Cölöpfal a Várkert Bazárnál
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:
- Talajszerű, teljesen mállott kőzettörmelékes réteg, amely sovány és közepes agyagnak minősíthető, sodorható. Feküjét 2,6–3,8 m-es terepszint alatti mélységben tárták fel.
- Mállott, töredezett, repedezett márga. Kemény konzisztenciájú közepes agyag, amelyet 7,5 m-es mélységig harántoltak.
- 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 márgaA 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 márgábanEzért 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 vizsgálatáhozKísérleti 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 mellettUgyanakkor 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 alagútgödörA 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 márgaAz 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 hálózatAz 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 eseténA 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.
