Napjainkban a vasúti közlekedés fejlesztése Magyarországon és külföldön is az építőmérnöki szakma egyik fontos területe. A meglévő pályarendszer a megnövekedett forgalom, a nagyobb tervezési sebességek és a sokszor igen kedvezőtlen altalajadottságok miatt folyamatos karbantartást igényel. Emellett pedig távlati cél a nagysebességű vasútvonalak kiépítése, kifejlesztése, hogy ezáltal csatlakozzunk a nagysebességű transzeurópai vasúti hálózathoz. E cél elérésére európai uniós irányelvek is köteleznek minket.

Az igen puha, telített és sokszor szerves altalajra épített pályaszakaszok vizsgálata és megerősítése régóta központi kérdés, de a mai gyakorlat általában még ezeket a legrosszabb szakaszokat is helyettesítő statikus terhekre méretezi – pontosabb eljárások hiányában. A pontosabb számításokhoz, hatékonyabb megoldásokhoz fontos lenne ezért, hogy a vasúti teher altalajra jutó ciklikus és dinamikus hatásait is vizsgáljuk, ehhez azonban elengedhetetlen az altalaj dinamikus modellezéséhez szükséges bemenő paraméterek meghatározása.

A nagy sebességgel közlekedő vonatok számos különleges kihívás elé állítják a mérnököket, a szigorú biztonsági előírások miatt például különösen nehéz teljesíteni a pálya geometriájára vonatkozó követelményeket. További problémákat okozhat emellett – egyebek között – a zajterhelés és a vasúti forgalom okozta rezgések, melyek a talajban továbbterjedve káros hatással lehetnek más mérnöki szerkezetekre, köztük az épületekre is.

A vasút által keltett dinamikus és ciklikus hatások vizsgálata során, a teljes rendszer felépítését figyelembe véve kaphatunk csak pontos eredményt. Meg kell határozni a terhelés jellemzőit (mely függ a vonatok jellemzőitől, a tervezési sebességtől), a felépítmény (sín, sínleerősítés, aljak, ágyazat) elemeinek jellemzőit és ezek esetleges hibáit, valamint az alépítmény és az altalaj tulajdonságait is. A fentiek közül talán az altalaj az a rendszerelem, amelyet a tervezés és kivitelezés során a legkevésbé befolyásolhatunk. A vasúti közlekedés okozta dinamikus és ciklikus hatások értékeléséhez – esetleges csökkentéséhez – szükséges megoldások tehát az altalaj dinamikus viselkedésének pontos ismeretében mérlegelhetők. A továbbiakban röviden összefoglaljuk a legfontosabb dinamikus talajparamétereket, amelyek szükségesek az említett vizsgálatok elvégzéséhez, áttekintjük e paraméterek in situ és laboratóriumi meghatározási módjait, és három kiválasztott cikk révén röviden kitekintünk a nemzetközi kutatásokra.

Dinamikusan terhelt talajok viselkedése

Anyagmodellek

A talajok dinamikus terhelés alatti viselkedésének leírására használt anyagmodellek meglehetősen komplexek. Egy ilyen modellben figyelembe kell venni, hogy a talajok fázisos összetételűek, a szilárd talajszemcsék között pórusok találhatók, melyeket bizonyos mértékig (vagy teljesen) víz tölthet ki. Mechanikai szempontból a talajokat anizotróp és nemlineáris anyagoknak kell tekintenünk. Számos kutatás igazolta, hogy például száraz szemcsés talajok esetén csak a nagyon kis alakváltozások tartományában tekinthetünk el a nemlinearitástól (nyírási alakváltozás g < 10–4%). Megfigyelhető, hogy az alakváltozás (és ezzel összefüggésben a feszültség) növekedésével a nyírással szembeni ellenállás fokozatosan csökken, a kezdeti lineárisan rugalmas szakaszhoz tartozó nyírási modulus (G_max) romlik (1. ábra). Ezzel párhuzamosan a talaj hiszterézises viselkedést mutat, és az alakváltozás növekedésével nő az energiaelnyelő képessége, amelyet a csillapítással (D) jellemezhetünk.

A nyírási modulus akár az eredeti érték 5-10%-ára is csökkenhet. A leromlás jellegű viselkedés leírására számos kutató dolgozott már ki anyagmodelleket (Jardine 1986, Ramberg–Osgood 1948, Benz 2008). 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. Más megközelítésben, a hagyományos „statikus” körülmények között végzett geotechnikai laboratóriumi vizsgálatokkal nem lehet figyelembe venni a kis alakváltozásokhoz tartozó nagyobb merevséget. A vasúti közlekedés okozta rezgések jellemzően ilyen nagyságrendű alakváltozási tartományba tartoznak (2. ábra). Az említett anyagmodellek közül néhány már a korszerű geotechnikus végeselemes programokban is elérhető (Plaxis – Hardening Soil Small Strain Stiffness).

Megjegyezzük, hogy a talajkörnyezetet a gyakorlati számításokban és még a kutatások területén is legtöbbször vízszintes, homogénnek és izotrópnak tekintett rétegekre bontva vizsgáljuk, ezek a feltételezések általában elfogadható közelítésnek tekinthetők. A nemzetközi szakirodalom a vasúti közlekedés keltette rezgések vizsgálatához pedig legtöbbször a lineárisan rugalmas viselkedést is feltételezi (nagy hangsúlyt fektetve a merevség felvételére).

Talajparaméterek

A 3. ábrán egy ciklikusan terhelt talajminta tipikus feszültség-alakváltozás görbéit láthatjuk különböző alakváltozási szinteken. A görbéket ciklikus torziós nyírásvizsgálatból kaptuk. Megfigyelhető, hogy minden esetben a terhelés után, a tehermentesítés során a feszültségpálya nem követi az eredeti feszültségpályát, hiszterézis hurok alakul ki. A hurok a talaj energiaelnyelő képességét fejezi ki. Az energiaelnyelést számos mechanizmus okozza, így például a talajszemcsék közötti súrlódás, továbbá a szemcseváz és a pórusvíz közötti relatív elmozdulások. A hurok által közrezárt terület arányos az energiaelnyelő képességgel, ennek leírására használatos a csillapítás, amely az alakváltozás növekedésével nő, így egyre nagyobb alakváltozási szinthez egyre nyitottabb hiszterézis hurok tartozik. Az ábrán az is megfigyelhető, hogy az egy ciklusra vett átlagos nyírási modulus, amelyet a hurok csúcspontjait összekötő egyenes meredekségével definiálhatunk, a nyírási alakváltozás növekedésével egyre kisebb, azaz a hurkok egyre nagyobb alakváltozási szinten egyre „laposabbak”, ezért beszélünk a modulus romlásáról.

A viselkedés leírásához szükségünk van a kezdeti nyírási modulusra (Gmax); a mo­du­lus romlását leíró görbére (4. ábra), amelyet gyakran a pillanatnyi és a kezdeti modulus hányadosával szoktak megadni (G/Gmax); valamint a csillapítás-alakváltozás függvényére, azaz a csillapítási görbére. Ezeket a paramétereket különböző helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok segítségével határozhatjuk meg. A helyszíni vizsgálatok előnye, hogy mintavételezés nélkül, vagyis a természetes állapot zavarása nélkül végezhetünk méréseket, és egy nagyobb talajkörnyezetre vonatkozó „eredő” értéket mérhetünk. Hátrányuk ugyanakkor, hogy csak az adott állapot (tömörség, víztartalom stb.) jellemzői mérhetők, és sokszor csak közvetetten kapunk paramétereket. A la­bo­ra­tó­riumi mérésekben vizsgálhatjuk a kü­lön­böző feszültségi állapotok és más állapotváltozások hatását is (pórusvíznyomás változása), viszont ilyenkor néhány „kis” minta eredményeit kell felhasználnunk egy nagyobb közeg viselkedésének leírására.

Helyszíni mérések

A helyszíni mérésekkel általában a nyíróhullámok terjedési sebességét (vs) tudjuk meghatározni, esetenként a felületi hullám terjedési sebességének mérésére irányulnak a vizsgálatok. Ezekből empirikus úton számíthatjuk a talaj dinamikai paramétereit. 

A helyszíni mérések során jellemzően egy ponton, valamilyen módon (mechanikus kalapács, robbantás, ejtősúly) gerjesztett, rövid idejű vagy állandó hullám egy vagy több pontra való beérkezési ide­jét határozzák meg. A mérési eljárások alapvetően két fő csoportba sorolhatók. Az egyikben valamennyi mérőműszert a felszínen helyezik el, míg a másik fő csoportban a nagyobb pontosság érdekében vagy a vevőt, vagy az adót, vagy mindkettőt fúrólyukban rögzítik.

Előbbi eljárások közül a legelterjedtebb a szeizmikus refrakciós módszer – ahogy a nevében is szerepel – a hullám két réteg határán való iránytörésének elvén alapul. A felszínen keltett hullámok a réteghatáron megtörnek, a kritikus szöggel beérkező hullám a réteghatáron terjed tovább, mely az úgynevezett kritikus távolságon túl először éri el az egyenletes távolságokban elhelyezett geofónokat. A csekély mélységig alkalmas eljárással a felszín közeli rétegekre jellemző nyíró-, illetve longitudinális hullám terjedési sebességeket lehet meghatározni. A módszer költségvonzata csekély a többihez képest, ám csak akkor használható, ha a rétegsebességek a mélységgel nőnek.

Fúrólyukban végezhető mérések a down­hole, up-hole és crosshole vizsgálatok. A downhole mérés során egy fúró­lyuk­ban 0,5–1,0 m mélységközökkel vé­gig­vezetnek egy érzékelőt (geofónt vagy gyorsulásmérőt), mellyel a felszínen keltett longitudinális és transzverzális hullámok beérkezési idejét mérik. A különböző mélységekből származó adathalmazból – figyelembe véve a réteghatárokon való iránytörést – határozható meg a talajzónákra jellemző hullámterjedési sebesség. Az up-hole vizsgálat esetén a műszerek elhelyezése fordított, a fúrólyukban történik a hullámgerjesztés, a felszínen meg az érzékelés. A crosshole vizsgálat során két vagy több fúrólyukra van szükség, hiszen mind a hullámgerjesztő műszer, mind pedig az érzékelők egy-egy fúrólyukban helyezkednek el. Egy mérés során a műszerek azonos mélységben helyezkednek el, majd ezután a mérést 0,5–1,0 m mélységközökként ismétlik. E módszer tekinthető a legpontosabb eljárásnak az in situ mérési technológiák közül, s a pontosság tovább fokozható a fúrólyukak számának növelésével. A fúrólyukas eljárások a furat készítéséből fakadóan meglehetősen költséges mérési módszerek.

A nemzetközi gyakorlatban, s hazánkban is egyre jobban terjed a lényegében a downhole eljárással analóg szeizmikus statikus szondázási vizsgálat (SCPT), mely a hagyományos statikus nyomószondázás (Cone Penetration Test – CPT) egyik változata. Ekkor a vevő nem egy fúrólyukban, hanem a – geotechnikai tervezési feladatokhoz manapság már szinte minden esetben alkalmazott – CPT (CPTu) berendezés fejében van kialakítva, így a hagyományos tervezési feladatokhoz nyert alapadatokon túl a talaj dinamikus viselkedéséről is kapunk információt. 

Az in situ méréseknél még megemlítendő a szeizmikus tomográfia, a felületi hullámok módszere, melyek mára már háttérbe szorultak.

Laboratóriumi mérések

A leggyakrabban alkalmazott laboratóriumi vizsgálatok a dinamikus talajparaméterek meghatározására a következők:

• talajhenger rezonanciás vizsgálata,
• ciklikus nyírásvizsgálat (közvetlen nyírás vagy torziós nyírás),
• ciklikus triaxiális vizsgálat,
• nyíróhullámok közvetlen mérése bender elementtel.

A vizsgálatok közötti legnagyobb különbség a talajmintában keltett alakváltozások (feszültségek) szintjében van (5. ábra). A már említett nemlineáris viselkedés miatt különösen fontos, hogy a valós problémánál fellépővel azonos alak­vál­tozási tartományban végezzük a méréseinket. Ennek megfelelően a vizsgált problémánál várhatóan fellépő alakváltozások mértéke befolyásolja a vizsgálati módszer kiválasztását. A rezonanciás vizsgálat során egy hengeres talajmintát terhelünk ciklikusan, torziós módon. A terhet a talajhenger tetejére helyezett mágneses-tekercses terhelőfej adja át a mintára, és a vizsgálat során gyorsulásmérővel mérik a minta válaszát (alakváltozását) rezonanciafrekvenciás terhelés mellett (6. ábra). A mérésből a nyíróhullám terjedési sebessége számítható, amelyből – a sűrűség ismeretével – számítható a nyírási modulus. A mintát szabad rezgés állapotába hozva mérhető a csillapítás is. Ezután a vizsgálat különböző cellanyomás, alakváltozási szint, terhelési idő mellett ugyanazon a mintán újra elvégezhető, hiszen a terhelés során nem érjük el a törési állapotot.

A ciklikus nyírásvizsgálatot is a leggyakrabban hengeres mintán végzik. A vizsgálat során a mintát a rezonanciás vizsgálathoz hasonlóan terhelik, de nagyobb alakváltozási szinten. A vizsgálat során a talajmintában a vízszintes terhelő erőpár hatására a minta alakváltozásai hasonlóak, mint a függőlegesen terjedő nyíróhullámok által okozott alakváltozások, amelyek a földrengéskor fellépő hullámok közül a mérnöki tervezés szempontjából a legfontosabbak.

A ciklikus triaxiális vizsgálat az egyik leggyakrabban alkalmazott dinamikus vizsgálat, mivel a berendezéssel rendkívül sokféle terhelés modellezhető (7. ábra). A vizs­gálatot a hagyományos triaxiális vizsgálatnál alkalmazott módon, hengeres talajmintán, oldalról támasztó cellanyomás segítségével végzik. A vizsgálatot használhatjuk a leromlási görbe és a csillapítási görbe meghatározásához is.

A bender elementes mérés során piezoelektromos anyagokkal keltenek hullámokat a talajmintában, és egy vevővel mérik a nyíróhullám terjedési sebességét. A mérés az igen alacsony alakváltozási szintek vizsgálatára használható, nagy előnye, hogy más vizsgálatokkal kombinálva is használhatjuk, másrészt pedig, hogy a vizsgálatot különböző irányokban elvégezve a talaj esetleges anizotróp tulajdonságairól is kapunk információt.

Vasúti közlekedés okozta rezgések vizsgálati lehetőségei – külföldi kutatások

A vonat keltette dinamikus rezgések altalajra és szerkezetekre gyakorolt hatása nemzetközi tekintetben is új témának mondható, hazai kutatások geotechnikai vonatkozásban ez idáig nem készültek. Ugyanakkor számos nemzetközi kutatás folyik a vonatok dinamikus hatásának és a szerkezetek erre adott reakciójának minél pontosabb megismerésére, a hatékony méretezés, tervezés, üzemelés minél pontosabb kiszolgálására. Az alábbiakban három publikáció ismertetésével tekintünk ki a nemzetközi kutatásokra.

Costa és társai (2010) az altalaj és töltésanyag nemlineáris viselkedésének a fel­­építmény válaszára gyakorolt hatását vizsgálták, s ennek számításba vételére egy ekvivalens lineáris eljárást használtak. Az alkalmazott 2,5D numerikus modellel, melyen egyik irányba csak a terhelésben lehet változás, a svédországi Ledsgard környékén végzett nagyszámú monitoring mérés visszaszámítását célozták meg. Az elvégzett analízisek jó egyezést mutattak a mérési eredményekkel.

Varandas és társai (2011) azt vizsgálták, hogy a folyópálya és műtárgy közötti átmeneti zónában, térben és időben hogyan változik a mélyebb rétegekre irányu­ló te­her­át­adás. A hollandiai kutatás keretében Gouda város környezetében egy vas­beton keret feletti átvezetést anali­zál­tak végeselemes módszerrel, melynek validálásához helyszíni monitoring mé­ré­si eredmények álltak rendelkezésre. A kutatás eredményeként megalkotott vé­ges­ele­mes modell a szerkezet viselkedését jól írta le, eredményeikben rámutattak arra, hogy az átmeneti zónában, ezen belül pedig különösen ott, ahol lebegő talpfák vannak, jelentős igénybevételek ébrednek a csatlakozó szakaszokhoz képest.

Battini és Ülker-Kaustell (2011) számos korábbi publikációjukra hivatkozva rámutatnak arra, hogy az ágyazatátvezetéses, kis és közepes fesztávolságú hidak esetében a számított és mért sajátfrekvencia között jelentős eltérés mutatkozhat, a sajátfrekvencia a rezgés amplitúdójának függvénye. Battini és Ülker-Kaustell a hidak függőleges dinamikai vizsgálatához javasol egy modellezési fogást, amely az ágyazati réteg hatását hivatott számításba venni. Az ajánlás igazolására két esettanulmányon mutatják be annak alkalmazását.

Összefoglalás

Az egyre növekvő közúti és (gyors)vasúti forgalomból származó rezgések, valamint a földrengésekkor fellépő dinamikus hatások figyelembevétele egyre fontosabb tervezési feladat. Az altalaj dinamikus viselkedésének elemzése különösen fontos lehet egyrészt olyan pályaszakaszok tervezésénél, illetve felújításánál, ahol a talajkörnyezet mechanikai jellemzői igen kedvezőtlenek, másrészt olyan, csak komplexen vizsgálható kapcsolódási pontoknál, mint például a folyópálya és egy hídszerkezet találkozása. A nemzetközi szakirodalomban ma már számos kutatás vizsgálja a vasúti pályarendszert az altalaj dinamikus viselkedését is figyelembe véve, hiszen – ahogy az említett esetekben is láthattuk – csak így érték el számításaikkal a mérésekben tapasztalt eredményeket.

A Széchenyi István Egyetem Szerkezetépítési és Geotechnikai Tanszékén a dr. Richard P. Ray vezetésével tevékenykedő kutatócsoport célja, hogy a rendelkezésre álló laboratóriumi berendezések (rezonanciás vizsgálóberendezés, ciklikus triaxiális berendezés, bender elementek) segítségével jobban megérthessük és leírhassuk a jellemző hazai talajok dinamikus viselkedését, hogy ezáltal a tervezésben pontosabb számítások segítségével hatékonyabb megoldások születhessenek.