Vasúti védőrétegek optimálása. Dr. Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus SZE MTK Közlekedésépítési Tanszék

Vasúti védőrétegek optimálása Dr. Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus SZE MTK Közlekedésépítési Tanszék

Kő- és Kavicsbányászati Napok, Velence, 2014

2014.02.27.

VASÚTI VÉDŐRÉTEGEK OPTIMÁLÁSA

• Az előadás tartalma – – – – – – – –

A kutatási projekt (K+F munka) rövid bemutatása Az új MÁV D.11 Utasítással kapcsolatos kérdések felvetése Gazdaságosság, előállítás Nemzetközi tapasztalatok Szemmegoszlás, Proctor- és CBR-vizsgálatok és eredményei Laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok és eredményei Hidrológiai szimuláció és eredményei Összefoglalás


• Saját forrásból finanszírozott K+F munka: – címe/témája: Szemcsés vasúti védőrétegek összehasonlító elemzése laboratóriumi vizsgálat-sorozat és egyéb műszaki-gazdasági szempontok alapján, – megbízó: Colas Északkő Kft., – vállalkozó: Universitas-Győr Nonprofit Kft. – időtartam: 2013. szeptember – 2013. december (4 hónap).


• A K+F munka célkitűzései: – az újonnan bevezetésre kerülő MÁV D.11. számú „Vasúti alépítmény tervezése, építése, karbantartása és felújítása” c. utasítás SZK1 és SZK2 keverékeinek és az olcsóbban – keverés, és technológiai többletlépések nélkül – előállított termékek teljesítőképességének összevetése, valamint a D.11. utasítás által támasztott követelmények műszaki-gazdaságossági hatásainak, valamint azok létjogosultságának vizsgálata. – A franciaországi vasúti védőréteg építési gyakorlat összevetése a hazai terminológiával, a francia gyakorlat magyarországi alkalmazási lehetőségének és korlátainak vizsgálata, valamint egy ehhez kapcsolódó többszintes nyíróládás laboratóriumi vizsgálatsorozatot elvégzése SZK1, SZK2, M22 és FZKA 0/32 törtszemcsés keverékek esetén. – Az eltérő összetételű és vízzáróságú védőréteg anyagok védelmi hatékonyságának felmérése, 2D-s hidrológiai szimulációs vizsgálatok elvégzése.


• A MÁV D.11. földművekre és védőrétegekre vonatkozó előírásai: – az útépítés és vasútépítés tekintetében a földművekre vonatkozó követelmények összehangolásra kerültek (ÚME-k és D.11.), – ellenben a védő(alap)rétegek esetén jelentős eltérések állnak fenn.


• Vasúti védőrétegek: – védőréteg: a teherbírás-növelő szerepét a tervezés során nem vesszük figyelembe, – erősítőréteg: csak teherbírás-növelés a feladata, – védő-erősítőréteg: kombinált funkció.


• A MÁV D.11. – A vasúti védőrétegek feladatai:

• Útépítési alaprétegek feladatai, követelményei:

– A terhelés egyenletes elosztása. – A teher alatti süllyedések mérséklése. – Rétegelválasztás. – Az alépítmény védelme a csapadékvizektől. – Vízelvezetés. – Szűrési szerep. – A teherviselő rétegrendszer megerősítése. – Fagyvédelem. – Rezgéscsökkentés.

– Hatékony teherelosztás. – Megfelelő teherbíró-képességet adjon. – Káros utótömörödés elkerülése a forgalom alatt. – Elég sík és egyenletes felületű. – Nem lehet víz- és fagyérzékeny. – Nem okozhat repedéseket a felette levő aszfaltburkolaton. – Mint alkalmas építési pálya bármikor tegye lehetővé az építési forgalom lebonyolítását. – Gazdaságosság. – Élettartama a tervezettnek prognosztizálhatóan megfeleljen.


• A D.11. utasításban szereplő vasúti kiegészítő rétegekre vonatkozó előírásokkal kapcsolatos kérdések/felvetések: – Az SZK1 és SZK2 védőrétegek szemeloszlási határgörbéinek a nagyon szűk, erőteljesen szigorú volta (a Ril. 836-ban szereplő határgörbék) milyen műszaki követelmény, és ok miatt lettek így kialakítva? Van-e ezeknek olyan szintű, szigorú előírást megkövetelő jelentősége, ami miatt ettől nem lehet eltérni? – Az SZK1 keverékre megadott szemeloszlási határgörbékkel gyártott, kevert védőréteg valóban vízzáró lesz-e (k≤10–6 m/s)? Műszakilag indokolható-e a vízzárósági igény? A keverék portartalma (5 g/g %) szigorú szabályozásának van-e megalapozott műszaki indoka? – Miért nem a magyarországi kő- és kavicsgyártásban járatos, könnyebben és olcsóbban előállítható szemeloszlási kritériumok lettek definiálva az SZK keverékekre a D.11. sz. utasításban? – Miért csak a Ril. 836 lettek figyelembe véve a D.11. készítésekor? – Miért került ilyen követelmény az utasításba: „a törtszemcsés adalék tömegszázaléka max. 30 %, frakciója pedig 0/16 lehet”?


• Gazdaságosság, előállítás:

Forrás: Ézsiás L.


• Gazdaságosság, előállítás: SZK1 keverék összetétele

Alkotó frakció M22

Keverési Tarifaár arány Ft/t 50 % 1 250

SZK2 keverék összetétele

Alkotó frakció FZKA 0/32

Keverési arány 40 %

Tarifaár Ft/t 3 400

0/1

15 %

3 400

0/2

40 %

2 100

0/2

25 %

3 400

32/63

20 %

2 800

16/32

5%

3 350

32/50

5%

3 800

SZK2 FZKA 0/32

100 % 100 %

2 900 2 100

SZK1 M22

100 % 2 500 100 % 1 250

SZK1/M22 költségarány:


200%

SZK2/FZKA 0/32 költségarány:

138%


• Gazdaságosság, előállítás: ~500e tonna FZKA 0/32


• Nemzetközi tapasztalatok: 0/32 Francia (V>160 km/h)

FZKA 0/32

Áthullott anyagmennyiség (%)

120 100 80 60 40

20 0 0,01

0,1

1

Szemcseátmérő (log(D))


10

100


• Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat: w (%) 5 7 9 11 13

SZK1 167,5 128,6 19,25 0 *

M22 240 142,5 72,5 46,5 *

SZK2 335 137,5 39 * *

FZKA 0/32 87,5 77,5 195 * *

*- A vizsgált anyag képtelen volt további víz felvételére, ezáltal alapvetően ellehetetlenítette az ezen víztartalmon történő bedolgozást.

Forrás: Colas Hungária


• Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat:

Fotó: Ézsiás L.

M22


• Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat:

Fotó: Ézsiás L.

SZK1


• Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat:  A szemcsés anyagok belső nyírási ellenállási függvényének meghatározása a mélység függvényében.  Vizsgálati paraméterek:  állandó paraméterek:    

alépítményt modellező rugalmas réteg teherbírási modulusa: E2=7,2 MPa, homokréteg vastagsága: 10 cm, szemcsés anyagok vastagsága a nyíróládában: 40 cm, csak tömörített minták: tömörítés két rétegben: a +20 és a +40 cm-es magasságokban, tömörség meghatározása számítással,  nyírási síkok száma: 4,  függőleges terhelés alkalmazása: nincs,

 változó paraméterek:  vizsgálandó anyagtípusok:  SZK1, SZK2, M22, FZKA 0/32,  víztartalom:  száraz (w=x %=leszállított állapotú törtszemcsés keverékek víztartalma),  optimális víztartalom (w=wopt %),  nedves (w=wopt % + z %).


• Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat:  Víztartalmak:  M22:  Száraz: 5,82 %,  Optimális: 7,0 %,  Nedves: 8,0 %,

 FZKA 0/32:  Száraz: 3,33 %,  Optimális: 6,0 %,  Nedves: 8,2 %,

 SZK1:  Száraz: 5,29 %,  Optimális: 9,0 %,  Nedves: 11,7 %,

 SZK2:  Száraz: 4,65 %,  Optimális: 5,6 %,  Nedves: 9,72 %.


A nyírási síkok

nyírási sík Nr.4 nyírási sík Nr.3 nyírási sík Nr.2 nyírási sík Nr.1 alapsík (Nr.0)


A zúzottkő ágyazat tömörítése Tömörítés: - 20 cm és 40 cm vastagságban. Tömörítő eszköz: - L-2/C típus, - tömeg: 68 kg, - teljesítmény: 1,1 kW, - névleges vibrációs frekvencia: 3000/min, - tömörítőlap: 500x500 mm.

Fontos: azonos legyen a tömörítési munka minden vizsgálat előtt.


Nyomóerő Ellenerő

Elmozdulás


Az átlagerők meghatározása 8 7 6

Erő (kN)

5 4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Elmozdulás (mm) Nyomóerő1

Georács, tömörített

Nyomóerő2

Nyomóerő3

12,4 12,6 12,8 13 13,2 13,4 13,6 13,8 14 14,2 14,4 14,6 14,8 15 15,2 15,4 15,6 15,8 16 16,2 16,4 16,6 16,8 17 17,2 17,4 17,6 17,8 18 18,2


M22 nedves mintájának tömörítése


FZKA 0/32 nedves mintájának tömörítése


SZK1 nedves mintájának tömörítése


SZK2 nedves mintájának tömörítése


• Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat, eredmények:


• Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat, eredmények:


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal:  Csapadék szimuláció.  Lefolyás és beszivárgás kalkuláció.  Víznyomás (szívás mélység, nyomás magasság) számítás.


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal:


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal:

Réteg 1. 2. 3.

4.

Talajtípus

Ks (mm/s)

Ks (m/s)

Lösz (L) Löszös homok(LS) Homokos lösz Homokos agyag lösz (SCL) Iszapos agyag (SC) Agyag (C)

2,8E-03 0,04 0,012 3,6E-04 5,0E-06 5,0E-07 1,5

Kavics (S)

2,8E-06 4,0E–05 1,2E–05 3,6E-07

Porozitás n(-) 0,43 0,41 0,41 0,39

Rez. Vízt. r(-) 0,078 0,057 0,065 0,1

vG par. (1/cm) 0,036 0,124 0.075 0,059

vG par. n (-) 1,56 2,28 1.89 1,48

5,0E-09 5,0E-10 1,5E–03

0,36 0,38 0,5

0,070 0,068 0,045

0,005 0,008 0,145

1,09 1,09 2,68


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: – Kiinduló feltételek, hidrosztatikai nyomáseloszlás, a talajvízszint a keresztszelvény aljától 2 m mélyen van  a talajvíz nem volt jelentős hatással az eredményekre.


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: – Víztartalom, (porozitás), szívás


• 2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: – Peremfeltételek:  A talajfelszínen csapadék intenzitása volt meghatározva, feltételezett azonnali lefolyással, tehát nyomás alatti beszivárgást nem feltételezünk.  A talajszelvény alján szabad kifolyást feltételeztünk, ha talajvíz hatásával nem számolunk. Talajvíz esetében a talajvíz mélysége a felszíntől 1m-re volt meghatározva.  A párolgást nem vettük figyelembe.


• 2D-s hidrológiai eredmények:

szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,



k=3,6E–07 m/s

szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,

k=1,2E–05 m/s



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,

– Víztartalom ~8 nappal a csapadék után k=3,6E–07 m/s, k=1,2E–05 m/s, valamint 30 cm vastag védőréteg esetén.

k=3,6E–07 m/s

k=1,2E–05 m/s



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,

– Víztartalom 8 nappal a csapadék után k=5,0E–10 m/s és 10 cm vastag védőréteg esetén.



szimuláció

Hydrus

2.xx

programmal,

– Víztartalom 8 nappal a csapadék után k=5,0E–10 m/s és 60 cm vastag védőréteg esetén.


• Összefoglaló megállapítások 1. – Az útépítésben is alkalmazott M-es anyagok és FZKA anyagok vasútépítési megfelelőségét igazoltuk. – A D.11. sz. utasításban az SZK keverékekre előírt szemeloszlási követelmények  a magyarországi ásványvagyon optimális felhasználhatóságával, illetve a kisszemcsés frakciók miatti szétosztályozódási veszély. – A szemeloszlási határgörbék  francia gyakorlat, 160 km/h-ás pályasebesség  szemcsés rétegre előírt szemeloszlási követelményt a magyarországi FZKA 0/32 termék teljes mértékben kielégíti. (Pluszban igazolandók: szilárdsági és időállósági jellemzők). – Az SZK1 keverékek előállításához (5 frakcióból) kő- és kavicsbányászati termékeket is fel kellett használni, amely a nagytömegű üzemi előállítás szempontjából, figyelembe véve a jelenlegi piaci lehetőségeket, csaknem lehetetlen helyzetet jelent.


• Összefoglaló megállapítások 2. – A CBR-vizsgálat eredményei:  az SZK1 és SZK2 típusú keverékek 5 %-os víztartalomról 9 %-osra való változtatásával a teherbírásuk közel 85-90 %-át elveszítették.  Az M22 anyagnál 9 %-os víztartalom esetén is megvan az 5 %-os víztartalomnál mért teherbírás 30 %-a, 11 %-os víztartalom esetén a teherbírás 19 %-a.  Az FZKA 0/32 anyagnál 7 %-os víztartalom esetén is megvan az 5 %-os víztartalomnál mért teherbírás 89 %-a, 9 %-os víztartalom esetén a teherbírás 2,23-szorosa.

– Ezek azt vetítik előre, hogy az SZK1 és SZK2 típusú termékek a víztartalom növekedésével rohamos ütemben veszíthetik el a teherbírásukat, még betömörített, beépített állapotukban is. Az M22 és FZKA 0/32 típusú termékeknél ez a jelenség csekély mértékben következik be.


• Összefoglaló megállapítások 3. – A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálat eredményei alapján megállapítható, hogy  első megközelítésben a vizsgált négy típusú termék a belső nyírási ellenállás értékét figyelembe véve nem mutat mértékadó különbségeket, kivéve az SZK2 terméknél a 9,72 %-os víztartalmú minta, amelynél erőteljes átázás, telítődés volt tapasztalható, a kiugró belső nyírási ellenállás értékeket a viszkózussá válása magyarázza, ellenben ezt a „pozitív” változást lényegesen befolyásolja a teherbírásának elvesztése.  Az SZK1 termék nedves mintájánál a teherbírás szintén jelentősen visszaesett, ezt a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatoknál szemrevételezéssel állapítottuk meg, míg a CBRvizsgálat ezt be is bizonyította.


• Összefoglaló megállapítások 4. – Hidrológiai szimuláció eredményei:  Mértékadó (i=1 %) 60 perces csapadék figyelembevétele.  Mind a vízzáró (k=3,6E–07 m/s), mind a kvázi vízáteresztő (k=1,2E–05 m/s) védőréteg esetén eljut a víz a földműig, azt eláztathatja  SZK termékeknél ez a teherbírás-vesztést is eredményezheti.  Teljesen vízzáró védőrétegnél (k=5,0E–10 m/s) a nedvesség „megreked” a rétegben, kijutása több napig is eltarthat.  Az oldalirányú vízelvezetést gyorsítandó javasolt minden esetben geotextília alkalmazása:  szűrés,  elválasztás,  réteg irányú vízkivezetés gyorsítása szempontjából.


• Összefoglaló megállapítások 5. – Az elvégzett kutatásaink és vizsgálataink alapján továbbá megállapítható:  vízérzékeny termék védőrétegnek való beépítése nem javasolt, a vizsgált SZK1 és SZK2 termékek a víztartalom növekedésére a CBR mérések alapján a kezdeti szilárdságukat jelentősen elveszíthetik,  mindenképpen vízáteresztő és nem vízérzékeny talaj javasolt alépítményi védőréteg funkció ellátására, amely követelményt az M22 és az FZKA 0/32 termékek teljes mértékben kielégítenek, ezt a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok és a CBR mérések is igazolták.  Geotexília réteg beépítésének szükségessége a védőréteg alá.  Az elvégzett kutatásaink és vizsgálataink alapján az SZK1 típusú termék helyett az M22 termék, míg az SZK2 típusú termék helyett az FZKA 0/32 termék általános alkalmazását-alkalmazhatóságát javasoljuk.

 Az új MÁV D.11 Utasítás vasúti védőrétegekre előírt követelményeit felül kellene bírálni, lehetőség szerint még a tényleges bevezetése előtt!


• Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozunk a Colas-Északkő Kft.-nek a kutatás-fejlesztési munkánk finanszírozásáért, valamint különös tekintettel Ézsiás László minőségirányítási és minőségellenőrzési vezetőnek, aki szakmailag támogatta a kutatásunkat. Ezen kívül köszönjük Simon Noémi építőmérnök egyetemi szakos hallgatónk aktív munkáját és közreműködését.


Köszönöm a megtisztelő figyelmet!

E-mail: [email protected]

Vasúti védőrétegek optimálása. Dr. Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus SZE MTK Közlekedésépítési Tanszék

Recommend Documents