Bevezető

A stabilizált talajok teherbíró képességének meghatározása céljából 2016. szeptember és 2017. áprilisa közötti időszakban helyszíni mérések készültek a magyar-szerb határ mentén stabilizált helyi talajokból készült földesút kutatási célra épített próbaszakaszain. A kutatás az „Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezésének alternatív módszere” tervezési útmutató (Pethő, Primusz, Tóth 2016) 3 rétegű modelljének legalsó, földmű réteg paramétereit vizsgálta helyszíni mérésekkel. A tervezési módszer előnyei a típus-pályaszerkezetek méretezésénél használt E2=40MPa tervezési teherbírásnál magasabb teherbírású földművek esetében érvényesülnek, ami döntően csak durvaszemcsés talajjal vagy talajstabilizációval érhetők el.
A próbaszakaszok elkészítésének célja a stabilizált talajok teherbírásának és tartósságának vizsgálata volt. Ennek érdekében két eltérő, de a környezetet jól jellemző talajadottsággal rendelkező terület került kijelölésre. Az egyik jellemző talaj az eolikus eredetű futóhomok, míg a másik geológiai szempontból korábbi, de szintén szél által települt aleuritből képződött lösz formáció volt. A talajok viszonylag jól reprezentálják hazánk felszínközeli talajait, mivel hasonló szemeloszlású és eredetű talajok fedik az ország ~50%-át.

Próbaszakaszok bemutatása

A kutatás helyszíni mérései egy napi szinten forgalommal terhelt földesúton készültek. A próbaszakaszok oly módon kerültek kivitelezésre, hogy azok alkalmasak legyenek a kutatás helyszíni méréseinek elvégzésére. A próbaszakaszok egy talajstabilizációval készült földesút kijelölt szakaszai, ahol a földút pályaszerkezetét eltérő vastagságú, kötőanyagú és adagolású stabilizált talajból és zúzottkőből építették meg, illetve egyes szakaszok csak zúzottkő+geoműanyagok felhasználásával kerültek megépítésre. A lösz esetében 11 db, míg a homok altalaj esetén 10 db 30 m hosszúságú próbaszakasz került kivitelezésre, ahol az alábbi rétegrendek kerültek megépítésre:

A próbaszakaszok felosztása
Szakasz Lösz Homok
I geotextília + 30 cm zúzottkő geotextília + 30 cm zúzottkő
II geotextília + georács + 30cm zúzottkő geotextília + georács + 30cm zúzottkő
III 45 cm stab. 40kg/m3 VC50 +10 cm zúzottkő 45 cm stab. 40kg/m3 cement +10 cm zúzottkő
IV 45 cm stab. 75kg/m3 VC50 +10 cm zúzottkő 45 cm stab. 75kg/m3 cement +10 cm zúzottkő
V 45 cm stab. 100kg/m3 VC50 +10 cm zúzottkő 45 cm stab. 100kg/m3 cement +10 cm zúzottkő
VI 30 cm stab. 75kg/m3 cement +10 cm zúzottkő 30 cm stab. 75kg/m3 cement +10 cm zúzottkő
VII 30 cm stab. 75kg/m3 VC50 +10 cm zúzottkő 30 cm stab. 100kg/m3 cement +10 cm zúzottkő
VIII 30 cm stab. 100kg/m3 VC50 +10 cm zúzottkő 15 cm stab. 40kg/m3 cement +25 cm zúzottkő
IX 15 cm stab. 40kg/m3 VC50 +25 cm zúzottkő 15 cm stab. 75kg/m3 cement +25 cm zúzottkő
X 15 cm stab. 75kg/m3 VC50 + 25 cm zúzottkő 15 cm stab. 100kg/m3 cement +25 cm zúzottkő
XI 15 cm stab. 100kg/m3 VC50 + 25 cm zúzottkő

A lösz talajok próbaszakaszának megépítése során ViaCalco C50 (táblázatban VC50) kötőanyagot, a homok talaj esetében pedig a stabilizációs munkáknál alkalmazott CEM II. B 32,5R jelzésű, gyorskötő cementet alkalmaztunk.

A helyszíni mérések bemutatása

Az elkészült próbaszakaszokon több fajta helyszíni teherbírásmérést végeztünk a stabilizált földmű, illetve a zúzottkő réteg teherbírására. Az E2 teherbírás alapvizsgálatának tekinthető a statikus tárcsás teherbírásvizsgálat, míg közvetett meghatározásra szolgál egy kisebb eszközigényű, gyorsabb és könnyebben elvégezhető módszer is, a könnyű ejtősúlyos teherbírásmérés. Mindezen helyszíni mérések mellett nehéz ejtősúlyos KUAB típusú FWD mérések is készültek.

A helyszíni mérések több időpontban is elvégzésre kerültek, követve egyrészt a próbaszakaszok kivitelezési lépéseinél adódó különböző fázisokat, másrészt megmérve az időjárási tényezők teherbírásra gyakorolt kedvezőtlen hatását (Gáspár et al. 2017; Tóth és Szentpéteri 2014, Tóth és Szentpéteri 2016;). Összesen 5 alkalommal végeztünk méréseket, amelyek a következő időpontokra estek:

• szeptember 30-án stabilizáció előtt: 4 statikus, 8 könnyű ejtősúlyos;
• október 7-én: 13 statikus, 50 könnyű ejtősúlyos;
• október 17-én: 42 statikus,186 könnyű ejtősúlyos, 298 FWD;
• november 29-30-án: 80 statikus,144 könnyű ejtősúlyos, 297 FWD;
• április 11-12-én: 121 statikus, 239 ejtősúlyos, 224 FWD.

Statikus tárcsás próbaterhelés

Ezzel a módszerrel határozzuk meg a földművek tervezésénél és minősítésénél használt E2 értéket. Tárcsás teherbírásmérések több időpontban készültek, az elsők a kivitelezés során, a későbbiek a zúzottkőterítés előtt és után. Ezt követően az első fagyokat követő időszakban, 2016. november 29-30-án, 2 hónappal a kivitelezést követően, majd a tavaszi olvadások során, 2017. április 11-12-én. Összesen 260db tárcsás teherbírásmérés készült. Az eredmények viszonylag nagy szórást mutattak, ezért a trendek meghatározása érdekében statisztikai módszerekkel számított eredményekből és az átlagértékekből grafikonok készültek.
A mérési eredmények alapján elmondható, hogy a stabilizációval készült próbaszakaszok magasabb teherbírást adtak, mint a geoműanyag+zúzottkőből készült szakaszok. A geoműanyagokkal készült szakaszok eredményei szerint a georács kis mértékben -10MPa-lal- volt képes növelni a teherbírást a geotextíliához képest. A geoműanyagos szakaszoknál látható, hogy az elkészítésüket követő 1. és 2. hónap eredményei között nincsen jelentős különbség, hiszen kémiai folyamatok itt nem játszódnak le. Azonban teherbírás növekedést tapasztalhattunk a 2017. áprilisi méréseknél, amelynek vélhetően a zúzottkő finomszemcsével történő kismértékű elkoszolódása kiékelődése, illetve a forgalom okozta utótömörödés lehetett az oka. Ez a folyamat egy bizonyos szintig kedvező tud lenni, majd hosszabb idő elteltével a túlzott finomszemcsetartalom miatt a teherbírás leromlása várható majd.

Homok talajon készült próbaszakaszok statikus tárcsás teherbírásmérési eredményei statisztikai kiértékelést követően

A 30cm és 45cm vastagsággal készült talajstabilizációkat közel kétszer akkora teherbírás jellemzi, mint az azonos vastagságú geoműanyagokkal erősített zúzottkő szakaszokét. A két teherbírás zóna közé esnek a geoműanyagos szakaszokhoz hasonlóan viszonylag vastag zúzottkőből készült -15cm vastag stabilizáció és 25cm vastag zúzottkő- szakaszok eredményei.
A stabilizált szakaszok teherbírásméréseinél jól kirajzolódik a hidraulikus kötések, mint kémiai folyamatok időben való bekövetkezése, ugyanis a teherbírás a kezdeti időszakban az idő múlásával növekedett. Fontos kiemelni, hogy teherbírás növekedés volt mérhető annak ellenére, hogy a próbaszakaszokon ebben az időszakban már folyamatos volt a forgalom, az októberi méréstől eltelt egy hónap viszonylag csapadékos őszi időszak volt, valamint néhány napos fagyok is előfordultak már. Az elmúlt évtizedek egyik leghosszabb és leghidegebb tele volt hazánkban a 2016-2017-es évi, ahol a térszín alatt 80-100cm-ben is átfagyások voltak tapasztalhatóak. A kiolvadás viszonylag gyorsan végbement a március végi hirtelen felmelegedéssel, ami alatt a forgalom változatlanul folyamatos volt a próbaszakaszokon. Ennek ellenére a mérések szerint a stabilizált szakaszokon nem volt tapasztalható a teherbírás leromlása. A fenti eredmények azt bizonyítják, hogy a stabilizációval elkészülő földművek vízzel és faggyal szemben tartós teherbírással rendelkeznek, ilyen módon az útburkolatoknak tartós alátámasztást tudnak biztosítani.

A homok talajon készült stabilizációs szakaszok tárcsás teherbírásmérési eredményein a kötőanyag mennyiségének hatása kevésbé volt visszakövethető, ez a lösz szakaszoknál jobban kirajzolódott. A lösz talajon készült próbaszakaszokon végzett tárcsás teherbírásmérések eredményeit mutatja a 2. ábra. A teherbírás mérés során az E2 értékek a lösz talajoknál a homok talajokhoz hasonló eredményeket mutattak. A geoműanyagokkal erősített szakaszok itt is alacsonyabb teherbírással rendelkeztek, mint a stabilizált szakaszok. A geoműanyagok szakaszainál a georács teherbírásnövelő hatása, hasonlóan a homok szakaszokéhoz ~10MPa értékben volt kimutatható.

A stabilizált szakaszoknál mért teherbírás ezen szakaszoknál is c.ca.. kétszeresét mutatta a zúzottkő+georács szakaszokénak. A kötőanyag mennyisége viszonylag markánsan jelentkezett a lösz szakaszoknál, ami magyarázható azzal, hogy az átmeneti talajok stabilizálásánál inkább a 75kg/m3 adagolás a javasolt (Szendefy 2009.) mennyiség, míg a homok talajok esetében már alacsonyabb adagolás is célravezető lehet. A mérések a teherbírás kismértékű csökkenését mutatják bizonyos szakaszoknál a novemberi, majd az áprilisi mérések során, azonban a próbaszakaszokon végzett más típusú teherbírás mérések ezt a csökkenést nem mutatták ki. A nem trendszerű csökkenés és a más mérési eredmények alapján úgy gondoljuk, hogy lösz szakaszon a stabilizált talajrétegek is kellően ellenállóak a víz és fagyhatásoknak.

Lösz talajon készült próbaszakaszok statikus tárcsás teherbírásmérési eredményei statisztikai kiértékelést követően

Könnyű ejtősúlyos teherbírásmérés

A kutatási próbaszakaszokon összesen 627db könnyű ejtősúlyos mérés került elvégzésre. A nagyszámú mérés, amelynek keretén belül egy-egy időpontban az egyes szakaszokon 5-9db mérés készült, lehetőséget nyújtott arra, hogy az egyes szakaszokhoz hozzárendelhető átlagos dinamikus teherbírási értéket (Evd) statisztikai kiértékelés alapján határozzuk meg. A könnyű ejtősúlyos vizsgálatoknál a statikus tárcsás teherbírás méréshez hasonló trendek voltak tapasztalhatóak. A homok talajnál készült szakaszok esetében a geoműanyag+zúzottkő szakaszok adták az alacsonyabb teherbírást, amely c.ca. a stabilizált szakaszok felére adódott. Bár a szakaszok elkészülte után 1.hónappal végzett méréseknél nem volt érzékelhető a georács hatása, a 2. hónap után és a tavasszal készült méréseknél már megmutatkozott a tárcsás teherbírásméréseknél is tapasztalt magasabb teherbírás.

A talajstabilizációs szakaszok esetében szintén kirajzolódott a 2. hónapra megnövekvő teherbírás, ami már nem mutatott említésre méltó csökkenést vagy növekedést a tavaszi időszakban elvégzett méréseknél. Az ejtősúlyos mérések eredményeinél a 15cm talajstabilizáció+25cm zúzottkő szakaszok a többi stabilizált szakaszhoz hasonló teherbírás értéket mutattak, így ennél a mérésnél nem volt tapasztalható olyan mértékű különbség, mint a statikus tárcsás teherbírásmérések során.

A homok szakaszon készített dinamikus teherbírásmérés eredményei

A lösz talajok szakaszainál készült könnyű ejtősúlyos vizsgálatok eredményeinél már a kezdeti időszakban kivehető volt a georács teherbírásnövelő hatása. Itt mindhárom mérés során kissé magasabb teherbírás volt mérhető a georácsos szakasznál, mint a csak geotextíliával erősített szakasznál. Azonban a geoműanyagokkal erősített szakaszok teherbírása így is jelentősen alulmaradt a stabilizált szakaszokéhoz képest.

A stabilizált szakaszoknál az 1. hónap utáni, majd a tavaszi mérések viszonylag jól visszaadták a kötőanyag adagolás mértékét, míg ez a trend a 2. hónapra készülő méréseknél nem volt viszontlátható. Ahogy már a statikus tárcsás teherbírásmérés során említettük, nem volt teherbírás csökkenés a 2. havi méréseknél az 1. havihoz képest, inkább a homok talajoknál is tapasztalt teherbírás növekedés volt mérhető. Bár a tavaszi mérések kismértékű teherbíráscsökkenést mutatnak a 2. havi mérésekhez viszonyítva, még így is magasabb értékek adódtak a kivitelezést követő 1. hónaphoz képest.

A lösz szakaszon készített dinamikus teherbírásmérés eredményei

A homok, illetve a lösz szakaszon is megfigyelhető, hogy a 30 cm és 45 cm vastagságban készült stabilizációk között nincsenek jelentős különbségek, ami arra utalhat, hogy a könnyű ejtősúlyos vizsgálat mérési tartományán kívül esik ez a vastagság. A 30 cm-es és a 45 cm-es vastagságban stabilizált talajokra egy 10 cm-es zúzottkő réteget is terítettek, így a javítórétegek vastagsága 40 cm és 55 cm ezeken a szakaszokon. Egyes szakirodalmi adatok alapján a dinamikus teherbírásmérés hatásmélysége kb. a tárcsaátmérő másfélszerese (Tompai 2008.), ami 30 cm-es tárcsa esetén 45 cm, így az 55 cm-es rétegvastagság már a mérési tartományon kívül esik. A 30 cm-es és 15 cm-es vastagságban stabilizált (de egyenlő javítóréteg vastagság) szakaszok közti különbséget a dinamikus mérés is kimutatta. A statikus és a dinamikus mérés alapján is megállapítható, hogy a 30 cm stabilizáció + 10 cm-es zúzottkő jobb teherbírást biztosít, mint a 15 cm stabilizáció + 25 cm zúzottkő.

KUAB típusú FWD mérések

FWD mérések a limitált anyagi háttér miatt nem minden szakaszon készültek. A homok altalajú szakaszok esetében a 10 szakaszból 5 szakasznál készültek ilyen mérések, amelyek lefedték a két különböző geoműanyaggal készült szakaszt, a további három mérés a 75kg/m3 középső adagolás mennyiséggel készült különböző vastagságú stabilizált szakaszoknál készültek. A lösz altalajú szakaszok esetében 6 szakasznál készült mérés, szintén a két geoműanyagos szakasznál, valamint a három 75kg/m3 adagolású szakasznál, valamint a kötőanyag-mennyiség összehasonlíthatósága kedvéért egy 100kg/m3 adagolással készült szakasznál is. Összesen 819db mérés készült a próbaszakaszokon.

Az FWD mérések a statikus tárcsás és a könnyűejtősúlyos teherbírásmérésekkel azonos időpontokban készültek, így a trendek is hasonlítanak azon méréseknél meghatározottakra. A geoműanyagokkal erősített szakaszok teherbírása az FWD méréseknél is átlag felére adódott a stabilizált talajból készült szakaszokénál. Továbbá ezen mérésnél is felfedezhető a georács teherbírásnövelő hatása. Bár a mérési eredmények ábrázolásából nem láthatók olyan jól a javulási tendenciák, mint az előző két teherbírásmérésnél, a geoműanyagos szakaszon ezen méréssel is kimutatható volt a kis mértékű javulás, ami a zúzottkő finomszemcsével történt elszennyeződése, kiékelődése vagy a forgalom okozta tömörödéséből adódhat. Javulás volt tapasztalható a stabilizált szakaszoknál is: az 1. hónapos méréseknél magasabb értékeket adtak a 2. hónap után mért értékek, majd további kis mértékű javulás volt tapasztalható a tavaszi mérések során.

A mérőeszköz a méretei miatt olyan módon tudott csak mérni, hogy a próbaszakaszok kerítés felőli nyomsávjában, valamint visszafelé a szembejövő nyomsávban végzett méréseket. Érdekes trendnek tűnik, hogy a különböző nyomsávokat kissé eltérő eredmények jellemezték a mérések során, azonban erre jelenleg még nem tudtunk fizikai magyarázatot adni.

A homok szakaszon készített FWD teherbírásmérés eredményei

A lösz szakaszon végzett mérési eredmények is jó egyezést mutatnak a korábban bemutatott teherbírásmérések eredményeivel, bár a geoműanyagos szakaszokon nem mutatnak olyan mértékű javulást. A mérési eredmények egy tartományba esnek, hasonlóan a statikus tárcsás vagy az ejtősúlyos vizsgálattal, ettől kivétel a 2. hónapnál készült mérés magyarországi nyomsávjában készült eredmények (piros szín), amelyek viszonylag nagy szórást és a trendektől való eltérést mutatnak.

A lösz szakaszon készített FWD teherbírásmérés eredményei

A homok és a lösz talajok szakaszainál a szerb oldali nyomsáv eredményeinél a statikus tárcsás teherbírásmérés és az FWD mérési módszer pontjai viszonylag jó egybeesést mutattak, azonban a magyarországi nyomsávok esetében az FWD mérések önmagukban is nagyobb szórást mutattak és a két mérés eredményei is jelentősebb eltéréseket mutattak. Jelenleg nincs fizikai vagy kémiai magyarázat a két nyomsáv eredményei közötti különbségre. Mindezen eltérésektől függetlenül az FWD-vel mért felületi modulus értéke és a statikus tárcsás teherbírásmérés E2 teherbírás értéke azonos értéktartományban lévő eredményeket szolgáltatott. A mérések szerint a geoműanyagokkal erősített zúzottkő teherbírása E2=~100MPa értékre vehető, míg a stabilizált talajokat az E2=150-250MPa közötti teherbírás jellemzi.

Összefoglalás

A három mérési módszer eredményei alapján elmondható, hogy a geoműanyagokkal erősített zúzottkő pályaszerkezetek esetében közel fele akkora teherbírás volt mérhető, mint a stabilizációval készült szakaszoknál. A geoműanyaggal erősített zúzottkővel készült szakaszok teherbírása E2=70-120MPa volt a homok altalajon, míg E2=50-100MPa volt mérhető a lösz szakaszon. A stabilizációval készült szakaszok esetében a kötőanyag mennyiségétől függően homok talaj esetén E2=150-300MPa értékek, míg lösz esetén E2=150-200MPa teherbírás volt mérhető.

Az FWD és a statikus tárcsás teherbírásmérések eredményei jó egyezést mutattak, ami két tényező miatt is nagy fontossággal bírhat. A dinamikus terhelésből adódó rugalmassági modulus, amit a pályaszerkezet méretezése során szükséges használni, fizikai jellegében megegyezik az FWD mérés felületi modulusával, ami szintén egy dinamikus teher hatására létrejövő alakváltozásból számított. Ilyen módon a korábbi statikus elemeket használó módszerek és a dinamikus módszerekre épülő elméletek mérnöki gyakorlatban bevett értékei, értéktartományai jól átvehetőek vagy összedolgozhatóak. A hasonlóságból eredő másik előny lehet, hogy a nagy idő és eszközigényű (ellensúly) statikus tárcsás teherbírásmérés részben vagy teljesen kiváltható lenne az FWD méréssel, ami földművek esetében is egy sokkal gyorsabb és hatékonyabb eszközt jelentene a minősítésekhez.

Irodalomjegyzék

[1] Dankó B. (2016): Stabilizált talajrétegek teherbírásának vizsgálata és annak pályaszerkezeti rétegekre gyakorolt hatása, MsC diplomamunka Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar

[2] Gáspár L., Karoliny M., Tóth Cs., (2017) Predicting subgrade soil strength using FWD and meteorological time series data; CRC Press - Taylor and Francis Group, 2017. 9 p (ISBN:978-1-138-29595-7)

[3] Pethő L., Primusz P., Tóth Cs., (2016): Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezésének alternatív módszere tervezési útmutató

[4] Primusz P., Tóth Cs., (2016): Alternatív méretezési eljárásokra vonatkozó tanulmány és az alternatív módszerek bevezetését segítő irányelv

[5] Szendefy J. (2009): A hazai talajok szerkezetének és teherbírásának változása meszes talajstabilizáció hatására, Phd dolgozat Budapesti Műszaki És Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar

[6] Szendefy J. (2017): Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezésének alternatív módszere című tervezői utasítás geotechnikai paramétereinek pontosítására

[7] Tompai Z. (2008): Földművek és kötőanyag nélküli alaprétegek teherbírásának és tömörségének ellenőrzése könnyű ejtősúlyos módszerekkel, Phd dolgozat Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar

[8] Tóth Cs., Szentpéteri I., (2014) Klimatikus hatások figyelembevétele a behajlási adatsorok kiértékelése során, Útügyi Lapok: A Közlekedésépítési Szakterület Mérnöki és Tudományos Folyóirata 2014:(4)

[9] Tóth, Cs., Szentpéteri I., (2016) Effect of Precipitation on Load Bearing Capacity of Subgrade, JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE RESEARCH 3:(5) pp. 1447-1455.

[10] József Péterfalvi, Péter Primusz, Gergely Markó, Balázs Kisfaludi, Miklós Kosztka: Evaluation of the Effect of Lime-Stabilized Subgrade on the Performance of an Experimental Road Pavement, CROATIAN JOURNAL OF FOREST ENGINEERING 36: (2) pp. 269-282. 2015

[11] Péterfalvi József, Primusz Péter, Markó Gergely, Kisfaludi Balázs, Kosztka Miklós (2014): Mésszel stabilizált földmű hatásainak vizsgálata egy kísérleti útszakaszon, ERDÉSZETTUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK 4.: (1.) pp. 119-134.

[12] József Péterfalvi, Miklós Kosztka, Gergely Markó, Péter Primusz (2008): Experimental Pavements Built on Cohesive Soil, HUNGARIAN AGRICULTURAL ENGINEERING 21: pp. 53-54.