2017/2: városi vasút, pályaszerkezet, szerkezetmegerősítés, közút, földmű, geológia, alapozás, víztározó, híd, vízépítési műtárgy, duzzasztómű, töltés, talajvíz, csatornahálózat, csővezeték, csomópont, szigetelés, vízzáróság, metró, vasút
2017. szeptember 4.

Szerzők:
Lődör Kristóf PhD-hallgató
lodor.kristof@epito.bme.hu
Móczár Balázs
egyetemi docens
moczar.balazs@epito.bme.hu
BME Geotechnika és
Mérnökgeológia Tanszék


Gyenge teherbíró képességű talajok javítása

Rigid inclusion merevítőelemek alkalmazása műtárgyak alapozásánál

Az utóbbi időben egyre többször alkalmazzák Európában a különféle talajjavítási módszereket mélyalapozásként, és mind többször kombinálják a széles körben elterjedt cölöpalapozással. A cölöpalapozások teherközvetítő szerepe és viselkedése mára már jól ismert, számos kutatás foglalkozott a mélyalapozások e területével, így tervezésük megfelelően szabályozott körülmények és metódusok alapján, szabványok segítségével történhet. Ezzel ellentétben a talaj­javító módszerek tervezési körét illetően még vannak homályos, kidolgozatlan területek.


Mélyalapozás vagy talajjavítás?

Amennyiben a szerkezetről átadódó terhelés, valamint az altalajkörnyezet nem eredményez túlzott mértékű elmozdulásokat, süllyedéskülönbségeket, illetve teherbírási és stabilitási problémákat síkalapozás esetén, akkor nincs szükség mélyalapozásra, talajjavításra. Ha a felsorolt kritériumok közül egy vagy több nem teljesül, mélyalapozásra (leggyakrabban cölöpalapozásra) van szükség, hogy a terheket megfelelő teherbíró képességű talaj­rétegig közvetíteni tudjuk. A méretezés során gyakran felmerülő probléma, hogy bár síkalapozás már az ismertetett problémák miatt nem alkalmazható, ugyanakkor a cölöpalapozás önmagában – figyelmen kívül hagyva az amúgy is szükséges összefogó vasbeton lemez vagy gerendarács teherbírási szerepét – gazdaságtalan szerkezetet eredményez. Ilyenkor költséghatékonyabb megoldás lehet, ha a lemezalapot cölöpökkel gyámolítjuk, így nemcsak a cölöpök teherbírását, hanem a lemez ágyazási teherbírását is figyelembe vesszük.

Elterjedőben van egy olyan alapozási rendszer, ahol beton merevítőelemekkel (tulajdonképpen cölöpökkel) talajjavító hatást érünk el. Ezt a módszert a nemzetközi szakirodalomban rigid inclusion alapozásnak nevezik. Ez az eljárás a cölöpökkel gyámolított lemezalapozás módszeréhez hasonló, ugyanakkor a beton merevítőelemek és az alaplemez között nincs közvetlen kapcsolat. Leggyakrabban hengeres alakú, karcsú, folytonos és többnyire függőleges elemek alkotják; hálóban történő kiosztásuk sűrűsége és hossza a teher eloszlásától, illetve az altalaj fizikai paramétereitől függ.

Az alaplemez és a merevítőelemek között egy jól tömörített, durvaszemcsés (homokos kavics, kavics, zúzottkő) teherközvetítő réteget szoktak alkalmazni, melynek elegendő vastagságúnak kell lennie ahhoz, hogy a rétegen belül a terhek átboltozódása megfelelően kialakuljon, valamint ne szenvedjen tönkremenetelt (Prandtl-féle tönkremenetel vagy átszúródási tönkremenetel). Az átboltozódásnak köszönhetően a rigid inclusion merevítőelemekre csak normál irányú nyomó igénybevétel hat, így nincs szükség azok vasalására (1. ábra).

1. ábra. Teherközvetítés módja különféle alapozási módszerek esetében [1]


Beton merevítőelemekkel történő talajjavítás esetén a teher nem közvetlenül kerül a mélyebb zónákig, a terhek 60–90%-a a gyenge teherbíró képességű, összenyomódásra érzékeny talajban már leépül, ezáltal csökken a süllyedéskülönbségek mértéke. Lehetőség van a teherközvetítő réteg geoműanyagokkal történő erősítésére, melyek szerepe az ágyazaton belüli elhelyezkedésüktől függ. Ha a geoműanyag a teher továbbítását biztosító réteg alsó síkján helyezkedik el, akkor érvényesül a membránhatás, mely elősegíti a teher merevítőelemekre történő továbbítását. Merevítőgerendákhoz hasonló merevség érhető el azzal a kialakítással, ha a réteg belsejében rétegesen helyezkednek el a geoműanyagok.

Alkalmazási területek

A rigid inclusion talajjavító rendszer széles körben, minden talajtípusban használható, azonban – gazdasági szempontokat figyelembe véve – elsősorban a gyenge teherbíró képességű, összenyomódásra hajlamos agyag-, iszap- és tőzegtalajoknál alkalmazható kedvezően és hatékonyan. Többnyire olyan építményeknél elterjedt alapozási eljárás, ahol a jelentős intenzitású teher nagy kiterjedésű felületen oszlik meg, valamint a szerkezet érzékenyen reagál a süllyedés­különbségekre, mint például:

  • ipari és mezőgazdasági épületek (gabona-, cukorsiló),
  • tartályok (víz, olaj, kémiai vegyszer),
  • töltések alapozása (autópálya, vasúti töltések).

Mivel a merevítőelemek és a felszerkezet között nincs közvetlen kapcsolat, a földrengések hatására kialakuló vízszintes erők elnyelésében óriási szerepet játszik a nagy belső súrlódási szögű teherelosztó réteg. Közvetlen kapcsolat hiányában a merevítőelemek képesek önállóan elmozdulni („elcsúszni”) az ágyazaton anélkül, hogy többlet-igénybevételeket okoznának a felszerkezetben, és ez a rendszer nagy előnye. A továbbiakban a rendszer alkalmazására mutatunk néhány megvalósult példát.

Víztározó tartály Franciaországban

A francia nemzeti kutatási projekt (ASIRI) keretein belül Pont-Audemer település vízkezelési problémáinak megoldására a többi között víztározó tartályt építettek rigid inclusion talajjavítással, ahol a kivitelezés ideje alatt és után a szerkezet süllyedéseit és feszültségeit monitoringrendszerek segítségével folyamatosan mérték. Az így összegyűjtött adatmennyiséget és a numerikus modellezéseket kielemezve a kutatók pontos képet kaptak a beton merevítőelemekkel történő talaj­javítás erőjátékáról és komplex viselkedésről.

Minden folyadéktároló tartálynál az egyik legfontosabb kritérium, hogy – a szivárgások elkerülése érdekében – repedésmentesek legyenek. A deformációk szintén limitáltak, a globális süllyedés mértéke többnyire 2 cm-ben maximalizált. A szerkezet átmérője 26 m, magassága pedig 5 m. A folyadék időszakosan változó mennyisége – feltöltés és leürítés hatása – ciklikus terhelést eredményez. Teljesen feltöltött állapotban nagyjából 50 kPa a felszíni megoszló terhelés értéke. Az altalajt tekintve a felszín alatti 6 m-es vastagságban gyenge teherbíró képességű, összenyomódásra érzékeny homokos, iszapos feltöltés található, mely alatt nagy teherbírású agyag fekszik. A túlzott mértékű süllyedések kialakulásának elkerülésére a kompresszibilis réteg cseréjére lenne szükség, azonban 6 m-es vastagsága miatt ez rendkívül költséges eljárás lenne. A szerkezet cölöpalapozással készülő kivitelezése szintén gazdaságtalan lenne, továbbá többlet-igénybevételeket eredményezne az alaplemezben. A rigid inclusion talajerősítő eljárás 3 × 3 m-es raszterben, 28 cm átmérőjű merevítőelemekkel történő kialakítása költséghatékonyság és szerkezeti szempontok alapján is kedvezőnek bizonyult az előzetes számítások alapján, így ezt választották (1. kép).

1. kép. A megvalósult víztározó tartály [2]

A 2. ábrán látható a terhelések és süllyedések időbeli alakulása. A süllyedési ábrán a T2-es jelű görbe a szerkezet közepénél elhelyezkedő rigid inclusion merevítőelem felső pontjának, míg a T3, T4, T5 görbe a kompresszibilis talajnak az elmozdulását mutatja az elem környezetében. Megfigyelhető, hogy a beton merevítőelem deformációja nagyobb, mint az összenyomódásra érzékeny homokos, iszapos feltöltésé, valamint az is, hogy a talaj egyenletes süllyedést szenved a terhelés hatására. Az első ciklikus terhelési hullám után a süllyedések stabilizálódnak, és a második hullám során már közel konstans értéket mutatnak.

2. ábra. Terhelés és süllyedés időbeli alakulása [3]

Az alapozási rendszerről e megvalósult és folyamatosan ellenőrzött szerkezet esetében összességében elmondható, hogy a 30 cm vastagságú alaplemez alatt nem alakultak ki túlzott mértékű süllyedéskülönbségek, és a globális maximális elmozdulások is megfelelnek az előírásoknak. A durva szemcsés teherközvetítő réteg vastagságának és tömörségének köszönhetően a terhek átboltozódása kielégítő. Az ágyazaton keresztül átadódó terhelés a merevítőelemekben negatív köpeny menti ellenállás formájában megjelenik a gyenge teherbíró képességű talajban. A ciklikus terhelés-tehermentesítés hatására a süllyedések nem növekednek, hanem egy konstans érték körül mozognak.

Río–Antírio híd

A híd a Peloponnészosz félszigetet köti össze Görögországgal, és ez infrastrukturálisan hatalmas fejlődést jelentett az országnak, ugyanis előtte csak komppal vagy a Korinthoszi-földszoroson keresztül lehetett átjutni. Az építkezés 1998-tól 2004-ig tartott, s az eredeti ütemtervtől eltérően korábban elkészült. A szerkezet 4 pilonú ferdekábeles híd, hosszúsága 2880 m, szélessége 28 m, így irányonként két autósáv is elfér rajta a leállósávval és a gyalogos pályával együtt (2. kép).

2. kép. A Río–Antírio híd

Az építmény alatt a víz mélysége meghaladja a 60 m-t, és az is köztudott, hogy szeizmicitás szempontjából nagyon aktív az érintett terület. Az sem könnyítette meg a tervezők dolgát, hogy a tengerfenék alatt jelentős vastagságú laza üledék volt. A lemeztektonikai hatás tovább fokozta a nehézségeket, ugyanis az öböl tágulása eléri az évenkénti 30 mm-t.
A hagyományos cölöpalapozás ötletét a kezdetektől elvetették, ugyanis a teherbíró alapréteg (sziklaréteg) túlságosan mélyen húzódik. Ehelyett azt a megoldást választották, hogy a tengerfeneket 2 m átmérőjű nyitott acélcsövekkel – melyeket a 25-30 m-es lemélyítés után cementtel stabilizált homokkal feltöltöttek – megerősítik. Az acél merevítőelemek a tengerfenék felett 0,50 m-rel túlnyúltak. A merevítőelemek alkalmazásával az volt a cél, hogy a felső gyenge teherbíró képességű talajzóna nyírószilárdsági paramétereit javítsák, és egyúttal meggátolják a szeizmikus talajfolyósodás létrejöttét. Az inclusion elemek fölé 2,80 m vastagságú kavicsfeltöltést készítettek több rétegben, melyre közel 90 m átmérőjű, a parton előregyártott és beúsztatott keszonos alaptest került. Az alapozási rendszer és a pilonok ily módon történő elszigetelése lehetővé teszi, hogy földrengés hatására ne keletkezzenek többlet-igénybevételek a felszerkezetben. A hídpálya részei csatlakozókkal és lengéscsillapítókkal kapcsolódnak a pilonokhoz, melyek hidraulikus működési elvének köszönhetően az oldalirányú mozgásokat képesek korlátozni (3a, 3b ábra).

3a, 3b. ábra. A Río–Antírio híd alapozási rendszere [4], [5]

Cukorsiló Kaposváron

Kaposváron a Magyar Cukor Zrt. területén 2013-ban új, közel 60 m átmérőjű, 60 ezer t cukor tárolására alkalmas silót létesítettek összetett alapozási rendszerrel. Mivel a megvalósítás idején és utána is folyamatosan mérték a deformációkat és elmozdulásokat a siló teljes szerkezetén, lehetőségünk volt térbeli végeselemes back analízissel a talaj és szerkezet kölcsönhatásának együttes vizsgálatára és a valós viselkedés modellezésére 2 éves időtartamra visszavezetve.

A forgásparaboid alakú felszerkezetet az alapokkal egy alacsony magasságú függőleges falszerkezet kapcsolja össze. Az alaplemez alatt létesített alagúton – melynek padlószintje a silóéhoz képest 4 m mélyen húzódik – történik a betöltött anyag leürítése. A műtárgy főbb geometriai paraméterei (3. kép):

  • felszerkezet külső átmérője: D = 58 m
  • szerkezeti magasság: H = 39 m
3. kép. 60 ezer tonna cukor tárolására alkalmas siló Kaposváron

Az üzem területén korábban létesített nagy terhelésű épületszerkezeteket mélyalapozással készítették, ezeknél átlagosan 16–20 m hosszúságú cölöpöket alkalmaztak. A vizsgálati területen elhelyezkedő 25 ezer t terhelésű siló a megvalósulás óta mindössze 2 cm-t süllyedt. A tervezett szerkezet alatt 25 cm vastagságú vasbeton alaplemez épült. A teherátadást a felszerkezetről a teherbíró altalajrétegekre a szélső peremgerenda, illetve az alagút alatt, a szerkezeti elemekkel összekapcsolt vasalt cölöpök, míg a siló belső területén rigid inclusion merevítőelemek biztosítják. Az alaplemez és az inclusionök közötti teherátadás jól tömörített, durva szemcsés ágyazati rétegen keresztül történik, melyet több sorban georáccsal erősítettek meg (4. ábra, 4. kép).

4. ábra, 4. kép. Összetett alapozási rendszer [6], [7]

A vizsgálati területen 2 db 50 m mélységű fúrást végeztünk, valamint 3 db statikus nyomószondázás került lemélyítésre, közülük kettő esetében a nyíróhullám terjedési sebességeket is rögzítettük. Az in situ és a laboratóriumi vizsgálatokkal a térbeli végeselemes modellhez szükséges rétegződés és talajfizikai paraméterek definiálása megtörtént. A szerkezeti elemek modellezésekor az elkészült kiviteli, megvalósulási tervdokumentációkat használtuk, így a valóságnak megfelelő modellgeometriát tudtunk létrehozni. A cukor mint töltőanyag teherként történő modellezésekor azt a megoldást választottuk, miszerint talajként építjük be az analízisbe, így a héjszerkezetet megfelelő mértékben be tudtuk vonni a teherviselésbe. Mivel a siló feltöltése és leürítése folyamatosan változik, ezért több cukorgeometriát kellett kialakítani, hogy képesek legyünk követni a terhelés időbeli alakulását (5. ábra).

5. ábra. Térbeli végeselemes modellgeometria [8]

Back analízisnél a deformációk időbeli változásának alakulását három kitüntetett pontban vizsgáltuk: az alaplemez szélén (A pont), a leürítő alagút középső keresztmetszetében (B pont), valamint a leürítő alagút negyedében (C pont). A terhelés-süllyedés időbeli alakulásának diagramján látható, hogy teljesen feltöltött állapotban az alaplemez maximális elmozdulási értéke 43 mm, az alaplemez szélén 33 mm, az alagút negyedénél pedig 39 mm a maximális süllyedések értékei. Ezek az eredmények megfelelően tükrözik a szerkezet valós viselkedését. Megfigyelhető, hogy viszonylag nagymértékű egyenletes terhelésnél, hosszabb időtartam alatt sem alakultak ki konszolidációs süllyedések. A számított elmozdulások jó egyezést mutatnak a mért értékekkel, az egyezőség közel 90%-os. A görbék lefutása párhuzamosnak tekinthető a vizsgálati időtartam alatt. A reprezentatív pontok számított süllyedéskülönbségei csak minimálisan térnek el a mért értékektől (6. ábra).

6. ábra. Terhelés-süllyedés diagram [8]

Összefoglalás

A fent említett néhány példa is azt mutatja, hogy változatos geotechnikai problémák és szerkezetek esetében is megfelelően működik ez az újfajta talajjavítási technológia, amely a gyenge teherbíró képességű altalaj fizikai paramétereit hatékonyan képes javítani, és egységesebb, homogénebb, összenyomódásra kevésbé érzékeny közeget eredményez. Nagymértékű süllyedésekre, süllyedéskülönbségekre érzékeny építmények, valamint földrengésveszélyes területek esetén kiváló alternatíva lehet a beton merevítőelemekkel javított talajkörnyezet. Napjainkban, a számítógépek fejlődésével, a numerikus modellezések széles körű elterjedésével, valamint a talajok viselkedését leíró korszerű anyagmodellek alkalmazásával megbízhatóan vizsgálható egy ilyen komplex erőjátékkal rendelkező alapozási rendszer.
Az elkészített back analízis vizsgálataink is azt igazolják, hogy az alapozási rendszer erőjátéka letisztult, könnyen követhető, ezáltal a rendelkezésre álló ajánlások és előírások alapján gazdaságosan tervezhető, méretezhető, a keletkező elmozdulások és feszültségek magabiztosan meghatározhatóak.•


Irodalom
[1]  Serge V., Babak H., Noel H., Nicolas D.: Ground Improvement vs. Pile Founda­tion?, ISSMGE - ETC 3 International Symposium on Design of Piles in Europe, 28 & 29 April 2016, Leuven, Belgium.

[2]  ASIRI National Project: Recommendations for the design, construction and control of rigid inclusion ground improvement. Presses de Ponts, Paris, 2012.

[3]  Umur S. O., Laurent B.: Monitoring and numerical investigation of rigid inclusion reinforced concrete water tanks. 3rd International Conference on New Developements in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 28-30 June 2012, Nicosia, Cyprus.

[4]  Gregory L. B., Ricardo D., George E. L., Ralph B. P.: Rion-Antirion Bridge Foundations: A Blend of Design and Construction Innovation. Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, April 13th - April 17th 2004, New York, United States.

[5]  Ricardo D., George E. L., Ralph B. P., Alain P.: Rion-Antirion Bridge. The Magazine of the Deep Foundation Institute, pp. 5–8., 2007.

[6]  Nyári I., Turi D., dr. Pusztai J.: Talajvizsgálati jelentés és geotechnikai tervfejezet a Magyar Cukor Zrt. területén létesítendő DOM cukorsiló építési engedélyezési tervéhez. 2012.

[7]  Wolf Á., Szilvágyi L., Schell P.: Kaposvár Cukorgyár Cukorsiló. Geotechnikai terv, 2013.

[8]  Lődör K., Móczár B., Mahler A.: Rigid inclusion alapozási rendszerrel készült siló 3D numerikus vizsgálata. Geotechnika, 2016. Konferencia, Ráckeve, 10.10.–12.10. 2016, pp. 15–29.

 
Innotéka Mélyépítés