Bevezető

A nagy sebességű vasutak megjelenésével egyre inkább előtérbe kerül a vasúti híd, a felépítmény és a háttöltés kölcsönhatása és annak modellezési kérdései [1]. A mai tervezési gyakorlatban a hídszerkezetek és talajkörnyezetük igénybevételeit, alakváltozásait többnyire véges elemes szoftverekkel határozzák meg. A talajkörnyezetet is magában foglaló komplex hídmodellek vizsgálatára azonban csak ritkán kerül sor. Szokványos hidak esetén a napi tervezői gyakorlatban a felszerkezetet és az alépítményt – a talaj-szerkezet kölcsönhatást nagyon leegyszerűsítve közelítő – külön modellekben vizsgálják.
A hidak legösszetettebb viselkedésű része a hídfő, amelynek térbeli geometriájából, illetve a talaj és szerkezet bonyolult, az építési fázisok során folyamatosan változó kölcsönhatásából olyan tényleges szerkezeti viselkedések következnek, amelyeket hagyományos számítási módszerekkel lehetetlen követni.
A hídfőknél a vágány alátámasztásának merevsége rövid hosszon megváltozik, ami a haladó vasúti járműben függőleges gyorsulásokat, a pályában többlet-igénybevételeket kelt. Ezek összegződéseként, akár már rövid idő után is, olyan maradó deformációk alakulnak ki az alépítményben, amelyek a vágánygeometria jellemzőit (fekszint és síktorzulás) lerontják, ezért az ilyen helyeken átmeneti szakaszt kell kialakítani. Ezzel a pályakarbantartási munkálatok igénye nagyban csökkenthető.
A hidak és környezetük komplex viselkedésének elemzése napjainkban igazán csak 3D-s numerikus szimulációval lehetséges. E tanulmányban egy tipikus egyvágányú vasúti híd és talajkörnyezetének numerikus vizsgálatára felépített modelleket és a szimulációk eredményeit mutatom be. A kutatás e fázisában elsősorban azt vizsgáltam, hogy különböző kialakítású hídfők és átmeneti szakaszok milyen hatással vannak a süllyedésekre, s miként befolyásolják az alépítmény mozgásait és a cölöpökben keletkező igénybevételeket.
A bemutatott számításokat a véges elemes analízissel dolgozó Plaxis 3D szoftverrel végeztem, együtt modellezve a hídfő vasbeton szerkezetét, alapozását és háttöltését, valamint a felszerkezeti terhelést [2].

Modellezés

A híd és a talajkörnyezet modellje

Jelen tanulmány célja, hogy bemutassa a Plaxis 3D geotechnikai szoftver alkalmazási lehetőségeit a hídfő és az átmeneti szakasz kialakításának optimalizálására. E célból két modellt építettem, de az altalajadottságokat és a vasúti felépítmény kialakítását azonosra vettem.
A felső 15 m vastag gyúrható agyag alatt 10 m vastagságban nagyon tömör homok van. A talajvízszintet a terepszint alatt -1,0 m-re vettem fel.
A hídfőhöz csatlakozó töltés magassága mindkét esetben a terepszint felett 6,0 m, oldalrézsűjének hajlása 1:1,5.
Először egy karcsúbb hídfős szerkezetet vizsgáltam (1. változat). A hídfő falazatának vastagsága 0,8 m, de a fejgerendához csatlakozóan 1,6 m-re nő. A hídfő hátfala és a folyópálya közötti fölművet a H.1.6. Utasításnak az átmeneti szakaszra vonatkozó előírásai alapján vettem figyelembe [3]. Közvetlenül a hídfő hátfala mögött háttöltésként a koronán 2,0 m, a terepszinten 8,0 m hosszúságú cementtel javított szemcsés anyagú éket alakítottam ki, amely az átmeneti szakaszhoz 1:1 rézsűhajlással csatlakozik. A folyópályához való csatlakozás 1:2 rézsűhajlású. A folyópálya töltésanyaga tömör homok.
A másik változatban egy robusztusabb hídfős szerkezet került beépítésre (2. változat). A hídfőfal vastagsága 1,2 m, a hídfőfal mögött a georáccsal erősített háttöltés a koronán 15,0 m, a terepszinten 3,0 m hosszal, amely a folyópályához 1:2 rézsűhajlással csatlakozik.
Mindegyik változatban változó vastagságban és hosszban „építettem be” az SZK1 szemcsés anyagú kiegészítő réteget, s azon zúzottkő ágyazatot 0,35 m hatékony vastagsággal.
A két változat szerkezeti kialakítását az 1. ábra mutatja.

Mindkét modellben a hídfőfal pályára merőleges hossza 5,1 m, magassága 6,0 m. A hídfők cölöpalapozásúak és párhuzamos szárnyfalak kapcsolódnak hozzájuk. A 2-2 sorban, összesen 6-6 db, 0,8 m átmérőjű, 16,5 m hosszú cölöpök tengelytávolsága 2,4 m.
A cölöpöket a Plaxis és hasonló szoftverek által felkínált „embedded pile”-ként modelleztem, és hozzájuk tapasztalati alapon vettem fel a rétegenkénti palástellenállás és a talpellenállás végértékét, illetve az ezek lineáris mobilizálódását leíró paramétereket.
A vasúti sínt gerendaelemként vittem be a modellekbe, amelynek keresztmetszeti paramétereiből számítható hajlítási és normálmerevsége megegyezik a 60E1 jelű sínével. A B70 jelű szabványos keresztaljakat szintén gerendaelemként szerepeltettem a megfelelő inercianyomatékkal és keresztmetszeti területtel. E két felépítményi elem modelljének jellemzőit e szakfolyóiratban korábban már ismertettem [4].
A cölöpösszefogó gerendákat, a hídfőket, a szárnyfalakat és a felszerkezetet E=30 GPa rugalmassági modulusú, betonanyagú, „szolid” elemekből építettem fel. A felszerkezet acél tartóbetétes, ágyazatátvezetéses, a szabad nyílás hossza 25,0 m. A tartószerkezet és a hídfő sarokmerev-kapcsolatú, azaz integrált hídról van szó.
A vázolt modell teljes hossza 143,4 m, szélessége 75 m, mélysége 25 m lett. Hogy a dinamikus vonatteher okozta hullámterhelésnek a határfelületekről való visszaverődése minimális legyen, a modell oldalsó peremein viszkózus határfelületi elemeket alkalmaztam.

A 2. ábra mutatja a híd és a csatlakozó folyópálya hosszmetszetét a talajprofillal együtt. A jobb áttekinthetőség miatt a bal oldali szárnyfalakat nem jelenítettem meg. Az ábrán látható erő, a későbbiekben részletezett függőleges és vízszintes erő eredője. A 3. ábra a vasbeton szerkezeteket és a cölöpalapozás modelljeit mutatja a szárnyfalak nélkül.

A talajokat a ma legreálisabbnak gondolt HS-small anyagmodellel írtam le, amelynek összefüggéseit már két korábbi Sínek Világa-cikk ismertette [4, 5]. A zúzottkő ágyazatra Mohr-Coulomb, a vasbeton szerkezetekre lineárisan rugalmas anyagmodellt alkalmaztam. A bevitt paramétereket az 1. táblázat foglalja össze.

Számítási fázisok definiálása

A Plaxis szoftverrel mód van arra, hogy egy híd építését és terhelését időbeli folyamatként szimuláljuk. Az építési folyamat sokféle lehet, ezek hatásai különbözők. Jelen tanulmány bemutatott példáiban az építésütemezés megegyezik és a modellezések a következő építési fázisokra terjedtek ki:
 1. kezdeti állapot;
 2. földkiemelés a terepszint alatti -1,0 m-ig;
  3. cölöpözés;
  4. fejtömb készítése;
  5. hídfőfal felépítése;
  6. szárnyfalak építése;
  7. földvisszatöltés a munkagödörbe;
  8. a háttöltés és a csatlakozó töltés építése 15 nap alatt 3,0 m magasságig;
  9. konszolidáció ures=5 kPa többlet-pórusvíznyomásig;
10. a háttöltés és a csatlakozó töltés építése a teljes magasságig 15 nap alatt;
11. konszolidáció ures=5 kPa-ig;
12. felszerkezet építése;
13. SZK1 alsó 25 cm-es rétegének beépítése 10 nap alatt;
14. SZK1 felső 25 cm-es rétegének beépítése 10 nap alatt;
15. 35 cm vastag zúzottkő alsó ágyazat elhelyezése 10 nap alatt;
16. keresztaljak fektetése és sínek beépítése 10 nap alatt;
17. felső ágyazat építése;
18. első vonat áthaladása 160 km/h sebességgel.
Az 1–4. modellezési fázisban úgynevezett plasztikus, az 5–17. építési fázisban konszolidációs, a 18. lépésben pedig dinamikus számítást alkalmaztam. A teljes konszolidáció elérésének azt tekintettem, amikor az agyagrétegben a töltésteher okozta többlet-pórusvíznyomás minde­nütt ∆u < 5 kPa értékre csökkent.
A terhelést az LM71 jelű vonattehernek megfelelően a vágányon 8 pontban 125 kN-os dinamikus pontszerű kerékteherrel vettem figyelembe. A jármű sebességét 160 km/h értékben állítottam be. E modellezési mód részleteit egy korábbi cikkemben már ismertettem [4]. A modellekben a fékezőerőt is figyelembe vettem. Jelen tanulmányban azt feltételeztem, hogy a mozgó jármű a hídfőhöz érve kezd fékezni. Így közvetlen a hídfő fölötti pontszerű függőleges terhekhez vízszintes erőket is definiáltam Fx=26,4 kN értékkel. Ez megfelel a H.1.2. Utasításban meghatározott értékeknek [6]. A jármű oldallökő erejéből és a szélteherből származó erőket (Fy) nem vettem figyelembe, mert tapasztalatok szerint ezek jelentősége a hídfő viselkedése szempontjából csekély.