Bevezetés

A hazai vasútfejlesztések során immár 10 éve alkalmazott eljárás a statikus szondázási vizsgálat, más néven CPT-szondázás (cone penetrometer testing). Az eljárás a geotechnikai gyakorlatban közel 70 éve ismert. A CPT-szondázás a cölöptervezés, cölöpteherbírás-számítás alapvető feltárási módja, a hazai gyakorlatban a cölöpök tervezésénél közel 90%-ban ez a vizsgálati módszer szolgáltat adatot. A statikus nyomószondázás elvégzésével kapcsolatos előírásokat az MSZ EN 22476-1 szabályozza. Cégünk, a Fugro Consult Kft. 2008 óta végez alépítményi feltárásokat és alépítményi tervezést. A kezdetekben kizárólag vágatolás és kis átmérőjű fúrások alapján történt a talajok azonosítása és teherbírásmérése. Célszerűnek tartottuk a más területeken már napi gyakorlatban használt CPT-szonda vasúti alkalmazását. A vizsgálatokhoz használt berendezést az 1. ábra mutatja.

Alépítményi feltárások

Az alépítmények feltárása során korábban a vágatbontás és a kis átmérőjű fúrás adott lehetőséget az adatgyűjtésre. A vágatbontás során a sínkoronaszint alatti 100-120 cm mélységéig kerül feltárásra az alépítmény, azaz az ágyazati réteg, a védőréteg és az alatta elhelyezkedő földmű/altalaj. A kis átmérőjű fúrások lemélyítése a terhelési zónán kívül, a padkából történik. A CPT-szonda lehajtási helye minden esetben a vágánytengelyben van, a terhelési zóna közepén, és a vizsgálat kvázi roncsolásmentes. Az alépítményi rétegek zónája és az alatta elhelyezkedő talaj állapota a statikus nyomószondázással teljes mélységben feltárható. A 2. ábrán egy CPT-szondázás eredménye látható a mélység függvényében.

A CPT-szondázás alapelve

A vizsgálat során egy szondacsúcsot rudazat segítségével függőlegesen, állandó sebességgel a talajba sajtolunk, közben folyamatosan vagy időszakosan rögzítjük a mérési eredményeket. Szondázáskor használt csúcsot mutat be a 3. ábra. A csúcson fellépő erőből meghatározható a csúcsellenállás, a súrlódó köpenyen fellépő erőből pedig a köpeny menti ellenállás (palástsúrlódás). Úgynevezett piezokónikus csúcs alkalmazásával a pórusvíznyomás is mérhetővé válik. A talajok azonosítására, valamint konzisztencia- és tömörségi jellemzőinek besorolására a Robertson-féle diagram használata terjedt el.

Történeti háttér

A nyomószondázással történő talajvizsgálatok az 1920-as években kezdtek fejlődni. Először a svéd és dán államvasutak kísérleteztek olyan szondázási eljárásokkal, ahol nem ütőmunkával (dinamikus szondázás), hanem statikus nyomással és a nyomóerő mérésével határozták meg a talajok állapotát. Az első nagyobb mélységű CPT-vizsgálatra 1935-ben került sor a delfti egyetem talajmechanikai laboratóriumának (LGM) igazgatója, T. K. Huizinga közreműködésével. A mechanikus nyomószondázást folyamatosan váltotta fel a hidraulikus erővel lesajtolt rudazat és szonda. Az első kísérleti elektromos CPT-csúcsokat a második világháború alatt Németországban fejlesztették ki, amelyeket a rotterdami Bakker és a delfti Grondmechanica cégek készítettek. A napi használatra alkalmas csúcsot végül a TNO holland kutatóintézet fejlesztette ki, a holland Fugroval együttműködve, 1965-ben. Egy korabeli CPT teherautó látható a 4. ábrán.

CPT-szondázással feltárt alépítmények

A vasúti szondázási eredmények birtokában pontosabb és gyorsabb adatokat lehet nyerni az alépítményi rétegrendek tervezéséhez. CPT-szondázási eljárással az eltelt 10 évben az alábbi MÁV-vonalszakaszok kerültek feltárásra a tervezési időszakban:

• 100-as vonal Debrecen–Nyíregyháza közötti szakasza,
• 80-as vonal Rákos–Hatvan–Füzesabony közötti szakasza,
• 150-es vonal Soroksár–Kelebia közötti szakasza,
• 140-es vonal Kiskunfélegyháza–Szeged közötti szakasza,
• 120-as vonal Békéscsaba–Lőkösháza közötti szakasza,
• 30-as vonal Lepsény–Balatonszentgyörgy közötti szakasza,
• 40-es vonal Kelenföld–Pusztaszabolcs közötti szakasza,
• 108-as vonal Debrecen–Balmazújváros közötti szakasza,
• 135-ös vonal Szeged–Békéscsaba közötti szakasza,
• 101-es vonal Püspökladány–Biharkeresztes közötti szakasza.

Alépítményi rétegek azonosítása CPT-szondázás alapján

Az alépítményt alkotó rétegeket általánosságban három kategóriába sorolhatjuk: vasúti ágyazati réteg, védő-erősítő réteg és az altalajt alkotó rétegek.

Vasúti ágyazati réteg

Az ágyazati réteg alsó határának meghatározásához a szondázás során a csúcsellenálláson és a köpenysúrlódáson túl a szonda függőlegestől való eltérésének értéke is segít (szögeltérés). A szondacsúcs az ágyazatba történő benyomódáskor jelentősen kitér a függőleges irányból a nagyméretű szemcsék miatt, így az ágyazat és a kiegészítő réteg szintjénél jól elhatárolható a két rétegváltás a rögzített szögeltérés alapján. A vasúti ágyazat minőségének, elaprózódásának vizsgálatát jövőbeni fejlesztési célként tűztük ki.

Védő-erősítő réteg

A kiegészítő rétegekben mért eredményekből teherbírás-számításra is lehetőség nyílik. A módszer során a statikus nyomószonda csúcsellenállásából a mért réteg összenyomódási modulusa számítható. Egy feltételezett statikus tárcsás terhelés alatti feszültségeloszlásból és a mért értékekből számított modulusok alapján az alakváltozások számszakilag megállapíthatók, amelyek összegzéséből lehet következtetni a statikus tárcsás teherbírási eredményre. A módszer előnye, hogy a tervezési alapérték meghatározására szolgáló teherbírás-eredmény nemcsak egy diszkrét mélységben, hanem a vizsgált mélység függvényében számítható. Ezáltal az eredmény egy teherbírási vonal, amely az 1. ábra jobb oldalán látható.

Altalajt alkotó rétegek azonosítása, hidrológiai besorolása

Az altalaj teherbírását jellemző tervezési alapérték meghatározására, az altalaj hidrológiai besorolására az előírások adnak ajánlást. Itt a különböző talajtípusok, azon belül is a finomszemcsés talajok konzisztenciája alapján történik az osztályozás.

Salakos alépítmény

A vasútépítés elmúlt 100 évének első felében történt felújítások, bővítések során számtalan helyen került beépítésre mozdonysalak. A jelenleg érvényben lévő utasítások alapján az alépítmény felső zónájában ezek a rétegek kezeletlenül nem maradhatnak bent. A salakrétegek azonosítása jól megoldható a nyomószondázással. Salakos alépítmény feltárása esetén a szakasz lehatárolása a szondázások sűrítésével gyorsan megoldható. Egy salakos alépítményt feltáró szondázások eredményeiből készült rétegszelvény látható az 5. ábrán.

Műtárgyak környezetének feltárása statikus nyomószondázással

A korábban alkalmazott kis vagy nagy átmérőjű fúrások hátránya, hogy azokat a műtárgyak közvetlen környezetében sok esetben nem lehet alkalmazni, mivel a zárt vasúti környezetbe nehezen lehet bejutni a teherautóra szerelt fúrógépekkel. A vasúti CPT-szondázással közvetlenül vizsgálható a hidak háttöltése vagy egy tervezett peron­aluljáró környezete. A nyomószondázásokat ilyen esetekben akár 15-20 méteres mélységig is el lehet végezni, ami a későbbi tervezési fázisokhoz, cölöptervezéshez, háttöltés tömörségének ellenőrzéséhez felhasználható. A villamosított vonalak esetén a felsővezeték-tartó oszlopok alapozásának tervezéséhez is megfelelő információt ad a szondázás.

A CPT-szondázás gazdasági előnyei

A korábban készült vágatfeltárásokkal és kis átmérőjű fúrásokkal 200 m-es feltárási sűrűség mellett közel 2 km-es hosszban lehetett az alépítmény állapotát megismerni egy átlagos vágányzári időszak (~6 óra) alatt. A vágatok bontásához, a mintavételezéshez és a mérések elvégzéséhez 12-14 fő, míg a fúrások készítéséhez három fő munkájára volt szükség. A CPT-szondázásokat a vágányzári kötöttségek miatt két munkagéppel célszerű végezni, így négy-négy fővel hatórányi vágányzár alatt 10-12 km-es pályaszakasz mérhető meg, 200 méteres sűrűség és hatméteres feltárási mélység mellett.