Útpályaszerkezeti esettanulmányok: A szilárdságtani módszerek és a valóság

1. Bevezetés

Szakmánk nem feltétlenül szereti az elméleti modelleket és a nagy képleteket, amik a modellek működését leírják. A nemszeretem állapot számos ok miatt lehetséges, az egyik, amivel találkoztam is, a bizalmatlanság, ami a működés valódiságát megkérdőjelezi. A viták eldöntésének legjobb módja az adott esetben kétes megbízhatóságúnak tekintett modell vizsgálatokon alapuló igazolása, ebben az írásban ezt kísérlem meg.

2. Elméletek

Az útpályaszerkezetek szilárdságtani méretezéséhez – konkrétan a terhelés hatására létrejövő alakváltozások és feszültségek számítására – ma is gyakran a Boussinesque és Odemark által kifejlesztett eljárásokat használjuk. Ezeket nagyon részletesen ismerteti Dr. Nemesdy Ervin, „Többrétegű útpályaszerkezetek lehajlásának és nyomásának új közelítő számításmódja” (Közlekedéstudományi Szemle, 1986. május) című munkájában, én az abban szereplő megoldás alapján dolgoztam.

3. Rétegráépítés merevségnövelő hatása

Ha egy pályaszerkezetre új réteget építünk, a merevsége megnő, ez egyszerűen azt jelenti, hogy ugyanazon terhelés hatására kisebb – például – a behajlása. Nos, ezt a kézenfekvőnek látszó dolgot empirikusan ugyan lehet tapasztalni, de méretezési célú összefüggéshez az AASHTO vizsgálathoz hasonló léptékű projektre van szükség, egyszerűbb, ha az elméletek igazolását – verifikálását – végezzük el.

3.1. A verifikálás körülményei

Egy gyorsforgalmi út felújításánál adódott az eljárásra jó lehetőség. Az erősítő technológia a meglévő aszfaltszerkezet mélymarása után két réteg aszfalt – kötő és kopóréteg – építése volt, a pályaszint változatlan maradt (csak a haladósávon volt erősítés). A szakasz egy részén – kutatási céllal – FWD behajlásmérések történtek, a megerősítés előtt, a mélymarás, majd a két aszfaltréteg építése után. Az elkészült rétegekből fúrt minták készültek és megállapították ITCY eljárással az egyes rétegek rugalmassági modulusát.

3.2. Mért egyenértékű felületi modulusok

Az FWD behajlásokból normalizálás és hőmérsékleti korrekció után Boussinesque alapján meghatároztam minden mérési ponton az egyenértékű felületi modulus értékeket, ezt nevezem mért merevségnek. A három méréssorozat eredményeit az 1. ábrán mutatom be. Tanulmányozva a mintázatot, a következő megállapítások tehetők:

• a különböző fázisok merevségei logikusan alakulnak (meglévőnél kisebb a marás után, a visszaépítés merevsége pedig nagyobb, mint az eredeti merevség).
• ez utóbbi külön kiemelendő, mert azt mutatja, hogy a pályaszint változatlanul hagyása mellett is elképzelhető az erősítés

3.3. Kitérő, metrológiai megfontolások

Világosan kell látni, hogy az ilyen jellegű összehasonlítások esetében különböző idő/körülmény helyzetekben a behajlásméréseket azonos ponton kell végrehajtani, metrológiailag így korrekt. Jelen esetben a mérések szelvénye azonos volt (keresztirányban lehetett eltérés, de a későbbi eredmények ismeretében ennek nem volt nagy a jelentősége).

3.4. Az erősítő hatás elemzése, elmélet – gyakorlat

Az 1. ábrán látható a mélymarás után a visszaépítés merevségnövelő hatása. Vizsgáljuk most meg, hogy a visszaépítés elméleti merevségnövelő hatása milyen kapcsolatban van a mérésből meghatározható merevségnövekedéssel.
Odemark eljárásával egy ismert egyenértékű felületi modulussal rendelkező felület esetében, a ráépítés anyagának modulusa és a vastagság ismeretében számítható a ráépítés utáni egyenértékű felületi modulus. Jelen esetben az erősítő vastagság 145 mm, az erősítő réteg (aszfalt) egyenértékű modulusa 6500 MPa, utóbbi értéket a fúrt minták hasításvizsgálatából nyertem. A számításhoz a marás utáni behajlásokból számított egyenértékű felületi modulus érték lett felhasználva. Megjegyzendő, hogy természetesen a kötőréteg és a kopóréteg modulusa különböző, Odemark eljárása ennek figyelembevételére ad lehetőséget. Hipotézisünk szerint a két merevséghalmaz azonos, ezt statisztikai módszerekkel lehet vizsgálni.
Számos eljárás ismeretes én egy viszonylag egyszerűt használok, meghatározom a halmazok kellő sűrűségű percentiliseit (százalékosztály) és ennek a két halmaznak keresem a kapcsolatát. Az eljárás – gyakorlatilag – az eloszlásfüggvények alaki összehasonlításával ekvivalens, a táblázatkezelő (excell) pedig könnyen számol. A kapcsolatot a 2. ábrán láthatjuk.

Megvizsgálva a diagramot a következő megállapítások tehetők:

• a kapcsolat trendje gyakorlatilag a két értéksor azonosságát mutatja
• a kapcsolat szorossága kiválónak mondható, a táblázatkezelő R² értéke a korrelációs együttható négyzete, ez gyakorlatilag 1 – nek mondható.

Összefoglalva megállapítható, hogy Boussinesque és Odemark „jó munkát” végzett, elméleteik mérések segítségével kiváló eredménnyel verifikálhatók.

4. Rétegeltávolítás merevségcsökkentő hatása

A rétegeltávolításból következő merevségcsökkenés problémája nagyon is fontos és valós. Pályaszerkezet felújítási gyakorlatunkban nagyon gyakori szituáció az, hogy a meglévő aszfaltrétegek valamilyen hibája miatt valamennyit el kell távolítani. Jelenlegi megerősítési gyakorlatunkban ilyenkor egy „pótlás” van betervezve, majd ennek felületére az eredeti felszínen mért behajlásból nyert „szükséges” erősítő aszfaltréteg kerül. Az eljárás egyrészt szakmailag alacsony nívójú, másrészt – lásd az 1. ábrát -pazarló, ezért célszerű az „elmélet” segítségét kérni.

4.1. Az Elméleti megoldás

A problémára megoldást adnak a különböző „vissza – számoló” szoftverek, de ezek elég bonyolultak a konkrét feladathoz. Meglepő, kevesek által ismert az, hogy Odemark eljárása, amit az előzőkben használtunk, képes negatív vastagságnöveléssel is számolni (azaz a merevség csökkenését is értelmezi) de ismerni kell az eltávolítandó réteg modulusát, ez a gyakorlatban ritkaság.
A gyakorlat számára kidolgoztam egy módszert, amit a Magyar Közút Zrt – Magyar Útügyi Társaság „Fenntartható utak.” című projektjében lehet tanulmányozni (Kézirat, 2013). A módszer az FWD – vel mért központi és a 300 mm távolságban mért behajláson alapszik, a verifikálásnál lényegében ez a képlet vizsgázik.

4.2. A Verifikálás körülményei

Az eljárás körülményei azonosak az előzőével.

4.3. A merevségcsökkenés hatása, elemzés

Az 1. ábrán jól látható, hogy a kiinduló merevség a mélymarás után hogyan csökken. Vizsgáljuk meg először a marás után mért behajlásból számított és az említett képlettel meghatározott merevségek kapcsolatát a 3. ábrán, a következő megállapítások tehetők:

• a kapcsolat trendje a teljes azonosság vonalát mutatja
• a kapcsolat szorossága kb. 0,9 körüli korrelációs együtthatóval nagyon is kielégítő

Nem szaporítva a szót, kijelenthető, hogy a merevségcsökkentés esetében is az „elméleti” úton nyerhető értékek azonosak a mérésből származtatható értékekkel.

5. Mellékhozam

Az FWD eredmények feldolgozásánál hőmérsékleti korrekciót alkalmaztam, amelyet Harri Spoof, Sami Petäjä & Antti Ruotoistenmäki: Pudotuspainolaitemittaus 2000. TPPT Menetelmäkuvaus hivatkozás alapján a már idézett Magyar Közút – Magyar Útügyi Társaság anyagban is felhasználtuk. A verifikáció minden bizonnyal nem lett volna sikeres, ha ez a korrekciós eljárás nem lenne jó, ez azért is érdekes, mert viszonylag hűvösebb körülmények között dolgozták ki. Így, mintegy mellékhozamként, alkalmazásra megfelelőként javaslom bevezetni.

6. Összefoglaló

Jelen esetben megállapítható, hogy pályaszerkezeteink merevséggel összefüggő számításainál egyrészt a már említett, másrészt a speciális célokra fejlesztett más, merevségmeghatározó eljárások (amelyek számítási eredményei jellemzően kiválóan egyeznek az „eredeti” eljárásokkal) számításaink során eredményesen használhatók.