Az alaptest alatti talaj konszolidációjának számítása

Konszolidáción az alaptest süllyedésének időbeni lefolyását értjük. A süllyedések nagy részét a talaj szemcséi között lévő hézagok összenyomódása, így a hézagokban lévő víz kinyomódása okozza. A terhelés hatására létrejövő vízkinyomódás – a kon­szolidáció – sebessége függ egyebek között:
– a szemcsemérettől,
– a terhelés körülményeitől,
– az alaptest méreteitől,
– az összenyomódó talajréteg vastagságától,
– az összenyomódási modulustól,
– a talaj vízáteresztő képességétől (tömörségétől), valamint
– a víz áramlási lehetőségeitől, körülményeitől (lineáris, síkbeli vagy térbeli konszolidáció).
A durva szemcséjű talajokban (homok, homokos kavics) a szemcsék nagy mérete miatt a vízkinyomódás gyorsan, szinte a terhelés felhordásával egy időben lezajlik. Iszap, de főleg agyagtalajokban a szemcsemérettől, valamint a fentiektől függően a konszolidációs idő több naptól több hónapig is eltarthat.
A konszolidációs időre elfogadható becslést kapunk az 6. ábráról, melyet az [5] alapján szerkesztettem. A grafikonról az alap vízáteresztésétől függően az adott konszolidációs fokhoz leolvassuk az n = t/∆t  arányt. Ezután az alábbi képlet segítségével képezzük a ∆t időkülönbséget, melyből a konszolidációhoz szükséges t idő számítható.

A képletben
γ_v: a víz térfogatsúlya
b: az alap szélessége
k: a talaj vízáteresztő képessége
E_s: a talaj összenyomódási modulusa
Az alaptest akkor számít vízáteresztőnek, ha az alá legalább 20 cm vastag homokos kavicsréteg kerül.

7. Az alaptest megemelkedése (GEO teherbírási határállapot)

A fagy miatti megemelkedést az alapsík fagyhatár alá történő helyezésével kell elérni.
Az alapok megemelkedésének egyik leggyakoribb oka a részben telített, térfogatváltozásra hajlamos talajok vízfelvétele miatti térfogat növekedése, másképpen fogalmazva a térfogatváltozásra veszélyes talajok, főleg az agyagok duzzadása. A kis függőleges terhelésű alapokat a duzzadási nyomás megemelheti.
Ha a víztartalom a szezonális hatások miatt csökken, akkor a zsugorodás miatt előfordulhat, hogy az alaptest és a talaj között jelentős hézag keletkezik, ami az alaptest meg nem engedhető mozgásához vezet.
A védekezés elsősorban az alapsík mélyítése lehet. A tapasztalatok szerint a szezonális víztartalom-változás az alapozási sík 2,5 m mélységre helyezésével elkerülhető.

8. Az alaptest elfogadhatatlan mértékű rezgései (GEO teherbírási határállapot)

Rezgési hatásnak kitett tartószerkezetek alapjait vagy a rezgő tehernek kitett alapokat úgy kell megtervezni, hogy a rezgések ne okozzanak túlzottan nagy süllyedéseket és egyéb káros alakváltozásokat. A rezgést esetünkben a vasúti járműteherből keletkező – a jármű tengelyelrendezésétől és sebességétől függő – pulzáló földnyomás, valamint az esetenként felerősödő hosszlánc lengése, illetve ritkábban a kedvezőtlen ütemben érkező széllökés és a földrengés okozhatja.
Az alapok rezgését az alaptestet elérő – a vasúti járművek által keltett – transzverzális és longitudinális hullámok energiája hozza létre. Egy adott keresztmetszetet tekintve minél messzebb van az alap a vágánytól, annál kisebb az alappal közölt energia. Gyenge teherbírású talajok ezt a hatást felerősítik, tőzeges, mocsaras talajoknál a megfigyelések szerint több száz méterről is érezhetők a rezgések.
A hosszlánc lengéseiről a [6], [7] a szakirodalom a következőket tartja:
A karbantartási tapasztalatok szerint a hosszlánc lengéseit a viszonylag kis sebességű szél okozza. A vezetékről leszakadó légörvények indíthatják el a folyamatot, de a kiváltó ok még nincs teljesen tisztázva. A lengés amplitúdója kezdetben kicsi, majd egyre növekszik. Ha a lengés frekvenciája eléri a rendszer saját frekvenciáját, akkor a fellépő rezonancia a hosszlánc tönkremeneteléhez, vezetékszakadáshoz is vezethet. A tervezők a megelőzés érdekében három egymást követő oszlop után az oszlopok távolságát megváltoztatják.
A rezgések káros hatása ellen úgy védekezhetünk, hogy a hosszlánc-oszlop-alap rendszer saját frekvenciáját elhangoljuk a gerjesztő frekvenciától. Mivel a hosszlánc és az oszlopok mérete adott, ezért csak az alaptest méretének racionális megválasztása biztosítja az elhangolást.
Nézetem szerint rezgéseknél a hosszláncnak normál esetben inkább stabili­záló, csillapító szerepe van, kivéve a hossz­lánclengés esetét.
Ismereteim szerint ezt a hatást a felső­vezeték-tartó oszlopok alapjainál még nem vizsgálták. A kérdést azonban nem szabad megkerülni, mivel gyanítható, hogy a hosszlánclengéseket kiváltó okok között szerepe lehet az alapok és az oszlopok rezgésének is. A rezgéseknek továbbá szerepük lehet a gyengébb teherbírású talajba épített alaptestek elferdülésében. Még a kisebb amplitúdójú rezgés is ismétlődő teherként jelenik meg az alaptest talajjal érintkező felületein, ahol víz- és talajszemcse mozgást generál. A mozgás révén a felületen megjelenő víz szilárdságromlást, a szemcsemozgás pedig helyi tömörödést és/vagy talajkitérést okoz.
Az itt bemutatott vizsgálat közelítéseket tartalmaz, ennek ellenére segíthet elkerülni a rezgések káros hatásait.
A gerjesztési frekvenciát fj  = vj /tj  hányadosból számoljuk, tt a jármű tengelytávolsága, például forgózsámolynál tt = 7,4 m, vj pedig a pályára engedélyezett sebesség/vagy a leggyakoribb sebesség lehet.
Ha az elcsúszással szemben elég nagy az ellenállás, akkor a rezgés η forgási elfordulás formájában jön létre (lásd a [2]-ben). Mivel esetünkben az ellenállás elegendő nagy, továbbá az oszlopok tömege körülbelül egy nagyságrenddel kisebb az alaptestnél, így – figyelemmel a fentiekre – elfogadható közelítő megoldást kapunk az alábbi egytömegű, egy szabadságfokú, csillapítás nélküli rezgőmozgás differen­ciálegyenletből:

A jelöléseket a 7. ábra szerinti dinamikai modellen értelmezhetjük. A vasúti jármű gerjesztő hatását egyenletes járműsebesség esetén harmonikus gerjesztésnek tekinthetjük: F(t) = Mo  sinωt.