https://doi.org/10.36246/UL.2023.1.02
2023; 11. évfolyam, 17. szám
Bevezetés
Világszerte az elmúlt évtizedekben jelentős mértékben fejlődött az aszfalt pályaszerkezetek méretezése, valamint annak terhek hatására történő viselkedésének feltérképezése. Magyarországon az útpályaszerkezet-méretezés és -megerősítés területén a kilencvenes évek elején lezajlott korszerűsítés óta érdemi változás nem történt, a technológiai fejlődést nem követte le [8] [11].
Ezt a fejlődést leginkább a modern szoftvereknek köszönhetjük. Ezek lehetővé tették, hogy a tervezett pályaszerkezetek szilárdságtani tulajdonságaiból, valamint a rájuk ható terhekből meghatározzuk a legjellemzőbb tönkremeneteli lehetőségeket [8].
Habár ezeket a szilárdságtani alapokat a Magyarországon jelenleg is érvényben lévő, e-ÚT 06.03.13 nevű Útügyi Műszaki Előírás is tartalmazza, az esetleges alkalmazandó pályaszerkezet meghatározására csupán típus-pályaszerkezetek állnak rendelkezésre [8].
Anyag és módszer
- Tervezési forgalom meghatározása
Az útszakaszra vonatkozó becsült forgalom nagysága 240 Et/nap, mely adat tartalmazza a forgalomfejlődési szorzószámot és mellyel a Tervezési forgalom nagysága:
\[ TF=1,25\ast1,50\ast365\ast15\ast0.5\ast1\ast240=1.231.875\ Et\ \]
A kapott tervezési forgalom a „D”, tehát a nehéz terhelési osztályba tartozik, amely a fokozott igénybevételi kategóriába esik [3].
- Típus-pályaszerkezet megválasztása
A korábban meghatározott terhelési osztályt, valamint az igénybevételi kategóriákat felhasználva határozhatjuk meg a szükséges aszfalt vastagságot a választott burkolatalap függvényében. Útalapnak a folytonos szemmegoszlású zúzottkövet (FZKA) választottam, amelyhez szükséges aszfaltvastagság 180 mm [3]. Ezek ismeretében a választott három rétegű aszfalt pályaszerkezet rétegek a következők [4]:
- 4 cm AC 11 kopó (mF) PmB 25/55-65,
- 6 cm AC 16 kötő (mF) PmB 25/55-65,
- 8 cm AC 22 alap (mF) PmB 25/55-65,
- 20 cm FZKA 0/63 Trr ≥ 96 %, E2 ≥ 160 MN/m2,
- 25 cm jó minőségű (M-2), fagyálló (X-1) és legalább jó vízvezető (V-2) földműanyag (Trr ≥ 97 %, felső szintjén E2 ≥ 80 MPa),
- 25 cm jó minőségű (M-2) fagyálló (X-1) földműanyag (Trr ≥ 97 %, felső szintjén E2 ≥ 60 MPa),
- 50 cm (M-2) földműanyag (Trr ≥ 95 %, felső szintjén E2 ≥ 40 MPa).
Az altalaj javítására szolgáló M-2 minőségű földműrétegek, valamint az ahhoz tartozó talajfizikai paraméterek meghatározása a Nemzeti Infrastruktúra Fejlesztő Zrt. által kiadott műszaki tartalmak megfelelőségének ellenőrzésére szolgáló kiadvány szerint lett kialakítva.
Jól látható, hogy ebben a tervezési esetben a szükséges mennyiségű altalaj eltávolítása miatt a 40 MN/m2-es minimális modulus többlettel biztosított, ettől függetlenül az úttükör feletti pályaszerkezeti rétegrendek az e-ÚT 06.03.13 szerinti aszfalt pályaszerkezet méretezése nem veszi ezt figyelembe, nem használja ki az erősített altalaj többlet teherbírását.
- Alternatív méretezés bemutatása
Ezt a méretezési eljárást ugyanazon a tervezési eseten fogom bemutatni, mint a jelenleg érvényben lévőt, hogy szemléletes legyen a kettő közti különbség. A méretezés alatt ugyan azokat a talaj modulusokat fogom felhasználni, melyek a talajvizsgálati jelentés taglal. A méretezéshez szükséges számításokat a WESLEA nevű segédszoftverrel fogom meghatározni.
Mivel az 1 m mély helyszíni talajcsere miatt az úttükörre vonatkozó E2m értéket 80 MN/m2-re meg tudtam növelni, a méretezés javítóréteg tervezési részére nincs szükség a továbbiakban.
A talaj teherbíró képessége ez esetben dinamikus modulus értékeken alapul, így a 80 MN/m2 statikus értéknek dinamikus megfeleltetése szükséges (1. táblázat), így 110 MN/m2 értékre kell felvenni.
| E2 (MPa) | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 120 | 150 |
| Edin (MPa) | 50 | 65 | 80 | 95 | 110 | 125 | 140 | 170 | 220 |
- FZKA alapréteg vastagságának meghatározása
Az útalap tekintetében a másik példához hasonlóan a folytonos szemmegoszlású zúzottkő alapot (FZKA) választottam. Az alapréteg vastagsága függ a korábban meghatározott Emdin értéktől, valamint az FZKA alapréteget minimum 100 mm vastagságban biztosítani kell. Ezek figyelembevételével határoztam meg az útalap szükséges vastagságát.
 |
Ahogy láthatjuk (1. ábra), a 110 MN/m2-es úttükörszinti modulus mellett 20 cm FZKA alapréteg alkalmazása esetén közelítőleg 350 MN/m2 saját modulussal rendelkezik. Az altalaj elnedvesedés okozta felnyomódás veszélye ez esetben biztosítva van az 1 m-es megfelelő földműanyag alkalmazásával.
- Aszfalt rétegrend meghatározása
A különböző aszfaltburkolati rétegek a háromrétegű pályaszerkezeti modell számítás alkalmazhatósága érdekében súlyfüggvény segítségével egy réteggé vonandók össze [10.]. A számításokban a 2. táblázatban található aszfalt rétegekhez tartozó modulusokat használtam:
| Aszfalt réteg | Egyenértékű aszfalt modulus [MPa] 20°C | Poisson-tényező |
| kopó | 4000 | 0.35 |
| kötő | 5800 | 0.35 |
| alap | 4500 | 0.35 |
Két aszfaltréteg összevont modulusa egyenlő az alsó réteg modulusával, vastagsága pedig a Pronk (1986) féle összefüggés szerint számítható [10]:
\[ TE_a=\ E_{a2} \]
\[ H_a=\ \left[\frac{A^4+4A^3N+6A^2N+4AN+N^2}{\left(A+1\right)^3\left(A+N\right)}\right]^\frac{1}{3}\ast\ \left(H_{a1}+H_{a2}\right) \]
ahol:
\( A=\ \frac{H_{a2}}{H_{a1}} \) és \( N=\ \frac{E_{a1}}{E_{a2}} \)
1 – 2. réteg összevonása:
\[ H_{a1-2}=\ \left[\frac{{\frac{6}{4}}^4+4\ast{\frac{6}{4}}^3\ast\frac{20}{29}+6\ast{\frac{6}{4}}^2\ast\frac{20}{29}+4\ast\frac{6}{4}\ast\frac{20}{29}+{\frac{20}{29}}^2}{\left(\frac{6}{4}+1\right)^3\ast\left(\frac{6}{4}+\frac{20}{29}\right)}\right]^\frac{1}{3}\ast\left(4+6\right)=9,39\ cm \]
A következő lépésben az előzőekben kapott vastagságot vonom össze a 3. réteg vastagságával.
- 2 – 3. réteg összevonása:
\[ H_{a2-3}=\ \left[\frac{{\frac{8}{9.39}}^4+4\ast{\frac{8}{9.39}}^3\ast\frac{58}{45}+6\ast{\frac{8}{9.39}}^2\ast\frac{58}{45}+4\ast\frac{8}{9.39}\ast\frac{58}{45}+{\frac{58}{45}}^2}{\left(\frac{8}{9.39}+1\right)^3\ast\left(\frac{8}{9.39}+\frac{58}{45}\right)}\right]^\frac{1}{3}\ast\left(9.39+8\right)=18,12\ cm \]
Az összevont aszfaltrétegek a modellszámításban figyelembe veendő paraméterei:
- Ea = 4500 MPa
- Ha = 18,12 cm
- Határigénybevétel meghatározása
A pályaszerkezet fáradási tulajdonságai közül a mértékadó az együtt dolgozó aszfaltrétegek alatti húzási nyúlás ( ), valamint a földmű feletti összenyomódási érték ( [10]. A tervezési forgalmi értékünk ez esetben 1.231.875 Et.
\[ \varepsilon_{eng}^{aszfalt}=\left(\frac{F}{SF\ast a}\ast T\ F\right)^\frac{1}{k}=\left(\frac{2.5}{1500\ast2,8283}\ast1.231.875\right)^\frac{1}{-4,194}=208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{eng}^{földmű}=\frac{6000} {TF^{0.23}} =\frac{6000} {1231875^{0.23}} =238 mikrostrain \]
Alkalmazva a számolt 20 cm-es FZKA burkolatalapot, és a hozzá tartozó 350 MN/m2-es teherbírást (1. ábra), a számolt igénybevételek a következőképpen alakultak a WESLEA-vel számolva az összevont aszfalt réteggel (3. és 4. ábra):
 |
 |
 |
\[ \varepsilon_{mértékadó, 1}^{aszfalt} =245.8 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 1}^{földmű} =403.1 mikrostrain \]
Ahogy látható, az aszfalt alatti nyúlás értéke, valamint a földmű feletti összenyomódás is nagyobb a határfeszültségnél, tehát a rétegrendet át kell tervezni. Annak érdekében, hogy a meghatározott határigénybevételek alá essenek a számított fajlagos alakváltozások, az FZKA burkolatalapot lecseréltem 15 cm vastag hidraulikus kötőanyagú alaprétegre, melyhez 2000 MPa rugalmassági modulus érték, valamint 0,25 értékű Poisson-tényezőt vettem figyelembe. A számítás újbóli elvégzését követően a pályaszerkezet megfelelő. A következő eredményeket kaptam:
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =196,6 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =120,6 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
Ha a pályaszerkezet aszfalt rétegeit úgy veszem figyelembe, hogy mindegyik réteg minimálisan alkalmazandó vastagságát alkalmazom, akkor az összevont aszfalt vastagsága 15.60 cm, modulus értéke az előző értéknek megfelelően 4500 MPa. A következő eredményeket kaptam:
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =228,5 mikrostrain ≥ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =153,3 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
- Megfelelő pályaszerkezet kialakítása
- Hidraulikus kötőanyagú stabilizációs alapréteg alkalmazása
Láthatjuk, hogy az aszfaltréteg alatti relatív nyúlás értéke nem felel meg a határfeszültségünknek, az összenyomódási érték megfelelő. Minél jobban próbálunk közelíteni a határfeszültséghez látszik, hogy a 17 cm vastagságú aszfaltréteg felel meg a határ követelménynek.
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =208 mikrostrain = \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =132,3 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
Ez teljes mértékben megegyezik a UME szerinti, 15 cm vastag hidraulikus kötőrétegű burkolatalapra alkalmazandó aszfaltréteg vastagságával. Az egyetlen különbség az, hogy az 1 méter vastag talajcseréből következő altalaj modulus értéke 80 MN/m2. Ez azt jelenti, hogy ha a tervezési területen a tervező számára az altalaj biztosít 80 MN/m2-es modulus értéket, akkor az aszfalt réteg típusokra meghatározott minimális vastagság alkalmazása is elegendő a határfeszültségek megfelelésének. Ha ugyanezt a pályaszerkezetet 40 MN/m2 modulusértékkel veszem figyelembe, amit az említett műszaki előírás is megkövetel, a fajlagos alakváltozás már meghaladja a megengedett értéket:
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =235,7 mikrostrain ≥ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =140,0 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
Mivel az aszfaltrétegek összevonásánál az alternatív méretezési eljárás az összes aszfalt típus réteget kvázi ugyan olyannak tekinti, vagyis nem tesz különbséget két különböző kopóréteg mechanikai tulajdonságai között, ez a feltételezés az összes olyan rétegre igaz, mely megfelel a terhelési osztálynak, valamint az igénybevételi kategóriának. Ebből következően a megállapításom az, hogy a hatályban lévő műszaki előírás által meghatározott 40 MN/m2 altalajhoz tartozó modulus érték nem elegendő az esetben, ha a tervező az előírásban meghatározott minimális vastagságot szeretné alkalmazni. Kijelentésem az eddigieket ismertetve kizárólag a hidraulikusan stabilizált alaprétegre vonatkozik.
A további kettő féle pályaszerkezet kialakítást a következőkben fogom ismertetni.
o Teljes aszfalt pályaszerkezet alkalmazása
Az aszfalt alaprétegre vonatkozó modulus érték 4500 MPa, Poisson-tényezője 0,35. Ez esetben a kopó, valamint a kötő réteget is a legminimálisabb vastagsággal beépíthető rétegfajtát választottam, mely a kopóréteg esetén az AC 8 kopó 2,5 cm vastagságban, kötőrétegben pedig az AC 16 kötő 5,0 cm vastagságban. A terhelési osztálynak és az igénybevételi kategóriának megfelelően 21 cm aszfalt vastagságot alkalmaztam. A fennmaradt rész AC 32 típusú alapréteg 13,5 cm vastagságban, mely egyenértékű az aszfalt alaprétegre vonatkozó paraméterekkel.
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =167,27 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =186,81 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
Ez a pályaszerkezet megfelel a határértékeknek, ha ráadásul a 40 MN/m2-es altalaj modulust alkalmazom, a pályaszerkezet szintén megfelel:
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =199,58 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =219,19 mikrostrain ≤ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
- Kötőanyag nélküli szemcsés alapréteg alkalmazása
Ahogy láthatjuk, az FZKA modulus értékei jelentősen alacsonyabbak, mint akár az aszfalt, akár a cementes kötőanyagú burkolat alapok esetében. Az UME által meghatározott 20 cm vastag burkolatalapra a forgalmi terhelési osztályunk esetében 18 cm aszfalt burkolatra van szükségünk. Maradva az előző példánál, a legminimálisabb vastagságokat alkalmazzuk. AC 8 kopó 2,5 cm, AC 16 kötő 5,0 cm, valamint a fennmaradó 10,5 cm AC 32 aszfalt alaprétegből épül fel.
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{aszfalt} =212,9 mikrostrain ≥ \varepsilon_{eng}^{aszfalt} =208 mikrostrain \]
\[ \varepsilon_{mértékadó, 2}^{földmű} =396,2 mikrostrain ≥ \varepsilon_{eng}^{földmű} =238 mikrostrain \]
Ahogy a példa elején is láthattuk, az FZKA alapréteg az alacsony saját modulusából adódóan közel nem teljesíti az elvárt teherbírást 80 MN/m2-es altalaj E2 modulussal sem. Ahhoz, hogy a pályaszerkezet szilárdsága megfeleljen, minimum 50 cm-ben kell alkalmazni, ami gazdasági szempontok miatt nem ajánlott.
Összefoglalás
Az analitikus számításokban láthattuk, hogy a típus-pályaszerkezetek rétegvastagságai a műszaki előírás által ajánlott és betartandó altalaj modulus mellett nem feleltek meg ennek az alternatív méretezési eljárásnak, kivéve a teljes aszfaltburkolatú pályaszerkezetek. A bemutatott mintapélda egy változat arra nézve, hogy a helyi altalaj, valamint a javítóréteg gondos megtervezése jelentősen tud javítani a pályaszerkezet teherbíróképességén, élettartamán. A gyakorlatban gyakran előfordul, hogy a kiszámított forgalmi terhelési osztályhoz gazdaságossági okokból a lehető legminimálisabb aszfalt rétegeket alkalmazzuk, hiszen azok így is megfelelnek az Útügyi Műszaki Előírásnak. A számítások viszont azt mutatják, hogy ezek a rétegvastagságok a tervezési élettartam előtti anyag elfáradáshoz vezethetnek. A számításaim szerint, amennyiben az egyes építőanyagokhoz meghatározott mechanikai paraméterek (rugalmassági modulus, Poisson-tényező), valamint az alternatív pályaszerkezet méretezésben meghatározott diagrammok valósan mutatják be az anyagok viselkedéseit, az egyes beépítési vastagsághoz vélhetően tartozó saját modulus értékeket, akkor a csupán kötőanyag nélküli burkolatalapokat alkalmazó pályaszerkezetek nagyságrendekkel a várható élettartam alatt fog teljesíteni, jóval korábban feltűnhetnek az anyagfáradás jelei. Mindazonáltal hozzá kell tenni, hogy a pályaszerkezet méretezés kiindulási paraméterét jelentő tervezési forgalom (TF) pontos és reprezentatív meghatározása a mai napig nagyon nehéz, nagyfokú hibafaktort hordoz magában.
Irodalomjegyzék
[1]: 02.01.21, e.-U., 2009. Országos közutak keresztmetszeti forgalmának számlálása és a fogalom nagyságának meghatározása, Budapest: Magyar Útügyi Társaság.
[2]: 02.01.31, e.-U., 2005. Közutak távlati forgalmának meghatározása előrevetítő módszerrel, Budapest: Magyar Útügyi Társaság.
[3]: 06.03.13, e.-U., 2005. Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezése és megerősítése, Budapest: Magyar Útügyi Társaság.
[4]: 06.03.21:2018, e.-U., 2018. Útpályaszerkezetek aszfaltburkolati rétegeinek követelményei, Budapest: Magyar Útügyi Társaság.
[5]: MSZ 2509/3-1989: Útpályaszerezetek teherbíró képességének vizsgálata, Tárcsás vizsgálat, Budapest, ismeretlen szerző.
[6]: Fi, I., Bocz, P., Pethő, L. & Tóth, Cs. 2012. Útburkolatok méretezése. Budapest: Terc kft.
[7]: Bocz, P. 2009. Az aszfaltkeverékek mechanikai paramétereinek és a pályaszerkezet fáradási élettartamának összefüggései. PhD. értekezés, Budapest: BME Út és Vasútépítési Tanszék. ISBN: 978 963 9968 34 9.
[8]: Primusz, P. & Tóth, C. 2018. Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek egyszerűsített analitikus méretezése. Közlekedéstudományi Szemle, 68 (5). pp. 17-33.
[9]: Soós, Z. 2016. A forgalomfejlődés becslésének pontossága a valós forgalom tükrében. Közlekedéstudományi Szemle, (65): 5, pp. 28-39.
[10]: Primusz, P. & Tóth, Cs. 2021. Hajlékony útpályaszerkezetek méretezése. Budapest: MAKADÁM 2000 Kft.
[11]: Primusz, P. & Tóth, Cs. 2020. Az egyedi pályaszerkezet-méretezésben rejlő gyakorlati előnyök. Az Aszfalt, (27), pp. 13–19.
[12]: Gribovszki, Z., Kalicz, P., Herceg, A. & Primusz, P. 2020. A klimatikus jellemzők hatásai az útpályaszerkezetre. Útügyi Lapok, (8), 1–16. https://doi.org/10.36246/UL.2020.1.01
[13]: 06.03.53:2018, e-U., Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú burkolatalapok, Budapest: Magyar Útügyi Társaság.
Erre a szövegre így hivatkozhat:
Juhász Gábor: Aszfalt útpályaszerkezet alternatív méretezésének bemutatása és összehasonlítása az útügyi műszaki előírás szerintivel, 2023, DOI: 10.36246/UL.2023.1.02