A cikk szerzője:

Dr. habil. Gálos Miklós nyugalmazott egyetemi tanár
BME

Orosz Ákos PhD-hallgató
BME

Ágyazati kőanyagok viselkedésének vizsgálata ismételt terhelés hatására

A vasúti pálya zúzottkő ágyazatát a szerelvények áthaladása során ismétlődő terhelés éri. Az igénybevételeket a vasúti alj alatti kőgerenda veszi fel. A tanulmányban olyan kísérleti és szimulációs módszert mutatunk be, amely a valós terhelésekhez hasonlóan, ismétlődő nyomóerőt fejt ki a mozsárba helyezett zúzottkő halmazra. A halmaz viselkedését a különböző szemalakú szemcsék jelenléte szerint az erő–összenyomódás függvénykapcsolat és a szemszerkezet változása szempontjából vizsgáltuk. Részletezzük továbbá, hogyan lehet a hosszú és költséges vizsgálatok számát csökkenteni a diszkrét elemes számítógépes szimulációs módszer alkalmazásával.

A zúzottkő ágyazat és ezen belül a keresztaljak alatti kőgerenda viselkedését a szemcsehalmaz anyagszerkezeti tulajdonságai határozzák meg. Az alj alatti kőgerendákban a külső erők hatására a szemcsék átrendeződése, befeszülése, aprózódása jön létre. Ennek következtében a kőgerendák teherviselő képessége megváltozik, romlik. A vasúti zúzottkő ágyazatot érő hatások közül első helyen a forgalmi terhelésből származó igénybevételek szerepelnek. A forgalmi terhelésekből származó igénybevételek mellett a zúzottkő ágyazatot más hatások is érik. Ilyen például az időjárási hatásokból, az ágyazat rendezésénél a gépi aláverés során a kőanyag aprózódásából származó hatások, valamint a nagy finomszemcse-tartalmú anyagoknak az alépítményből bekövetkező felnyomódásának (felpumpálódásának) szennyező hatása, a szállított árukból lehulló anyagok szennyező hatása stb.
A vasúti pályaszerkezet feladata a vasúti járművek vezetése és alátámasztása, így a többi között a járművek terheinek felvétele, szétosztása, illetve továbbítása a földműre. A vasúti pályaszerkezet felső része a vasúti vágányrács, amelyet megfelelő rugalmassággal és szilárdsággal rendelkező ágyazat fog közre és támaszt alá (1. ábra). A klasszikus vasúti felépítmény – sínek, sínleerősítések, keresztaljak, zúzottkő ágyazat – egyik nagyon fontos eleme a zúzottkő ágyazat, amelynek elsődleges funkciója, hogy – teherhordó szerkezetként – az aljakról átadódó nyomást szétosztva juttassa tovább az alépítmény felületére. A zúzottkő ágyazat további feladata, hogy megfelelő ellenállást adjon a vágány hossz- és keresztirányú mozgásaival szemben, biztosítsa a vasúti vágány irány- és fekszín állapotát, valamint a csapadékvizek megfelelő elvezetését.
Az ágyazat meghatározó részei az aljak alatti kőgerendák, melyek kőzetanyaga a terheléseket és hatásokat közvetlenül viselik. Az 1. ábrán a teherviselés szempontjából kiemelten fontos kőgerendákat méretük megadásával, és a kőgerendában lévő kőszemcsék darabszámának megadásával szemléltetjük.

1. ábra. Ágyazati kőgerenda a vasúti pálya felépítményében1. ábra. Ágyazati kőgerenda a vasúti pálya felépítményében

Az ágyazati kőgerendával kapcsolatos kutatást megalapozták annak a kutatási munkának az eredményei, melyet „Vasúti ágyazati anyag entrópia tulajdonságainak és azok energia szemléletű hatásainak vizsgálata az MSZ EN 13450:2003 számú szabvány rendjében” című K + F projektalap/INNOVÁCIÓ keretében a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék, illetve az egyetemi átszervezések után a BME Építőanyagok és Magasépítés Tanszék munkatársai végeztek [1], [2], [3]. A kutatási munka során a kőzettani, kőzetfizikai, felületi és szemszerkezeti tulajdonságokat külön-külön tulajdonságcsoportként kezeltük annak ellenére, hogy ezek a tulajdonságok mind-mind a kőzetfizika fogalomkörébe tartoznak.

2. ábra. Az ismételt terheléses vizsgálati elrendezés2. ábra. Az ismételt terheléses vizsgálati elrendezés
A kutatási munka során vizsgáltuk az ágyazati kőgerenda viselkedését statikus és dinamikus hatások figyelembevételével. A vizsgálatok kiterjedtek az ágyazati kőgerenda viselkedésének számítógépes modellezésére, így a viselkedés szimulációjára. Az ismételt terheléses vizsgálatra is jó lehetőséget teremtett a számítógépes szimuláció. Az anyagszerkezeti kontinui­tás a háromfázisú kőzetmodell szemléleti rendjében biztosítja a kőgerenda viselkedésének értékelését. A kőgerendát érő hatásokra bekövetkező változásokat a kőgerendának mint kőhalmaznak a szemszerkezeti és a halmazt alkotó szemcsék szemalakjának változásával tudjuk vizsgálni. A tulajdonságváltozások a teljes halmazra vonatkoznak, és így tudjuk figyelembe venni a halmazt alkotó szemcsék közötti kölcsönhatást. A diszkrét elemes számítógépes szimuláció lehetőséget teremt arra, hogy a halmazban a szemcsék viselkedését virtuálisan követni tudjuk, hiszen a halmaz egészének vizsgálatát nagyban befolyásolja az egyes szemcsék viselkedése. A diszkrét elemek módszerének (DEM) segítségével lehetőség nyílik a szemalak figyelembevételére és a számítógépes modell fizikai paramétereinek meghatározására.
Az ágyazatot alkotó zúzottköveket alakjuk alapján két csoportba soroljuk: zömök (kubikus) és lemezes szemalakú szemcsékre. A zömök szemeknek nagyobb a teherbírásuk, mint a lemezes szemeknek, viszont utóbbiak fontos szerepet játszanak az ágyazat kiékelődésében. Ez azt eredményezi, hogy a zömök és lemezes szemek számának egymáshoz viszonyítva létezik egy optimális aránya, amely mellett a halmaz terhelhetősége a legnagyobb.

Laboratóriumi vizsgálat ismételt terheléssel

A vizsgálat módszere

Az ismételt terheléses vizsgálathoz a vizsgálat céljának megfelelően vizsgálati tervet állítottunk össze, mely egyben a számítógépes program validálását is biztosítja, a program futtatásához szükséges anyagszerkezeti tulajdonságok meghatározásával. Az ismételt terheléses vizsgálatokat a zömök (LZ), az eredeti (LE) és a lemezes (LL) szemalakú részmintákra végeztük el, felvéve a lüktető terhelés hatására bekövetkező ciklusonkénti összenyomódást és az összenyomódás időbeni változását, valamint az ismételt terhelés hatását elszenvedett halmaz szemszerkezetének minősítő értékét (Mi) [4].
A vizsgálathoz használt kőzetanyag a KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft. komlói bányaüzeméből származó NZ 20/32 mm szemnagyságú andezit volt.
A vizsgálatokat vastag falú acélmozsár­ban (d = 170 mm, A = 226,87 cm2), INSTRON univerzális nyomógéppel (Típ.: 5989 L 1217) végeztük max. 50 kN és min. 3 kN közötti lüktető terheléssel. A vizsgálatoknál N = 10, 20 és 30 ismét­lési számot alkalmaztunk.

A vizsgálatok eredményei

3. ábra. Zömök szemalakú szemcséken (LZ) végzett mérések eredményei3. ábra. Zömök szemalakú szemcséken (LZ) végzett mérések eredményei
4. ábra. Az eredeti mintán (LE) végzett mérések eredményei4. ábra. Az eredeti mintán (LE) végzett mérések eredményei

A cikk folytatódik, lapozás:1234Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] Dr. Gálos M., Kárpáti L., Szekeres D.: Ágyazati kőanyagok. Kutatás és vizsgálatok (1. rész). Sínek Világa, 2010/6, 2–9. o.
  • [2] Dr. Gálos M., Kárpáti L., Szekeres D.: Ágyazati kőanyagok. A kutatás eredményei (2. rész). Sínek Világa, 2011/1, 6–12. o.
  • [3] Dr. Gálos M., Kárpáti L., Szekeres D.: Ágyazati kőanyagok. A kutatás eredmé­nyeinek hasznosítása (3. rész). Sínek Világa, 2011/2, 2–5. o.
  • [4] Dr. Gálos M., dr. Szabó J., Szekeres D.: Zúzottkő ágyazat viselkedésének meg­ítélése szemszerkezeti tulajdonságai alapján. Sínek Világa, 2016/4, 15–20. o.
  • [5] Cundall, P.A. and Strack, O.D.L.: A disc­rete numerical model for granular assemblies. Géotechnique (1979) Vol. 29, No. 1, pp. 47–65.
  • [6] Bagi Katalin: A diszkrét elemek módszere. BME Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék, 2007.
  • [7] Šmilauer, V. et al.: Yade Documen­ta­tion 2nd ed. The Yade Project. DOI 10.5281/zenodo.34073 (http://yade-dem.org/doc/), 2015.
  • [8] Eliáš, J.: Simulation of railway ballast using crushable polyhedral particles. Powder Technology, (2014) Vol. 264, pp. 458–465.
  • [9] Asahina, D. and J.E. Bolander: Voronoi-based discretizations for fracture analysis of particulate materials. Powder Technology (2011) Vol. 213, pp. 92–99.
  • [10] Dr. Gálos M., Orosz Á., dr. Rádics J. P., dr. Tamás K.: Diszkrét elemes számítógépes módszer a vasúti zúzottkő ágyazat viselkedésének modellezésére. Sínek Világa, 2017/5, 22–28. o.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2019 / 1. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©