VASÚTI PÁLYÁK Alépítmény II Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Anyagmozgatási és Logisztikai Rendszerek Tanszék ÉPÍTŐGÉPEK MUNKACSOPORT. Budapest Összeállította: Gyimesi András

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Földművek építését előkészítő talajvizsgálat mintavételezés Cél az altalaj összetételének, rétegződésének és teherbírásának megállapítása Bevágásoknál meg kell állapítani, hogy a kitermelt talaj alkalmas-e a vasútvonal más részein a beépítésre. Lehetőségek: Kutatóakna ásása – nem hatékony de pontos Fúrással feltárás – leggyakrabban használt

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Földművek építését előkészítő talajvizsgálat mintavételezés Mintavételezés gyakorisága: o Kisebb magasságú töltéseknél és bevágásoknál 200 méterenként o Erőteljes változás  méterenként o Még nagyobb mértékű rétegváltozás  méterenként o Nagyobb mértékű földmunka igény esetén is sűríteni kell a mintavételezést Milyen mélységben?

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Földművek építését előkészítő talajvizsgálat mintavételezés Mintavételezés mélysége: o pályaszint alatti talajrétegek biztonsággal megállapíthatók legyenek és a talajfeszültségek okozta süllyedések számíthatók legyenek o Általános előírás: 1 – 1,5 talpszélesség = mintavételi mélység, de figyelemmel kell lenni a  Teherbíró réteg elhelyezkedésére  Talajvíz szintjére Feszültség terjedése az alépítményben és talajban:

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Átépítést előkészítő talajvizsgálat mintavételezés Fúrásokon felül keresztvágatokat (alépítménykorona vizsgálat) is készíteni kell Két alj közt az alépítmény korona teljes szélességében Földműből és a szemcsés védőrétegből zavart és zavartalan minták Zavartalan: talaj szerkezetét és víztartalmát is megőrzi a vizsgálatig Víztartalmi (részben zavart): víztartalmát igen, szerkezetét nem őrzi meg Zavart: sem a víztartalmat sem a szerkezetet nem őrzi meg (mintavétel után megfagyott bármely minta zavartnak tekintendő) Sinszálak alatti tartományból legalább egy zavartalan minta rétegenként Gyakoriság: szükség szerint, de legalább 200 méterenként Ezeken felül munkahelyenként két aknából vízmintavétel szükséges

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Építést és átépítést előkészítő talajvizsgálat

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok Az előzőekben tisztáztuk, a talajvizsgálatokhoz szükséges mintavételezések mikéntjét, de milyen vizsgált tulajdonságokról illetve vizsgálatokról beszélhetünk? A talajok összetételét, állapotát, a külső hatásokkal szemben mutatott tulajdonságait talajfizikai jellemzőkkel lehet kifejezni. ezen jellemzők egy része állandónak tekinthető (szemeloszlás, sűrűség, szervesanyag tartalom, konzisztencia hatások) Más részük pedig állapotfüggő (relatív tömörség, víztartalom, telítettség, konzisztenciaindex) Harmadik típus a hidraulikai jellemzők (áteresztő képesség, kapillaritás) Negyedik jellemző típust pedig az alakváltozási jellemzők alkotják (összenyomódás, duzzadás, zsugorodás, roskadás, szilárdság)

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok A talajfizikai vizsgálatokat szabványok által előírt vizsgálatokkal kell végezni. Az elvégzendő vizsgálatok / munkák az alábbiak: o Konzisztencia határok o Talajanyag sűrűség o Talajt alkotó fázisok térfogat és tömegarányai o Tömörség o Alakváltozás o Szervesanyag tartalom o Talajok osztályozása, megnevezése o szemeloszlás vizsgálata o Fúrás, rétegszelvények elkészítése o Talajvíz szulfáttartalom

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konkrét talajvizsgálatok – konzisztencia vizsgálatok A konzisztenciahatárok a talaj víztartalmára vonatkozó azon értékek, melyek mellett a talaj az előírtaknak megfelelő tulajdonságokat mutat. Folyási határ (w L ) Az a víztartalom, ahol a talaj pépszerű viszkózus anyaggá válik, azaz a víztartalom oly mértékben magas, hogy a szemcsék közti összetartó erők (kohézió) gyakorlatilag megszűnik. Képlékenységi (plasztikus) határ (w p ) Az a víztartalom, ahol a talaj képlékeny állapotból merev állapotba megy át (alakíthatóságát elveszíti, rögökké, morzsákká esik szét. Zsugorodási határ (w s ) az a víztartalom határérték, ami alá csökkentve a talaj víztartalmát a minta térfogata már állandó marad.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konkrét talajvizsgálatok – konzisztencia vizsgálatok - Casagrande féle folyáshatár vizsgálat A folyashatár az a víztartalom, amely a 25 ütéshez tartozó barázdazáródáshoz tartozik. Vizsgálat menete: adott anyag több víztartalmú mintáját vizsgálják, figyelik az összezárási ütésszámot (10mm hosszban összefolyik). (forgattyús mechanizmus, 10mm-es ejtési magasság Vizsgálatok elött 12 órával történik a talaj felaprózása és desztillált vízzel gyúrása. A létrejött pépet légbuborék mentresen kenőkéssel kenik a száraz vizsgáló csészébe, úgy hogy enyhén homorú felületet képezzen. A réteg vastagsága az edény közepén mm.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konkrét talajvizsgálatok – konzisztencia vizsgálatok – Képlékenységi határ sodrási vizsgálat A vizsgálandó anyagból egy szűrőpapiron tenyérrel úgy sodrunk ki 3mm átmérőjű szálakká, hogy azok éppen töredezzenek. A plasztikus határ állapotát próbálgatásos módszerrel állítjuk elő, a minta szárításával, vagy nedvesítésével. Plasztikus index Az előzőekben ismertetett vizsgálatokból megkapott folyáshatár és képlékenységi határok különbségéből képezzük: I P =w L -w P Relatív konzisztencia index ahol w a természetes víztartalom A plasztikus határnak mérnöki szempontból igen nagy jelentősége van: a talaj kitermelése illetve a földmunka a talaj ilyen állapotában a leggazdaságosabb, mivel a szerszámokhoz nem tapad, fejtési ellenállása nem nagy, valamint az ilyen anyagból épült földút, töltés, padka jól járhatók és jól tömöríthetők.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konzisztencia vizsgálatok – példaértékű példa értékek

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konkrét talajvizsgálatok – konzisztencia vizsgálatok – Zsugorodási határ vizsgálata A vizsgálandó anyagból mesterségesen előállított hengeres vagy kocka alakú telített (0,7-08 konzisztenciaindexű) rögöt levegőn lassan szárítanak. A száradási folyamat folyamán 6-8 alkalommal meghatározzák a minta térfogatát és tömegét. A légszáraz állapot elérése után szárítószekrény- ben 105 °C-on szárítják, majd meghatározzák a száraz tömeget (m d ) A mérések alapján számít- Hatók a víztartalmak és ismertek a hozzájuk tar- tozó térfogatok (V d ). Így a zsugorodási határ: Ahol ρ s – a talaj anyagsűrősége ρ w - a víz sűrűsége

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Konkrét talajvizsgálatok – talajsűrűség meghatározása A talaj anyagsűrűsége az azt alkotó szilárd szemcsék egységnyi hézag nélküli térfogatának tömege Jele ρ s ; mértékegysége g/cm 3 mérése piknométerrel Négy mérést kell végezni. 1.) száraz, üres piknométer tömegét 2.) piknométer és szilárd anyag tömegét 3.) szilárd anyag+ folyadékkal jelre töltött piknométer tömege (szilárd anyag ne oldódjon, sűrűsége legyen kisebb, mint az ismeretlen szilárd anyagé) 4.) piknométer a folyadékkal megtöltve Első két mérésből adódik a szilárd anyag tömege, a 3-4-es mérésből a térfogata, Archimédesz törvénye alapján. Így kiszámítható a sűrűsége.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talajt alkotó fázisok A talaj fázisos összetételének mérőszámai: a különböző halmazállapotú alkotórészek külön külön vett térfogata a teljes térfogathoz viszonyítva: jelek: s: szilárdanyag tartalom[%] v: víztartalom [%] l : levegő fázis [%] A három mennyiség háromszög diagramban is ábrázolható. Az s, v, l értékeivel meghatározott p pont jellemző az adott talajra. A meghatározásához megmérjük a talajminta térfogatát, nedves tömegét, száraz Tömegét. Ezekből adódik s és v értéke. Az l érték meghatározásához a nedves Minta tömegét mérjük le, azt bevonjuk parafinnal és eltávolítjuk a légbuboré- kokat (vákuum) majd újra lemérik a tömeget. A térfogatváltozást vízbe mártással, A kiszorított víz alapján határozzuk meg.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talaj tömörsége A talaj tömörségét a hézagtérfogat illetve a hézagtényező (e: levegő+víz / szilárd) csak részben fejezi ki. Pontosabb képet kapunk ha a vizsgált talaj hézagtényezőjét az ugyanazon talaj leglazább és legtömörebb állapotához tartozó hézagtényezőkkel hasonlítjuk össze. Szemcsés talajok (homokliszt, homok, kavics) tömörségét relatív tömörséggel fejezzük ki, melynek számértékét úgy kapjuk, hogy az elérhető legnagyobb tömörséghez viszonyítva a vizsgált tömörség mekkora hányadot képvisel. Értékét százalékban mérjük. Számítása: Ahol e max a lehető leglazább, az e min az elérhető legtömörebb anyaghoz tartozó hézagtényező, az e pedig a vizsgált anyag hézagtényezője.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talaj tömörsége Az előzőeknél megbízhatóbb eredményt ad a térfogatsűrűség alapján számított tömörségi fok, ahol a száraz térfogatsűrűség (ρ d ) és a Proctor vizsgálattal meghatározott legnagyobb száraz térfogatsűrűség (ρ d max ) hányadosát számítjuk (százalékban kifejezve). Vasúti fölműveknél megkívánt relatív tömörségi fokok: A táblázatban szereplő kategóriák magyarázata: „A”: hézag nélküli pálya, merev burkolatok és statikailag határozatlan szerkezetek alatti 0,5 m vastag alapréteg „B”: Hagyományos pálya, hajlékony burkolat és statikailag határozott szerkezetek alatti 0,5 méter vastag réteg „C”: Összes többi földű beleértve az „A” és „B” kategóriáknál az első 0,5 m alatti földtömeget is

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talaj tömörsége A tömörségi fok növelése – meglepő módon – tömörítéssel lehetséges. Hatásos tömörítés, csak bizonyos víztartalom (w opt [%]) mellett lehetséges (~2%-al kisebb mint w p ) Talajok tömörítési sajátosságainak tájékoztató értékei:

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talaj tömörsége Tömörségi meghatározás Proctor vizsgálattal: A vizsgálat menete: Különböző víztartalmak mellett a talajmintát 5 egyenlő vastagságú rétegben, szabványos méretű edényben szabványos ütőmunkával betömörítjük. Az adott víztartalmakhoz meghatározzuk az elért száraz térfogatsűrűségeket. A kapott értékpárokat w- ρ d koordináta- rendszerben ábrázoljuk. A görbe alapján meghatározható a maximális száraz térfogatsűrűség (ρ d max ) és a legkedvezőbb víztartalom (w opt ) is.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – talaj tömörsége Proctor vizsgálatok alapján általános tájékoztató (közelítő) táblázat a különböző talajokról:

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok - Szemeloszlás A talajokat alkotó szemcsék nagysága, a különböző szemcsenagyságok százalékos aránya nagyban befolyásolja a talaj viselkedését. A talaj szemnagyság szerinti összetételét a szemeloszlás fejezi ki, mely szemeloszlási vizsgálattal határozható meg és ennek eredménye szemeloszlási görbével ábrázolható.

Vasúti pályák – alépítmény – tervezés, előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – Szemeloszlási vizsgálatok kivitelezése A szemeloszlási görbéket szitálással vagy hidrometrálással határozzák meg (0,1 mm…) A szemcseátmérő annak a szitának a nyílásmérete, amin a szemcse még átesik. (Hidrometrálás esetén annak az elméleti, gömb alakú szemcsének az átmérője, amely a vizsgált szemcsével azonos sebességgel süllyed) A szemeloszlási görbe az adott szemcseméretnél kisebb szemcsék tömege a teljes minta tömegének százalékában kifejezve. Mint az imént is láthattuk, a szemeloszlási görbének ábrázolásakor a szemcseátmérő logaritmikus skála szerint kerül ábrázolásra (a tömegszázalék lineáris) A szemeloszlási görbe jellemző értéke még, így meg szokás adni, az egyenlőtlenségi mutató: ahol a d 60 az s=60 t%-hoz, a d 10 pedig az s=10 t%-hoz tartozó átmérő.

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – Talajszilárdsági jellemzők A talajokra ható külső terhelések hatására belső igénybevételek keletkeznek (húzó, nyomó és nyírófeszültségek) A mértékadó terhelés a nyírás így a nyírószilárdság a vizsgálandó jellemző. Amennyiben a nyírófeszültség eléri a nyírószilárdság értékét, talajtörés következik be egy határozott felület mentén. A nyírószilárdság okai illetve összetevői: Belső súrlódás: A szemcsék egymáson való elcsúszásakor fellépő ellenállás, mely a szemcsék egymásba való kapaszkodásából és csúszó és gördülő ellenállásból adódik. Nagyágát súrlódási szöggel (Φ [ °]) szokás kifejezni. Kohézió: Kapilláris húzóerő, a talajok közti víz felületi feszültsége és a talajszemcsék közti kölcsönös vonzóerő. Jelölése? C [kN/m 2 ] Tájékoztató értékek: Homokos kavicsHomokIszapAgyag Φ34 – 45°30 – 35°15 – 25°– C–– kN/m 2 >100 kN/m 2

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – Talajszilárdsági jellemzők A talajtörés pillanatában a külső nyíróerő (T) egyenlő a surlódási erő (S) és a kohéziós erő összegével, az utóbbi arányos a nyírt felülettel (A). Így a következő egyensúlyi egyenlet írható fel: T = S + AC A surlódási erő (S) arányos a felületre merőleges normálerővel (S=N tgΦ), így: T=N tgΦ + AC Ebből az egyenletből lehet számolni a nyírófeszültséget (leosztva a felülettel): τ= σ tgΦ + C Ezt az összefüggést nevezzük Culomb törvénynek τ: nyírófeszültség [kN/m 2 ]. σ: normál (nyomó) feszültség [kN/m 2 ] Φ: belső surlódási szög [°]. C: kohézió [kN/m 2 ].

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – Talajszilárdsági jellemzők A Culomb törvényen felül még egy összefüggés felírható az ábra alapján: S=G sinγ N=G cosγ S/N=tgγ Így: S=N tgγ A két egyenletből (Culomb: τ = σ tgΦ + C) már számítható a két ismeretlen (Φ, C). A gyakorlatban minimum három mérést végeznek És ezek eredményeit egy τ – σ koordinátarendszerben ábrázolják. A pontokat összekötve a Culombnak megfelelő egyenes kapható (meredekség: Φ, a függőleges tengellyel metszés a C értékét adja.

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – hajszálcsövesség A talajban a víz nem csak a gravitációs erők hatására áramlik, hanem a kapilláris erők hatására is fel tud emelkedni. A talajok hézagai hajszálcső-rendszert alkotnak és a kis átmérőjű hajszálcsövekben a víz nagy magasságokba képes felkúszni a felületi feszültség folytán. Minnél finomabb szemcséjű és kötöttebb a talaj (azaz minnél kisebbek a talaj hézagai), annál nagyobb a kapilláris vízemelkedés. Ennek mértékét a különböző talajoknál az alábbi ábra szemlélteti:

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – vízáteresztő képesség A víz a talaj szemcseösszetételétől, a rétegvastagságtól és a vízoszlop magasságától függően különböző sebességekkel áramolhat. A grav itáció hatására a talajban áramló víz sebességét a Darcy törvény szerint számítrhatjuk: Ahol k: a talaj vízáteresztő képesség együtthatója [cm/s], h: a vízoszlop magassága [cm], l: a vízátfolyás úthossza [cm] (a h/l hányadost hidrosztatikai esésnek nevezik és i –vel jelölik) TalajnemK (cm/s) Kavics3,0 – 3,5 Homok0,25 Agyagos homok0,002 Iszap10 -4 – Agyag10 -6 – 10 -9

Vasúti pályák – alépítmény – előkészítés Gyimesi András Talajvizsgálatok – Vizsgálati eredmények ábrázolása A vizsgálati eredményeket rétegszelvények formájában ábrázoljuk: