2015/1: városi vasút, támfal, csatornahálózat, töltés, szigetelés, alapozás, alagút, metró
2015. augusztus 18.

Szerző:
Dr. Farkas József jofarkas@mail.bme.hu

Czap Zoltán zczap@mail.bme.hu
BME Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék

Nagy János h.andrea@swietelsky.hu
Swietelsky Magyarország Kft.


Munkagödör-határolás a budai Várkert Bazár rekonstrukciójánál

Cölöpfal a Várkert Bazárnál

Az alábbiakban a címben olvasható rekonstrukciós munkáknál kialakított, nyitott módszerrel épített alagút cölöpjeinek a BME Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszéke (akkor még Geotechnikai Tanszék) által el­végzett vizsgálatok eredményét foglaljuk össze.


A vizsgált munkagödör a budai Várhegy déli végének Duna felőli oldalán helyezkedik el. Az építési terület nagy részét az Ybl Miklós tervezte Bazár foglalta el, kisebb része parkos kialakítású volt. A felső parkos részt egy meredek mesterséges bevágás határolta.

A kivitelező konzorcium megbízásából a Geovil Kft. végzett kiegészítő talajmechanikai feltárásokat és készített Talaj- és kőzetvizsgálati jelentést. E jelentésben megadott talajfizikai jellemzőkkel számolt a munkatér-határolás tervezője.

A hézagos, két sorban hátrahorgonyzott cölöpfal 1,4 m-es tengelytávolsággal épült. A CFA cölöpök átmérője: 80 cm. A cölöpök tervezett betonminősége: C30/37–XA1–16–F5. A horgonyok 4 pászmásak, 15–24 m hosszúak (6 m-es injektált szakasszal). A sorokon belüli horgonytávolság megegyezik a cölöptengely-távolsággal. A cölöpfal alul 3 m-t van befogva a tükörszint alatti márgába.

A Kivitelező 2013. november közepén észlelte, hogy az említett épületrész Dunával ellentétes oldalán lévő hézagos cölöpfal néhány cölöpje a munkagödör fenéksíkjának közelében elnyíródott, amit veszélyesnek ítéltek.

A helyszíni szemle után javasoltuk a geotextíliával eltakart cölöpök azonnali kibontását, láthatóvá tételét, és a cölöpökre helyezett prizmák sűrített geodéziai bemérését, az eredmények azonnali értékelését. A döntés a következő volt: a károsodott cölöpök környezetében az alaplemez és a munkatér-­határolás közé megtámasztó vasbeton kiékelő tömböt kell beépíteni. A betonozás még aznap éjszaka elkészült, ezáltal a sérült cölöpök alsó befogása biztosított volt.

A Talaj- és kőzetvizsgálati jelentés meg­adta a tervezéshez javasolt fizikai paramétereket a feltárt három rétegcsoportra. Az egy­szerűsítés érdekében a rétegeket homogénnek tekintették, bár a cölöpsor mögött, illetve a cölöpök között lévő márgatömeg összetöredezett jellegű, repedezett, rétegzett szerkezetű. Ezért a lemezes szerkezetű márga elválási felületei mentén meglévő nyírószilárdság meghatározását szükségesnek tartottuk. A laboratóriumi vizsgálatainkhoz a kritikus helyszínről vettünk talajmintákat, és közvetlen (dobozos) nyírókísérleteket végeztünk úgy, hogy a nyírás síkját az elválási felületre, illetve az agyagbetelepülésre állítottuk be. Nyíráskor a márgalemezek egymáson csúsztak. Az így kapott nyírószilárdsági jellemzőket használtuk fel a számításainkhoz.

Földtani körülmények, altalajviszonyok

A Várhegy környezete a középső pleisztocénban rögökre töredezett, völgyekkel felszabdalt hegység előtéri térszín volt. A terület jelentősen megemelkedett a szerkezeti mozgások következtében, és azért nem pusztult le, mert szilárd, kemény mészkő borította be, amely a melegforrások lerakódásából jött létre, és megvédte az idő viszontagságaitól. A Duna bevágódásainak hatására mélyebb szintre került az Ördögárok is. A pleisztocén kéregmozgások alakították ki a „sasbércet”.

A Várhegy délkeleti végén, a Várkertben 1939-ben mélyített 261 m mélységű termálkútban a 2 m vastag feltöltés alatt 208,7 m-ig a Várhegy fő kőzetkifejlődését képező felső eocén–alsó oligocén budai márgát tárták fel. Az alagút építésekor is ezzel a kőzettel találkoztak az építmény teljes hosszában, akárcsak a Várkert Bazár most kiemelt munkatereinél. Az „Ifjúsági Parkban” mélyített fúrások is márgában haladtak.

A Várkert Bazár alagútgödrében található budai márga eredeti állapotában tömött, kemény, kőzetszerű, kékesszürke, elmállva sárgásszürke színű, törése többnyi­re kagylós, felülete érdes tapintású. Jól rétegzett, pados kifejlődésű, vetődésekkel, repedezésekkel átszőtt (ez jól megfigyelhető volt a károsodott cölöpök környezetében is). Többnyire déli dőlésű, a dőlésszöge 5–20° között változik. A helyszíni megfigyeléseink szerint a munkagödör felé dőlések is előfordulnak. Az összlet a kálcium-karbonát-tartalomtól függően puhább-keményebb padokból, rétegekből áll, de homokos agyag, szerves homok, homokkő-betelepülések is előfordulnak. Jellemző még, hogy a szürke kőzetváltozatokon belül is, ahol repedések járják át a márgát, ott a repedések mentén szivárgó, áramló vizek oxidálták a kőzetet, így az sárgás árnyalatúvá vált, tehát semmiképp sem tekinthető homogén kőzetnek. A márgapadok közé települt vékony homokerek vezetik a felszínről leszivárgó vizeket az uralkodó dőlés irányát követve, s belőlük szivárog a repedésekbe is.

A talaj- és kőzetvizsgálati jelentés három rétegcsoportot különböztetett meg:

  1. Talajszerű, teljesen mállott kőzettörmelékes réteg, amely sovány és közepes agyagnak minősíthető, sodorható. Feküjét 2,6–3,8 m-es terepszint alatti mélységben tárták fel.
  2. Mállott, töredezett, repedezett márga. Kemény konzisztenciájú közepes agyag, amelyet 7,5 m-es mélységig harántoltak.
  3. Mállott, repedezett, illetve szálban álló világosszürke mészmárga, feketésszürke agyagmárga vékony mészhomokkő-betelepülésekkel. Kemény kőzet.

Az elválási felületek menti nyírószilárdság

A statikai számítások során az említett három réteget homogénnek tekintették, pedig a márgatömeg összetöredezett jellegű. Az erősen repedezett kőzet helyenként kagylós törésű (1. kép). A lemezek között vékony agyagbetelepüléseket is megfigyeltünk.

1. kép. Kagylós törésű márga

A vizsgálatok értékelésekor eltekintettek tehát a márga másodlagos szerkezetétől, nem vették figyelembe a repedezett (2. kép), rétegezett kőzetjelleget, a lemezes (elválású) szerkezetet, pedig a földmozgás, a hézagos cölöpfalra ható igénybevételek számításánál arra tekintettel kell lenni.

2. kép. Repedés a márgában

Ezért a lemezes szerkezetű márga elválási felületei mentén meglévő nyírószilárdságot meghatároztuk természetes (száraz) állapotban (3. kép) és abban az esetben, ha vékony, átnedvesedett agyag van a lemezek között. A laboratóriumi vizsgálatainkhoz a kritikus helyszínről vettünk mintákat. Közvetlen (dobozos) nyírókísérleteket végeztünk 1 mm/min nyírási sebességgel úgy, hogy a nyírás síkját az elválási felületre, illetve az agyag­betelepülésre állítottuk be. Nyíráskor a márgalemezek egymáson csúsztak.

3. kép. Talajminta a repedés nyírószilárdságának vizsgálatához

Kísérleti eredményeink alapján a hézagos cölöpfalra ható igénybevételek számításánál tehát a márgalemezek közötti nyírószilárdságot az alábbi értékekkel vesszük figyelembe:
Természetes víztartalom melletti lap menti nyírás:
Φres = 30,2°
c0res = 2,4 kPa

Átnedvesedett agyag a lapok között:
Φres = 7,8°
c0res = 65 kPa

A térfogatsúly: γ = 24 kN/m3
Mivel a hézagos cölöpfal kritikus szakasza bizonyos mértékben vízszintes irányban elmozdult, ellenőrző számításaink során a reziduális értékeket vettük figyelembe.

Talajvízviszonyok

Az önálló hidrológiai egységként kezelhető Várhegy vízháztartását, az altalaj vízkészletét a felszínre hullott csapadék és a közművekből elszivárgó vizek táplálják. Az épületek ereszcsatornáinak a vize nagyobbrészt nem kerül a közcsatornába, koncentráltan jut az altalajba. Mivel a Vár területe nagyobbrészt burkolt, beépített, a közvetlen csapadék­beszivárgás csekély. A csapadékvíz-hálózat és a szennyvízcsatornák állapota rossz. A víznyomó csövek sok helyen hibásak. A talajvíz (amely nem alkot összefüggő réteget a Várhegy oldalán) nagyobbrészt a vízvezetékekből és szennyvízcsatornákból szivárog. Közelsége és magassági helyzete okán valószínű az Ördögárok hatása is.

A Várhegy alapját képező budai márga tulajdonképpen vízzáró képződmény. A márga rétegei többnyire délre dőlnek, a réteglapok mentén a felszín alá kerülő víz a dőlés felé mozog. Ahol repedések járják át a kőzetet, ott a repedések mentén áramló vizek oxidálták a kőzetet sárgás árnyalatúvá. Ez jól megfigyelhető volt a károsodás helyénél is (4. kép).

4. kép. Oxidáció és vízbeszivárgás jelei egy elnyíródott cölöp mellett

Ugyanakkor a vizsgált helytől északra fekvő Alagút fontos szerepet játszik a környéke vízháztartásában. Az északról dél felé mozgó vizek útjában lecsapoló rendszerként működik, és erős depressziós hatása van a vizekre.

A helyszíni szemlék tapasztalatai

Az alagútgödör Duna felőli oldalán meglévő régi épületeket aláfogták (5. kép). A nyugati oldali hézagos cölöpfal felülete csaknem az aljáig geotextíliával volt takarva, így csak alul volt szemlélhető a kőzet repedezettsége, (4. kép), tagoltsága, a kibillent lemezes márgatömbök változó hajlású dőlése.

5. kép. Az alagútgödör

A hézagos cölöpfal lábánál több helyen is nedves foltokat lehetett látni, mivel a domb felőli részről a márga repedéseiben gyengén szivárgó rétegvíz érkezett. E vizek összegyűjtésére a fal lábánál drénhálózatot építettek be.

A kritikus – kb. 10 m hosszú – munka­gödör-határolási szakaszon 5 db cölöp az alsó befogásnál, a fenéklemez vonalában elnyíródott, tipikus nyírási törés alakult ki (4. kép). A károsodott cölöpök közvetlen környezetében a végleges kiemelési szinten, a hegy felőli oldalon határozottan átnedvesedett talaj­zónát lehetett látni. Ez részben származhatott az akkori napok csapadékos időjárásából, a rámpán lefolyó vízből, de inkább a hegy felőli oldalon a márga repedésein át szivárgó talajvízből. A talajvíz időszakos jelenlétére utalt az is, hogy ezen az épületrészen a márga repedéseinél rozsdabarna, sárga elszíneződés volt tapasztalható (4. kép).

Jó jelként lehetett értelmezni, hogy a cölöpelnyíródásoknál a repedésekre kent gipsztapaszok néhány nap után sem repedtek át.

A helyszíni szemlén megállapítottuk, hogy azonnali műszaki intézkedésekre van szükség. Kértük a cölöpfalat takaró geotextília azonnali leszedését, a vízszintes elmozdulások geodéziai méréséhez a cölöpökre prizmák, mérőpontok felhelyezését. Rögzítettük, hogy a károsodott cölöpök környezetében az alaplemez és a munkatér-határolás (cölöpfal) közé megtámasztó vas­beton kiékelő tömböt kell beépíteni. Ez meg is történt, tehát a sérült cölöpök alsó befogása helyreállt. Az egyes cölöpökön a kb. 2 m magas vasbeton kiékelő tömb felett meglévő, hajlításból származó repedésekre gipsztapaszok kenését javasoltuk annak megállapítására, hogy a megrepedt cölöpfal mozog-e. Nyugalom esetén csak arra kellett törekedni, hogy a műtárgyat mielőbb beépítsék.

Javasoltuk, hogy amennyiben a mérések mozgási tendenciát jeleznének, és meghaladnák a 10 mm-es határértéket, úgy a cölöpfalra az alsó sori horgonyok tengelyvonalában acél teherelosztó gerendát kell felhelyezni, és azt 3 m-enként, ferde csőtámaszokkal, 45°-os szögben meg kell támasztani az alaplemezhez.

A cölöpök igénybevételei

A kihorgonyzott cölöpfal állapotát a Plaxis V8.6 végeselemes programmal, sík alakváltozási állapotban vizsgáltuk. A modellben a rendelkezésünkre bocsátott számításokban szereplő anyag- és geometriai jellemzőket alkalmaztuk.

Számításaink során végigkövettük az alábbi építési fázisokat:

  • földmunkák előtti állapot;
  • földkiemelés a lavírsíkig;
  • cölöpfalépítés (a mozgások ehhez az állapothoz képest értelmezettek);
  • kiemelés a felső horgonyhoz;
  • a felső horgony feszítése 200 kN/m (280 kN) erővel;
  • kiemelés az alsó horgonyhoz;
  • az alsó horgony feszítése 200 kN/m (280 kN) erővel;
  • kiemelés a munkagödör fenékszintjéig.

Elvégeztük a rendszer globális állékonyságának vizsgálatát is. A biztonságot a tényleges és a stabilitáshoz legalább szükséges belső súrlódási szög tangense, illetve a tényleges és a stabilitáshoz legkevesebb szükséges kohézió hányadosaként értelmezi a Plaxis program.

A kapott biztonság
n = 2,87;
A kihasználtság γqu = 1,50 parciális tényezőhöz viszonyítva
Λ = 52%

Megismételtük a számításainkat a helyszínen vett talajminták laboratóriumi vizsgálatából nyert adatokkal is. A márga modellezésére a repedezett kőzet (Jointed Rock) modellt használtuk, ahol a repedésekben a száraz márga megfelelő súrlódási ellenállását alkalmaztuk. A maximális nyomatékra utaló, a cölöpökön látható hajszálrepedések helye jó egyezést mutatott a számítási eredményünkkel.

A helyszíni tapasztalataink alapján a károsodott cölöpök környezetében a munka­gödör fenékszintje felett víz jelent meg (4. kép). Ez lényegesen befolyásolhatta a márga viselkedését (6. kép; Czinder Balázs: A budai márga kőzetfizikai paramétereinek statisztikai értékelése a budai Várhegy térségéből származó vizsgálati eredmények alapján. Tudományos Diákköri Konferencia, BME, 2013). Laboratóriumi vizsgálataink is alátámasztották ezt a feltételezést, ezért megismételtük a számításainkat az itt kapott nyírószilárdsági jellemzőkkel, a munkagödör fenékszintje feletti 1 m vastag átázott réteg feltételezésével.

6. kép. Átázott márga

Az eredményeink:

  • A végeredményként kapott deformált hálózat: 1. ábra.
  • A maximális elmozdulás 13,1 mm, 3 mm-rel nagyobb az előzőnél: 2. ábra.
1. ábra. Deformált végeselemes hálózat

Az előzőekben közölt eredmények alapján, a valósággal összhangban, a beszivárgó víz hatására elázó vékony réteg lényegesen, közel kétszeresére növelte az érintett cölöpök igénybevételeit.

Megvizsgáltuk azt az esetet is, amikor a cölöpfal eltörik az átázott rétegnél, és az alsó szakasz többé nem vesz részt a megtámasztásban. Számítási eredményeink összefoglalását, a falmozgásokat a 2. ábra szemlélteti.

2. ábra. Falmozgások különböző modellek esetén

A tapasztaltak szerint a károsodott cölöpökben a törés helyén 2-3 cm nagyságrendű vízszintes elmozdulás alakult ki. A cölöpökön jellegzetes nyírási repedések jelentek meg, ferde, kb. 45°-os hajlási-törési felülettel. A cölöpökön vízszintes hajlításokból eredő repedések is láthatók voltak, amelyek tágassága a felületen néhány tized mm-re becsülhető, de 1 mm-nél nem nagyobb. Az alapozási sík feletti alsó horgonysor lehorgonyzó szerkezetén a kiálló feszítő acélhuzalok erősen sérültek, ami a horgonyerő csökkenését, illetve megszűnését is okozhatta. Az építkezés kezdetétől végzett geodéziai alakváltozás-mérések szerint a törés helyén a cölöpök mozgásai mm-nagyságrendhez közeli értékűek lehettek.

A cölöpök nyugalmi állapotban voltak, de a talaj ráfeszülése miatt bizonyos időn (néhány héten) belül további mozgások keletkezhettek volna, vagyis a cölöpfalat veszélyes állapotúnak minősítettük, ezért az életveszélyes állapot kialakulásának megakadályozása érdekében azonnali műszaki intézkedések szükségességét rögzítettük. Ez azt jelentette, hogy az alaplemezt a cölöpfalig ki kell nyújtani, és ezen 45°-os hajlású vasbeton tömbökkel a cölöpfalat a törések helyén meg kell támasztani.

Elvégeztük a vasbeton cölöpök erőtani ellenőrzését is a tervezett állapotra vonatko­zóan. Számításaink szerint a tervezett vasalással a nyomatéki teherbírás megfelelő, miként a nyíróerők szempontjából is kimondható a megfelelőség.

Összefoglalás

A tervezéshez készített Talaj- és kőzetvizsgálati jelentés megadta a fizikai paramétereket a feltárt három rétegcsoportra, amelyeket homogénnek tekintettek. A cölöpsor mögött, illetve a cölöpök között lévő márgatömeg azonban összetöredezett jellegű, repedezett, rétegzett szerkezetű. Szükségesnek tartottuk a lemezes szerkezetű márga el­válási felületei mentén meglévő nyírószilárdság meghatározását, a kritikus helyszínről vett talajmintákon közvetlen (dobozos) nyíró­kísérletekkel. Az így kapott nyírószilárdsági jellemzőket használtuk fel ellenőrző számításaink során. Mivel a hézagos cölöpfal kritikus szakasza bizonyos mértékben vízszintes irányban elmozdult, így a reziduális értékeket vettük figyelembe.
A helyszíni szemlén megállapítottuk, hogy azonnali műszaki intézkedésekre van szükség. Előírtuk a károsodott cölöpök elmozdulásának mérését; javasoltuk az elnyíródott cölöpök betonminőségének és a cölöpökbe tervezett vasalás meglétének ellenőrzését. Rögzítettük, hogy a károsodott cölöpök környezetében az alaplemez és a munkatér-­határolás közé megtámasztó vasbeton kiékelő tömböt kell beépíteni, vagyis az alap­lemezt a cölöpfalig meg kell hosszabbítani, és ezen 45°-os hajlású vasbeton tömbökkel a cölöpfalat a törések helyén meg kell támasztani a kritikus, 10-11 m hosszú szakaszon.
A hátrahorgonyzott cölöpfalat Plaxis V8.6 végeselemes programmal, sík alakváltozási állapotban vizsgáltuk. Először a Tervező által használt anyag- és geometriai jellemzőket alkalmaztuk. Számításaink során végigkövettük az egyes építési fázisokat. Megismételtük a számításainkat a helyszínen vett, lemezes minták vizsgálatából nyert adatokkal is.
A károsodott cölöpök környezetében a munkagödör fenékszintje felett víz jelent meg, ami befolyásolta a márga viselkedését. Vékony agyagbetelepülés megléte esetén laborvizsgálataink szerint kedvezőtlenebb a nyírószilárdság. A beszivárgó víz hatására elázó vékony réteg közel kétszeresére növelhette az érintett cölöpök igénybevételeit.
Számításaink szerint a nyomatéki teherbírás megfelelő volt, és megfelelőség volt kimutatható a nyíróerők szempontjából is.
A beépítésre javasolt erősítő betontömbnek a vízszintes erők felvételében addig volt különleges jelentősége és szerepe, amíg a bejárati műtárgy el nem készült. Az erősítő tömb az elnyíródott cölöpökön kívül a csatlakozó cölöpöket is megtámasztotta, így a progresszív törés kialakulását is megakadályozta.
A tapasztalt károsodást valószínűleg több ok együttes hatása okozhatta. Ide sorolható a cölöpfal mögötti repedezett márga réteglapok menti nyírószilárdsága, a lapok mentén betelepült vékony agyagsáv szerepe.
A döntő hatást a károsodott cölöpfalszakasz lábánál jelentkező erős nedvesedés gyakorolta, amiben szerepe lehetett a károsodás előtti napok csapadékos idő­járásának, továbbá közelsége és magassági helyzete alapján valószínű az Ördögárok hatása is.
Meg kell említeni, hogy a kivitelezett cölöpfalas határoló szerkezet hossza kb. 300 m volt, és ebből csupán 10 m-en me­rültek fel az említett, nem mindennapos, de műszaki és gazdaságossági szempontból végül is jól megoldott problémák.•
 
Innotéka Mélyépítés