A MÁV Zrt. „Georácsok alkalmazása a vasúti zúzottkő ágyazat stabilizálására” című, saját forrásból finanszírozott K+F munkája a 2009–2014-es időszakban folyik, a vállalkozó az Universitas-Győr Nonprofit Kft., témafelelős: dr. Horvát Ferenc és dr. Fischer Szabolcs. A kutatásba a vasúti vágányba beépített próbaszakaszok vizsgálata (geodéziai mérések és a mérővonati grafikonok elemzése), a georács-erősítésű vasúti zúzottkő ágyazat diszkrét elemes modellezése (csak a 2009–2011 közötti években), illetve a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok tartoznak. Az alábbiakban ez utóbbi rész 2012–2014 közötti kutatási eredményeit mutatom be részletesen.

Kutatási munkánk 2014-ben nemcsak a vasúti zúzottkő ágyazatra irányult, hanem a szemcsés kiegészítő rétegekre is, így ezzel teljesebb képet kaphatunk a georács-erősítésű szemcsés rétegek belső nyírási ellenállásáról, és annak növelő hatásáról. Megemlítem, hogy a vizsgált georácsok vasúti vágányban történő viselkedése megítélése szempontjából nem elegendő a most bemutatásra kerülő laboratóriumi vizsgálatsorozat, mindenképpen újabb próbaszakaszok kialakítására, illetve azok folyamatos diagnosztizálására van szükség.
A georács-erősítésű zúzottkő ágyazat viselkedésének, belső nyírási ellenállást növelő hatásának elméleti háttere a szerző doktori disszertációjából [1] részletesen megismerhető. A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok végrehajtására terjedelmi okok miatt ezúttal nem térek ki, ellenben [2] és [3] irodalmakban részletezve megtalálható. A továbbiakban ezekre a forrásmunkákra nem hivatkozom, de az alábbiakban taglalt vizsgálatok értékeléséhez azok ismerete elengedhetetlen.
A többszintes nyíróládás vizsgálatainkhoz használt anyagok származási helyei:

• 31,5/63 mm-es andezit anyagú vasúti zúzottkő ágyazat: KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft. komlói bányája;
• 0/56 mm-es andezit anyagú szemcsés kiegészítő réteg: Colas Északkő Kft. szobi bányája;
• georácsok: Tensar International s.r.o.

A mérések előtti vizsgálatok:

• a zúzottkő szemeloszlás- és szem­alak­vizsgálata;
• szemcsés kiegészítő réteg szemeloszlás-vizsgálata (a Colas Északkő Kft. szolgáltatta);
• a rétegszerkezet ágyazási tulajdonságának jellemzése;
• az üres nyíróláda keretelemei között az egyes nyírási síkokon fellépő ellenállások meghatározása;

A laboratóriumi belső nyírási ellenállás mérések különféle módon kialakított rétegszerkezetek esetén:

• a vasúti zúzottkő anyag (31,5/63 mm) belső nyírási ellenállásának megállapítása függőleges teher működtetése nélkül tömörítetlen és tömörített zúzottkő anyaggal, különböző típusú georáccsal és georács nélkül;
• a szemcsés kiegészítő réteg (0/56 mm) belső nyírási ellenállásának megállapítása függőleges teher működtetése nélkül tömörített szemcsés kiegészítő anyaggal georács nélkül és tömörített zúzottkő anyaggal hét különböző típusú georáccsal:
• tömörített szemcsés kiegészítő réteg anyaggal, georács nélkül kialakított rétegszerkezetnél;
• tömörített zúzottkő anyaggal, hét különböző típusú georáccsal kialakított rétegszerkezetnél.

A belső nyírási ellenállás jellemzésére minden elrendezésre és minden nyírási síkra 3-3 mérést végeztem el.

A különféle módon kialakított rétegszerkezetek vizsgálata

A vizsgálatok során az alapréteg rugalmassági modulusa E2 = 7,2 MPa volt. A zúzottkő és a szemcsés kiegészítő réteg vastagsága 40 cm, a zúzottkő, valamint az ezen rétegek alá terített tömörített homokréteg vastagsága 10 cm volt. A homokréteg és a Thermoplan lemezek közé egy réteg Secutex 151 GRK 3 típusú geotextília volt fektetve (a geotextília geometriai és mechanikai paraméterei a hivatkozott irodalomban szerepelnek).

A laboratóriumi vizsgálatoknál alkalmazott georácsok tulajdonságai

A laboratóriumi vizsgálatok során hét különböző típusú geoműanyagot alkalmaztunk:

• GR1, GR2, GR3: (a vasúti zúzottkő ágyazattal és a szemcsés kiegészítő réteggel vizsgálva),
• GR4, GR5, GR6, GR7: (csak a szemcsés kiegészítő réteggel vizsgálva).

A GR5 kivételével az összes georács extrudált, míg a GR5 hegesztett csomópontú volt.
A georácsokat és azok geometriai tulajdonságait az 1. táblázat és az 1–4. ábrák rögzítik.

A vizsgálatsorozatban használt vasúti zúzottkő és szemcsés kiegészítő réteg szemeloszlása

A többszintes nyíróládás vizsgálatban alkalmazott vasúti zúzottkő ágyazat szemeloszlását [1] tartalmazza, a szemcsés ki­egészítő réteg 30% 31,5/63 mm-es E tí­pusú zúzottkőből, 40% FZKA 0/32-ből és 30% 0/5 mm-es frakcióból állt, a szemeloszlási görbéjét az 5. ábrán mutatom be.

A laboratóriumi mérési eredmények

A többszintes nyíróládás vizsgálattal meghatároztam a georács-erősítés nélküli és a különböző típusú georáccsal erősített andezit anyagú vasúti zúzottkő ágyazat, valamint az andezit anyagú szemcsés kiegészítő réteg belső nyírási ellenállás függvények értékeit a georács síkjától mért vertikális távolság függvényében, amennyiben az anyaghalmaz tömörítetlen, illetve a hivatkozott irodalmakban leírt módon tömörített (a 0/56 mm-es kiegészítő rétegnél csak tömörített mintát vizsgáltam). Terjedelmi okok miatt az összefoglaló eredményeket – a mérések átlagértékeire illesztett harmadfokú polinomiális regressziós függ­vényeket – a 6–7. ábrákon csak grafikusan közlöm. Peremfeltételként a georács síkjától mért 40 cm távolságban 0 kN-os nyomóerőt vettem fel, mert a felső síkon a nyírás jelensége nem értelmezhető. A regressziós függvényeknél minden esetben R2 > 0,97 értékű determináltsági koefficienst kaptam.
A nyírásvizsgálatok után kibontva a georácsokat, jelentősebb tönkremeneteleket nem tapasztaltam egyik típus esetében sem, kisebb georácsborda-szakadások ellenben megfigyelhetők voltak, ám ezek nem befolyásolják üzemi viselkedésüket.
A mérési adatok átlagértékeire illesztett polinomiális regressziós függvények alapján ún. növekedési szorzókat határoztam meg a georácstól mért távolság függvényében, amelyek az alábbi mechanikai jelentéssel bírnak (mind az öt növekedési szorzó jelentését lásd az [1] irodalomban, jelen esetben csak háromra volt szükség):

• növekedési szorzó A: a georácsréteg beépítésének javító (belső nyírási ellen­állást növelő) hatása tömörített rétegben;
• növekedési szorzó B: a tömörítés hatása georácsréteggel erősített rétegben;
• növekedési szorzó D: a georácsréteg be­építésének javító (belső nyírási ellenállást növelő) hatása tömörítetlen rétegben.

A 8–11. ábrákon a vasúti zúzottkő ágyazatra (31,5/63 mm) és a szemcsés kiegészítő rétegre (0/56 mm), valamint a hét georácstípusra adtam meg a háromféle növekedési szorzót a georács síkjától mért távolság függvényében.

A laboratóriumi mérési eredményekből levonható következtetések

A részletesen bemutatott mérési eredmények alapján egyértelműen kijelenthető, hogy a többszintes nyíróládás vizsgálat alkalmas a szemcsés anyaghalmazokban – jelen esetben vasúti zúzottkő ágyazat­ban és 0/56 mm-es kiegészítő rétegben – a vízszintes síkokra jellemző belső nyírási ellenállás függvény meghatározott magassági koordinátájú pontjainak megállapítására. Ezek a pontok, valamint a szemcsés anyaghalmazok felső síkján peremfeltételként felvett 0 kN-os nyomóerő alkalmazásával, regressziós függvényekkel közelíthető a vízszintes síkokra jellemző belső nyírási ellenállás függvény, azonban tudatában kell lenni annak a ténynek, hogy ezek a regressziós függvények is csak a mérési magasságokban nyújtanak közelítő, de megbízható eredményeket.
A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálat mérési eredményei alapján teljes biztonsággal megállapítható, hogy a szemcsés anyaghalmaz alá beépített megfelelő típusú georácsréteg növeli mind a tömörítetlen, mind a tömörített zúzottkő ágyazatban és a tömörített szemcsés kiegészítő rétegben a belső nyírási ellenállás nagyságát az alábbi módon:
Vasúti zúzottkő ágyazatban:
Tömörítetlen rétegnél georács-erősítés nél­kül és a GR3 erősítés esetén a 0 cm-es magasságban, míg GR1 és GR2 erősítés esetén a georács feletti 5…10 cm-es zónában van a belső nyírási ellenállás függvények maximuma, amelyek közül a GR3-é volt a legnagyobb, ennek az az oka, hogy a GR1 és GR2 erősítéseknél a 38,0 és 47,0 mm oldalhosszú szabályos háromszög hálószemek túl kicsik voltak a 31,5/63 mm-es vasúti zúzottkő szemcsékhez képest, így az „interlocking” hatás kevésbé tudott kialakulni és érvényesülni.

Tömörített rétegnél mind georács-erősítés nélkül, mind GR1, GR2 és GR3 erősítésnél a belső nyírási ellenállás függvények maximuma a georács síkja feletti kb. 10 cm-es magasságban adódott, a GR3 esetén a legnagyobb értékűre, a GR1 erősítés esetén a georács síkjában gyengítés, míg GR2 erősítés esetén pedig csak enyhe erősítés volt mérhető; ezek a tömörített vasúti ágyazatban a kisebb georács hálószemek hatására utalnak. GR3 georácsnál az erősítés 1,4…1,8-szeres a georács nélküli esethez képest.

A georács síkjától távolodva az erősítés hatása egyre jobban érvényesül mindhárom georácstípusnál, mind a tömörítetlen és tömörített vasúti ágyazatban is. Érdekes, hogy a tömörítetlen esetben a GR1 georács esetén tapasztalható a legnagyobb mértékű erősítés a georács síkjától mért 30 cm-es magasságban, és a GR3 georácsnál a legkisebb (11. ábra) – ennek az oka egyelőre nem tisztázott –, ellenben tömörített ágyazatban (ami a valóságos, üzem alatti vasúti pályában lévő esetet jobban tükrözi) a nagyobb hálószemű GR3 erősítés adja az optimumot a teljes rétegvastagságban.
Tömörített szemcsés kiegészítő rétegben a georács-erősítés nélkül, a GR1 és a GR5 erősítés esetén az 5…10 cm-es magasságban, míg a többi georácstípus esetén a georács síkjában van a belső nyírási ellenállás függvények maximuma. A geo­rács síkjában az összes georácstípussal erősítés volt elérhető: a GR3 típussal a leg­nagyobb, a GR5 típussal a legkisebb, ellenben a teljes rétegvastagságban a GR1, GR3, GR4 és GR7 típusok a 10/15…30 cm-es magasságban a georács nélküli esetben mérhető belső nyírási ellenállás függvény értékét sem érik el, azaz ebben az intervallumban enyhe gyengítés mérhető. Érdekes jelenség, hogy a GR2, GR5, GR6 és GR7 típusoknál az erősítés minimuma a 15…20 cm-es zónában van. A GR6 típus, amelyik a legnagyobb intervallumban képes a szemcsés kiegészítő réteg erősítésére, amennyiben pedig a georács síkjában a legnagyobb erősítés elérése a cél, akkor a GR3 típus alkalmazása javasolt annak figyelembevételével, hogy a 20…30 cm-es magasságban az eredeti szemcsés anyag belső nyírási ellenállásának csupán 90…95%-át képes biztosítani.

A georács-erősítésű vasúti zúzottkő ágyazatban a tömörítés jelentősen növeli a belső nyírási ellenállást (10. ábra), legnagyobb mértékben a GR3 esetén (a 30 cm-es magasságban 2,6-szeresen), GR1 és GR2 alkalmazásánál az erősítéseknek maximuma van a 15…20 cm-es magasságban, ahol a tömörítetlen, de azonos georács-erősítésű vasúti zúzottkő ágyazat belső nyírási ellenállásának közel 1,9-szeres értékét lehet mérni.
A fenti eredmények alapján további megállapítások:

• a zúzottkő ágyazat és a kiegészítő (védő-erősítő) réteg vagy az alépítményi földmű anyagának elválasztása, valamint a megfelelő vízkivezetés, drénezés szempontjait figyelembe véve mindenképpen geokompozit beépítését javaslom, ellenben ilyen esetben a zúzottkőszemcsék georács hálószemeibe történő belekapaszkodását elő kell segíteni (georácsra ragasztott geotextília vagy a georácsra ragasztás nélkül lefektetett geotextília alkalmas erre a célra, ám a hegesztett georácsoknál (pl.GR5) a gyári geotextíliás geokompozit, amely a hegesztésnél kerül a bordák közé, nem megfelelő (lásd [1, 2, 3]);
• a vasúti zúzottkő ágyazatnál az ágyazatrostáláshoz és a keresztaljak aláveréséhez minimálisan 23-33 cm-nyi ágyazatvastagság kell a keresztalj alsó síkja alatt, így ezt a technológiai korlátot figyelembe kell venni a tervezéskor;
• a vasúti zúzottkő ágyazatnál a GR3 geo­rács alkalmazása ajánlott;
• a 0/56 mm-es szemcsés kiegészítő rétegnél elsősorban a GR2, GR5 és GR6 típusok alkalmazása javasolt, amennyiben a teljes rétegvastagságban cél az erősítés, amennyiben csak a georács síkjában, akkor a GR3.

Összefoglalás és további kutatási lehetőségek

A cikkben a vasúti zúzottkő ágyazat és a 0/56 mm-es szemcsés kiegészítő réteg alá beépített georácsok belső nyírási ellenállását vizsgáltam egy speciálisan erre a célra kifejlesztett és gyártott többszintes nyíróládával. Vizsgálataim során tömörítetlen és tömörített vasúti zúzottkő ágyazat, valamint tömörített szemcsés kiegészítő réteg esetén összesen hét különböző típusú georácsot vettem górcső alá. Megállapítottam a vasúti zúzottkő ágyazat, valamint a szemcsés kiegészítő réteg belső nyírási ellenállását a georács nélküli és a különböző típusú georácsokkal erősített esetekre, tömörítetlen és tömörített állapotban, továbbá háromféle növekedési szorzóval jellemeztem az erősítő hatásokat az egyes változatoknál.
A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok során a vasúti zúzottkő ágyazat alá vágánygeometriai stabilizálás céljából beépített georácsok hatásának teljesebb körű elemzését segítheti a jövőben:

• élesélű, azaz új állapotú, illetve legömbölyödött szemcsékből álló, használt vasúti zúzottkő ágyazati anyag alkalmazása;
• száraz, vizes és olajos vasúti zúzottkő ágyazati anyag használata;
• különböző alépítményi teherbírási modulusú alapra épített rétegszerkezetek vizsgálata;
• különböző zúzottkő ágyazatvastagságok alkalmazása;
• egyéb, más típusú georácsok/geo­kom­po­zi­tok felhasználása;
• függőleges terhelés alatti vizsgálatok elvégzése;
• dinamikus vizsgálatok végrehajtása.

A georács-erősítésű szemcsés kiegészítő rétegeknél a további kutatási lehetőségek az alábbiak:

• különböző alépítményi teherbírási modulusú alapra épített rétegszerkezetek vizsgálata;
• különböző rétegvastagságok alkalmazása;
• több georácsréteg egyidejű alkalmazása a rétegszerkezetben (pl. 0 cm-es és 20 cm-es magasságban);
• egyéb, más típusú georácsok/geo­kom­po­zi­tok felhasználása;
• függőleges terhelés alatti vizsgálatok elvégzése;
• dinamikus vizsgálatok végrehajtása.

Köszönetnyilvánítás

Munkánkat a MÁV Zrt. K+F szerződés keretében támogatta, amiért ezúton is köszönetünket fejezzük ki. Köszönjük továbbá a Tensar International s.r.o.-nak, a KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft.-nek, valamint a Colas Északkő Kft.-nek a laboratóriumi mérésekhez szükséges anyagok biztosítását.