé elterjedt, több új technológiát dolgoztak-dolgoznak ki, melyek főleg a technológia alapgépét jelentő fúrószár alakjában és szerszámjában különböznek, vagy az alkalmazott kötőanyag típusában és minőségében van eltérés. Az utóbbi években – főleg finn kutatások nyomán – terjed egy másik eljárás, a tömegstabilizáló keverés is (2. ábra), melyben a gyenge talajt teljes tömegében átkeverik. A kezelések célja a talajjellemzők javítása, elsősorban a nyírószilárdság növelése, az összenyomhatóság csökkentése.

A javítás az agyagásványok felületén lezajló ioncsere, a szemcsék közt kialakuló kötés és a pórusok kitöltődése révén jön létre (Logar, 2012) [1].
Egyedi, általában 60 cm körüli átmérővel készülő oszlopokkal akkor dolgoznak, ha az elsődleges cél a süllyedések csökkentése, s a gyenge altalaj vastagsága meghaladja az 5 m-t, de ezzel akár 40 m is elérhető. A tömegstabilizálás akkor előnyösebb, ha nagyon gyenge az altalaj, például tőzegvagy szerves agyag, de a kezelendő vastagság nem több mint 5 m, s a rákerülő töltés is alacsony, s az elsődleges cél a stabilitás növelése (Moseley and Kirsch, 2004, Allu Stabilisation System) [2], [5].
Magyarországon még nem volt példa a mélykeveréses technológia töltésalapozás-ként való alkalmazására, ám törekvések vannak a tömegstabilizálás honosítására.
Mindezek indokolták, hogy 2009-ben pályázatot nyújtottunk be a MÁV Zrt.-hez a mélykeveréses technológia töltésalapozásként való alkalmazásának kutatására. Azt vizsgáltuk, hogy jellegzetes kedvezőtlen hazai talajok mechanikai jellemzői laborató-riumi kötőanyagos keveréssel mennyiben javíthatók, oszlopszerű javításuk mennyire lehet hatékony töltésalapozási módszer.
A vizsgálatokat a hazai geológiai viszonyok és a közeljövőben várható vasútfejlesztési projektek értékelése alapján három talajtípuson végeztük:

• szerves agyag (a „Zalavasút” mentén fekvő puha-gyúrható, kissé szerves agyag),
• tőzeg (Szakály-Hőgyész–Kurd vasút-
• vonal mentén fekvő tőzeg),
• mésziszap (sárréti, nagy víztartalmú, puha állapotú, erősen összenyomható nagy mésztartalmú iszap).

Ezek kezeletlen mintáin végzett laborvizsgálatok eredményeit mutatja az 1. táblázat.

A laboratóriumi vizsgálatok eredményei

A mélykeveréses technológiák paraméterei
A keveréssel előállított anyag minősége – a gyenge talaj alaptulajdonságai mellett – az alkalmazott kötőanyag típusától és mennyiségétől, valamint a talaj és a keverékben lévő teljes vízmennyiség arányától függ.
A kötőanyag mennyiségét a nemzetközi gyakorlatban a következő két paraméterrel szokás jellemezni:

• cementtényező: α = m_cement/V_talaj = kötőanyagtömeg/talajtérfogat [kg/m³],
• keverék-cementtényező: α_inpl = m_cement/V_mix = kötőanyagtömeg/keveréktérfogat [kg/m³].

A víz mennyiségét a cement mennyiségéhez szokás viszonyítani, mindkettőt térfogatban mérve. Lényeges, hogy a víz mennyiségében a talajban már benne levő víz is megjelenjen, ezért szokás ezt az ún. teljes víz/cement tényezővel jellemezni, mely a w_T/c = m_w,mix/mcement = víztömeg/cementtömeg [-] képlettel számítható.
A kész, szilárduló keverékeket a technológiák alkalmazásához két paraméterrel érdemes jellemezni, ezek

• az egyirányú nyomószilárdság, q_u [kPa],
• a rugalmassági modulus E [MPa].

A technológiai és organizációs tervezéshez általában szükség van a szilárdulási folyamat ismeretére is, ezért a nemzetközi gyakorlatban általában 7, 14, 28, 42 és 90 nap elteltével mérik e mechanikai jellemzőket (Filz et. al., 2005) [3].
Kutatásunk mind az oszlopszerű, mind pedig a tömegstabilizáló mélykeveréses technológia alkalmazási lehetőségeit vizsgálta. Ennek jegyében állítottuk össze a keverékeket: változó ? és változó w_T/c tényezővel összesen 56 különböző fajtát.
Az oszlopszerű mélykeverés lehetőségeit a német Bauer cég (MIP), míg a tömegstabilizálásét a finn ALLU cég által alkalmazott technológia ajánlásait követve vizsgáltuk, mert Magyarországon a közeljövőben ezek alkalmazására van esély.
A laboratóriumban stabilizált talajok paramétereinek értékelése
A 3. ábra az egyirányú nyomószilárdságoknak a cementadagolástól függő növekedé-sét ábrázolja a megvizsgált tartományokra. Jól érzékelhető az ábráról, hogy

• azonos cementadagolással a tőzeg a másik két talaj szilárdságának a negyedét éri el.
• a mésziszap és az agyag az ?inpl < 220 kg/m3 tartományban közel azonos szilárd-ságú, efölött a mésziszap jobban hasznosítja a kötőanyagot.

Megemlítjük, hogy a nyomószilárdság 28 nap után még mindegyik talaj és keverékfajta esetén növekedett. A 90 napos szilárdság a 28 naposnak 1,2-1,8-szorosa lett.
A 3. ábra felhívja a figyelmet arra, hogy a megadott képletek érvényességét nem szabad a nem vizsgált nagyobb cementtényezőjű tartományokra kiterjeszteni.
Az agyag görbéje és lényegében „négyzetes” képletének tükrében kételkednünk kell abban, hogy a mésziszapra kapott „köbös” képletben kifejeződő erőteljesebb szilárdulás a nagyobb α_inpl > 270 kg/m³ tartományban alkalmazható. Hasonlóképpen kell értelmeznünk a tőzegre adott képlet még nagyobb, „négyes” kitevőjét. A képlettel számolva ugyanis α_inpl ≈ 450 kg/m³ értéktől a tőzegre nagyobb szilárdságot kapnánk, mint az agyagra, miközben a bemért tartományban sokkal gyengébb a tőzeg. 
A 4. ábra a nyomószilárdságoknak a teljes víz/cement tényezőtől való függését mutatja. Megfigyelhető, hogy

• a görbék jellege hasonló; 
• wT/c > 4 esetén már mindegyik talajt nehéz stabilizálni;
• wT/c < 3 esetén nagyon változik a szilárdság, amit valójában a cementtényező változása okoz.

Az 5. ábra a rugalmassági modulusok és a nyomószilárdságok arányát mutatja be.

A lineáris összefüggés alkalmazása mindegyik talaj esetében helyénvaló, az egyenes körüli szórás a tőzeg esetén volt a legnagyobb, a mésziszap esetén a legkisebb.
Az ábrán különösen markánsan megmutatkozik, hogy a tőzeget mennyivel szűkebb tartományban vizsgáltuk.
A három képlet általánosítva és egyszerűsítve a következőképpen adható meg:
E_u = E·q_u     
melybe q_u értékét MPa-ban helyettesítve E_u-t is MPa-ban kapjuk, ha a három talajfajtára a következő E konstansokat helyettesítjük be:
– zalai agyag    E = 100
– hőgyészi tőzeg    E =   50
– sárréti mésziszap    E =   70

A mélykeveréses talajjavítás tervezése, modellezése

A vizsgált töltésalapozások
Kutatásunk másik fontos része a vizsgált talajok mélykeveréses talajjavításának tervezésére alkalmas módszer kidolgozása volt. Mind a két technológia (az oszlopszerű javítás és a tömegstabilizálás) méretezési-modellezési lehetőségeit megvizsgáltuk olyan geometriájú esetekre, melyek a talajrétegződés, a töltésméretek tekintetében a vasútépítési gyakorlatban tipikusak, s amelyek esetében mindkét javítási technológia szóba jöhet. A Plaxis 3D programmal (Brinkgreve, 2011) [4] vizsgáltuk az egyes technológiáknak a süllyedésre és az állékonyságra gyakorolt hatását.
A vizsgált töltés geometriai viszonyait a 6. ábra, a kezeletlen talajok számításba vett jellemzőit a 2. táblázat mutatja. A talajvíz szintjét a terepszintre feltételeztük. Töltés-anyagként jó minőségű homokos kavicsot vettünk figyelembe. Az ágyazat tetején 3,0 m szélességben 52,5 kPa járműterhet működtettünk. Nem számoltunk tehát azzal, hogy ez konszolidációs süllyedést okoz, csak az állékonyságvizsgálatban vettük figyelembe.

A mélykeveréssel készülő oszlopok átmérőjét 60 cm-re, hosszukat egységesen 5,0 m-re vettük, vagyis leértek a gyenge réteg feküjéig. Az oszlopok kiosztását 2,0 × 2,0, illetve 3,0 × 3,0 m négyzethálós raszterbe képzeltük. E szerkezeti kialakítást a 7. ábra mutatja. Részleges tömegstabilizálásként a 8. ábra szerinti 1,8 m átmérőjű helyettesítő oszlopokat vizsgáltunk, melyek 2,4 × 2,4 m, 3,6 × 3,6 m és 5,4 × 5,4 m négyzethálós raszterben helyezkednek el. Vizsgáltuk a teljes tömegstabilizálást is, a kezelt talajtömeget egy jobb minőségű talajként modellezve.

A modellezés során mindhárom talaj esetében ötféle keverék egyirányú nyomóvizs-gálatának eredményeit használtuk fel. Ezeket a 3. táblázat foglalja össze. A futtatások során az egyirányú nyomószilárdságot e határok között változtattuk. A programba bemenő szilárdsági paraméter a kohézió (c_ref) volt, melyet az egyirányú nyomószi-lárdság felére vettünk. Az oszlopok rugalmassági modulusát (E_ref) a laboratóriumi kísérletek alapján az agyag esetén az egyirányú nyomószilárdság 90-, a tőzeg esetén 45-, a mésziszap esetén 70-szeresére vettük. A Poisson-tényező ν = 0,2 volt.

A modellezéskor a következő építési-terhelési-számítási fázisokat vizsgáltuk:

1. mélykeverés készítése, teherelosztó réteg beépítése,
2. töltésépítés 2 m magasságig 30 nap alatt,
3. töltésépítés teljes magasságig 30 nap alatt,
4. végállapot (konszolidáció 5 kPa maradó többlet-pórusvíznyomásig),
5. állékonyságvizsgálat járműterhelést is figyelembe véve.  

A süllyedéscsökkentő hatás elemzése

Az eredmények értékeléséhez a süllyedést az egyirányú nyomószilárdság (q_u) függvényében a 9–11. ábrákon mutatjuk be.
Mindhárom talajra vonatkozóan megállapítható, hogy

• a szilárdság növekedésével mindegyik megoldás csökkenti a süllyedést;
• a különböző oszlopméretek és kiosztások hatékonysága lényegesen különbözik;
• egy bizonyos qu nyomószilárdság fölé viszont már általában nem érdemes menni, mert a süllyedéscsökkentő hatás csökken.

Az agyag esetén bekövetkező süllyedéseket illetően (9. ábra) megfigyelhető, hogy

• a 0,8 < q_u < 1,0 MPa tartományban az egyirányú nyomószilárdság csökkenésével a süllyedések rohamosan növekednek;
• jellemzően q_u = 2,0 MPa az a szilárdság, mely fölött a süllyedéscsökkentő hatás már csekély;
• kevésbé hatékony a 3,0 × 3,0 m kiosztású, 0,6 m átmérőjű egyedi talajoszlopokkal való javítás, bár q_u = 3 MPa szilárdságú oszlopokkal a süllyedés így is felezhető;
• a leghatékonyabb a részleges tömegstabilizálás 1,8 m átmérőjű, egymástól 3,6 m távolságra lévő „oszlopokkal”, mert ezzel már gyenge q_u ?0,2–0,4 MPa szilárdságú oszlopokkal is felére csökkenthető a süllyedés.

A tőzegtalajra vonatkozóan (10. ábra) szerint megállapítható, hogy

• a süllyedéscsökkentő hatás már csekély, teljes tömegstabilizálás esetében kb. q_u = 80 kPa, a részleges tömegstabilizálás esetében kb. q_u = 100 kPa fölött;
• ilyen gyenge talajban a teljes tömegstabilizálás a hatékony megoldás;
• hatékony a részleges tömegstabilizálás 2,4 × 2,4 m kiosztással és 1,8 m átmérővel, ha az oszlop nyomószilárdsága q_u = 0,1 MPa-hoz közelít;
• a ritka, 5,4 × 5,4 m kiosztású részleges tömegstabilizálás nem ajánlható.

A mésziszap talaj q_u – s ábrájáról (11. ábra) a következők állapíthatók meg:

• a hatékony süllyedéscsökkentés határa függ az elrendezéstől, minél hatékonyabb a módszer, annál kisebb ez a határ;
• a részleges és teljes tömegstabilizálás esetében a görbe első szakaszán, kb. q_u≈ 0,4 MPa-ig a szilárdság növekedésével rohamosan csökkennek a süllyedések;
• a részleges és teljes tömegstabilizálás esetén a görbék második szakaszai ellapuló egyenesek, ami azt jelenti, hogy a talaj javulásával arányosan, de már csak szolid mértékben csökken a süllyedés;
• a 60 cm átmérőjű oszlopokkal a süllyedés a szilárdság növekedésével a vizsgált tartományban mindvégig lineárisan csökken, de nem igazán markánsan;
• a 3,0 × 3,0 m kiosztású, 0,6 m átmérőjű egyedi talajoszlopokkal való javítás kevésbé hatékony, bár kb. q_u = 1,2 MPa egyirányú nyomószilárdságú oszlopokkal a süllyedés így is a felére csökkenthető;
• közel azonos hatékonyságú a 2,0 × 2,0 m kiosztású, 0,6 m átmérőjű egyedi oszlopokkal való talajjavítás és az egymástól 5,4 m-re elhelyezett, 1,8 m átmérőjű cölöpökkel helyettesített részleges tömegstabilizálás;
• hatékony a részleges tömegstabilizálás1,8 m átmérőjű, egymástól 3,6 m távolságra lévő „oszlopokkal”, mely már q_u ≈ 0,2 MPa szilárdságú oszlopokkal is a kezelés nélküli érték felére csökkenti a süllyedést;
• teljes tömegstabilizálással csökkenthető a leghatékonyabban a süllyedés, nagyon kis, qu = 0,1 MPa szilárdságú anyaggal is a kezeletlen talajra számított negyedére.

A technológiák állékonyságcsökkentő hatásának értékelése

A vizsgált megoldások állékonyságnövelő hatását a biztonsági tényezők növekedése fejezi ki. A kezeletlen állapotra a zalai agyagtalaj esetében n = 1,42, a sárréti mésziszap esetében n = 1,30 biztonság mutatható ki a térbeli modellezéssel. Ezek esetében a biztonság már viszonylag gyengébb és ritka kiosztású oszlopokkal is feljavítható a kívánatos n = 1,35 értékre, ezért ezek elemzésétől eltekintünk.
A gyengébb szilárdságú tőzegtalajra vonatkozóan az elvégzett állékonyságvizsgálatok eredményeit a 12. ábra mutatja.

Az egyirányú nyomószilárdság és a biztonság kapcsolatát a 3D modellel végzett futtatások eredményei adták.
A számítások alapján a következőket tudtuk megállapítani:

• talajkezelés nélkül az állékonyság nem biztosítható, lényegében még akkor sem, ha nincs járműterhelés, a ? redukciós számítás nem futott le;
• teljes tömegstabilizálás esetén a q_u = 30 kPa nyomószilárdság sem biztosítja az egyensúlyt, sőt a 2. keverékkel (q_u = 50 kPa) sem érhető el az előírt n = 1,35 biztonság, a szilárdságnövekedés viszont rohamosan növeli a biztonságot, és q_u = 70 kPa már lényegében elegendő;
• a ritka kiosztású részleges tömegstabilizálás (5,4 × 5,4 m kiosztás) nem elégséges ahhoz, hogy járműterhelés esetén is meglegyen a stabilitás, bár q_u = 150 kPa esetén járműterhelés nélkül már lefutott a számítás, de a süllyedés így 67 cm lett, amiben bizonyosan közrejátszott a nagy oldalkitérés, a töréshez közeli állapot;
• a sűrűbb kiosztású részleges tömegstabilizálásokkal (2,4 × 2,4 m és 3,6 × 3,6 m), ha q_u > 80 kPa szilárdságú oszlopokat készítünk, már elérhető az n > 1,35 biztonság, de a szilárdság növelésével az alig nő (még közel kétszeres minőségjavulás esetén is n < 1,6 marad), gyengébb oszlopminőségre pedig a 3D számítás még nem futott le járműterhelés nélkül sem, pedig az ábrán látható vonalak alapján n > 1,0 biztonságra lehetne következtetni (az ellentmondás okát eddig nem tudtuk tisztázni).

Összefoglalás

A vonalas létesítmények töltéseinek alapozását gyakran oldjuk meg talajjavítással. Ennek egyik gazdaságos, környezetbarát, komplex módszere a mélykeverés és a tömegstabilizálás, melyek csökkentik a süllyedéseket és növelik a talajtöréssel szembeni biztonságot. A dolgozat e kérdések egy újszerű vizsgálatát mutatja be.
A laboratóriumi vizsgálatok alapján megállapíthattuk, hogy a vizsgált talajok messzemenően alkalmasak a cementes stabilizálásra. A kísérletek alapján grafikus és numerikus összefüggéseket állapítottunk meg az egyirányú nyomószilárdság és a keverék cementtényezője, a nyomószilárdság és a teljes víz/cement tényező, illetve a nyomószilárdság és a rugalmassági modulus között.
A laboratóriumi vizsgálatok eredményeit felhasználva végeselemes modellezéssel vizsgáltuk a zalai agyag, a hőgyészi tőzeg és a sárréti mésziszap oszlop-, illetve tömbszerű mélykeveréses javításának hatékonyságát. Megállapítottuk, hogy a

• a mélykeveréses technológia töltésalapozásként való alkalmazása a vizsgált kedvezőtlen hazai talajok esetében alkalmas eljárás, mert ésszerű cementadagolással képes mind a süllyedések csökkentésére, mind az állékonyság növelésére;
• szerves agyagok esetén az oszlopszerű mélykeverés előnyösebb, mint a tömegstabilizálás, mivel az állékonyságvesztés kevéssé fenyeget;
• tőzegek esetén a teljes tömegstabilitás a leghatékonyabb, de gazdaságossági okból célszerű lehet sűrű oszlopszerű részleges tömegstabilizálással is próbálkozni;
• mésziszap esetén mindkét technológia alkalmazása helyénvaló, a sűrűbb kiosztású oszlopszerű mélykeverés vagy a ritkább kiosztású részleges tömegstabilizálás alkalmazásának mérlegelésében a konkrét projekt költségelemezése segíthet.

Munkánkat a MÁV Zrt. K+F szerződés keretében támogatta, amiért ezúton is köszönetünket fejezzük ki.

Irodalomjegyzék
[1] Logar, J. (2012): Ground Improvement State of the Art in South Eastern Europe. 2. Symposium Baugrundverbesserung in der Geotechnik am 13. und 14. September 2012 an der TU Wien, pp. 19–46.
[2] Allu Stabilisation System, http://www.allu.net/products/stabilisation-system
[3] Filz, G.M., Hodges, D.K., Weatherby, D.E. and Marr, W.A. (2005): Standardized Definitions and Laboratory Procedures for Soil-Cement Specimens Applicable to the Wet Method of Deep Mixing. GSP 136 Innovations in Grouting and Soil Improvement, ASCE Geo-frontiers, Reston, Virginia, pp. 1–13.
[4] Brinkgreve R.B.J., Vermeer P.A. (2010): PLAXIS-Finite element code for soil and rock analyses. Plaxis 3D Manuals, Delft University of Technology & Plaxis bv, Netherlands.
[5] Moseley, M.P., Kirsch, K. (2004): Ground Improvement. Taylor and Francis, London, pp. 57–92, 331–428.
[6] Hayward Baker, (2010) Geotechnical Construction, Construction Techniques, http://www.haywardbaker.com/WhatWeDo/Techniques/default.aspx
[7] Dumas, C. et. al. (2003): Innovative Technology for Accelerated Construction of Bridge and Embankment Foundations in Europe. FHWA-PL-03-014, 2003, pp. 6–13.