Bevezetés

Az eltérő alátámasztási merevségű vasúti pályaszakaszok (pl. híd és folyópálya, alagút és folyópálya) csatlakozásánál gyakori jellegzetes hiba az al- és a felépítményben kialakuló süllyedési teknő. A merevség hirtelen változása impulzusszerű dinamikus terheléseket gerjeszt, amelyek nem megfelelő szerkezeti kialakítás esetén a pályaszerkezetben maradó deformációkat okoznak. A viselkedést befolyásoló tényezők részben külső hatásból erednek (pl. vasúti járművek sebessége és tengelyterhelése, időjárási viszonyok, vibráció), részben geotechnikai eredetűek (pl. alépítmény- és altalajviszonyok, töltésmagasság), részben szerkezeti okokra (pl. híd statikai rendszere, a hídfő típusa, kölcsönhatás a vasúti vágány és a híd között), illetve vasúttervezési okokra (pl. gyenge vágányalátámasztási merevség és csillapítási képesség) vezethetők vissza. A kiváltó okok összetettsége komplex geotechnikai és pályaszerkezeti szemléletet, valamint a híd szerkezeti kialakításának figyelembevételét teszi szükségessé.
A helyes kialakítás megtervezése és kivitelezése két lépésben történik. Először a csatlakozó folyópálya alépítményében kell geotechnikai módszerekkel a terhek alatti süllyedések nagyságát megfelelő mértékűre csökkenteni és az elfogadhatónál nagyobb deformációkat megelőzni, majd az ágyazat alatt így kiadódott alátámasztási körülményekhez alkalmazkodóan kell a felépítmény szerkezeti kialakítását meghatározni.
A csatlakozás és környezete kialakításával kapcsolatosan az alábbi általános követelmények fogalmazhatók meg:

• Új építéseknél, átépítéseknél meg kell előzni, illetve esetleges kialakulásukat követően kezelni kell tudni a hídfők környezetében kialakuló nagy süllyedéskülönbségeket. A különbségek oka az is lehet, hogy ütemében és mértékében eltérő a hídfő alapozásának süllyedése, a csatlakozó töltéstest alatti talaj konszolidációja, a töltéstest anyagának összenyomódása.
• A vágány szilárd, egyenletes és megfelelő mértékben merev alátámasztású legyen. Ez szavatolja, hogy az alátámasztó szerkezetekre (híd, földmű) túlzottan nagy dinamikus terhelés nem jut, így kisebb a lokális hibák kialakulásának lehetősége.
• Az alátámasztási merevség pontszerű, nagymértékű változásait átmeneti szakasz kialakításával kell megszüntetni. Az eltérő merevségű szakaszok között lépcsősen vagy folyamatosan kell az átmenetet kialakítani.
• Az átmeneti szakasz hossza alkalmazkodjék a pályasebességhez, a járműterhekhez, a leküzdendő nagy merevségi lépcsőhöz.
• Üzemelő pályában fontos szempont, hogy a csatlakozó szakaszon vaksüppedések ne alakulhassanak ki. 

Geotechnikai szempontból az alábbi megoldásokat lehet összefoglalóan megemlíteni:

• csatlakozó földék kialakítása emelt követelményekkel (szemeloszlás, tömörítés, teherbírás),
• talajerősítő eljárások alkalmazása:

            – stabilizáció,
            – CKT réteg beépítése,
            – mélykeverés,
             – függőleges vagy ferde oszlopok készítése,

• rétegszerkezet-erősítés geoműanyagok (georács, geocella) alkalmazásával.

Vasúti felépítményszerkezeti oldalról is több megoldás alkalmazható. Ezek – az adott feladattól függően – az alátámasztási merevség szükséges mértékű megváltoztatását célozzák:

• a hídfőnél a vágány alátámasztási merevségének csökkentése, a csillapítás mér­té­kének növelése (pl. elasztomerek alkalmazása);
• a lehajlások egyenletessé tétele a csatlakozó zúzottköves pályaszerkezet haj­lí­tó­me­revségének növelése által (pl. kiegészítő sínek beépítése, ágyazatragasztás);
• egyenletes merevségváltozás biztosítása az átmeneti zónában építendő merevlemezes vágányszakasszal, nem ágyazatátvezetéses hídhoz csatlakozóan.

A geotechnikailag szükséges átmeneti szakasz hosszának meghatározása

Plaxis 3D végeselemes program dinamikus moduljával különböző altalajviszonyokra és alépítmény-, illetve műtárgy-kialakításokra, illetve különböző vasúti terhekre és sebességekre végeztünk futtatásokat egyvágányú vasúti pálya esetére. Az altalaj vastagsága 5 m, illetve 10 m volt, amely alatt 15 m vastag merev réteg (E2 = 150 MPa) helyezkedett el. Öt különböző típusú altalajra vonatkozóan készítettünk számításokat: puha agyag, közepes agyag, előterhelt szerves iszap, puha iszap és laza homok (1. ábra).

Az 1:1,5 rézsűhajlású töltéstestben minden esetben jó minőségű szemcsés anyagot vettünk figyelembe. A felépítményt 35 cm hatékony ágyazatvastagságú zúzottkő, B70 vasbeton keresztaljak, 60 E1 r. sínszálak alkották. A térbeli modell 45 m széles és 96 m hosszú volt. Járműteherként az LM71 tehermodellt működtettük (4 × 250 kN koncentrált tengelyteher egymástól 1,6-1,6 m távolságban). A számítások során kétféle vonatsebességgel dolgoztunk: 80 és 250 km/h.
Műtárgy nélküli esetek
A műtárgy nélküli esetekben 0-2-4-6 m volt a töltésmagasság. A számítási eredmények elemzése segítségével az épített pályatest önsúlya alatt a sínkoronaszinten kialakuló süllyedés a következő összefüggéssel írható le:

ahol
t – a töltés magassága [m],
Es – az altalaj összenyomódási modulusa [kN/m2],
h0  – az összenyomódó réteg vastagsága [m].
Ezután számítottuk az első vonatáthaladás hatását is figyelembe vevő teljessüllyedés-értékeket és azok segítségével az alábbi közelítő jellegű képletet állítottuk fel:

ahol (az előbbiekben leírt jelöléseken túl)
V – a jármű sebessége [km/h].
Megvizsgáltuk a többszöri vonatáthaladás hatását is mind az öt altalajtípusra vonatkozóan. A számításokat 80 km/h sebességre készítettük el. Az LM71 vonatteher mindegyik modellen hétszer futott át, s az eredménydiagram a 2. ábrán látható. Megállapítottuk, hogy a süllyedésnövekmények az egyes vonatáthaladások között mindegyik altalajtípusra csökkenő tendenciát mutatnak. Kedvezőbb altalajadottságok mellett 10-15 ciklus, kedvezőtlen talajokban pedig várhatóan kb. 50 áthaladás után fog a süllyedés növekedése megállni.
Kis méretű műtárgyak esetei
A modellezett esetek jellemzőit az 1. táblázatban foglaltuk össze. Sebesség 80 km/h, illetve 250 km/h. Összesen 60 különböző modellt vizsgáltunk meg.

A 96 m hosszú modelleken a vonatteher első áthaladásakor bekövetkező többletmozgásokat, valamint a teljes süllyedéseket számítottuk. Meghatározásukhoz függőleges metszeteket vettünk fel, kettőt a folyópályán, ötöt pedig a háttöltés zónájában, valamint a műtárgy fölött, és ezekben a metszetekben kérdeztük le a teljes alakváltozást, amikor a vonatteher éppen az adott metszet fölött volt. Egy eredménysorozat grafikus feldolgozását a 3. ábra mutatja.

A kis méretű műtárgyak előtt és után szükséges átmenet hosszát a két eltérő alátámasztási merevségű építményrész (folyópálya és műtárgy) felett kialakuló süllyedéskülönbség határozza meg. Az első teheráthaladáskor kiadódó maximális süllyedéskülönbséget a folyópályán kialakult maximális süllyedés és közvetlenül a műtárgy széle fölött bekövetkezett maximális süllyedés különbsége adja meg.

A 4. ábra a folyópályán az első teherát­haladáskor bekövetkező többletsüllyedés és a kialakult maximális süllyedéskülönbség kapcsolatát mutatja.