Megspórolhatatlan előkészítés

Mit válaszol a talajkörnyezet? 

Szakmánk mottója: "Minden, amit magunk körül látunk, talajon vagy sziklán áll. Ezért a geotechnikus mérnökök felelősek. Bármi, ami nincsen talajjal vagy sziklával alá­támasztva, az repül, úszik, vagy előbb-utóbb leesik."

Szilvágyi László

Időszámításunk előtt 2-3 ezer évvel az ­ókori Egyiptom és Mezopotámia gigantikus piramis- és templomépítéseit, később a görög és római kultúra nagyszabású városépítéseit, majd a középkori gyenge altalajon alkalmazott első facölöpöket tekinthetjük a kezdeti, tudatosan végrehajtott geotechnikai feladatoknak. Ekkor elsősorban a nagy terhelésű vagy mozgásérzékeny építmények, földművek, vagy a kedvezőtlen altalajon épített létesítmények jelentettek kihívást. Ezen problémák megoldását a természetes talaj és kőzet viselkedésének megfigyelésével kezdték, majd a károkból leszűrt tapasztalatok alapján dolgoztak ki jobb és jobb módszereket, tisztán tapasztalati úton, elméleti megközelítések nélkül. A középkorban a síkalapok sokféle építési technikája mellett széles körben elterjedt a cölöpalapozás, mely nagyban segítette a puha altalajon történő beépítést.

Önálló szakág születése

1776-ban a Francia Akadémia által kiadott, Charles Augustin de Coulomb francia fizikusnak az aktív és passzív nyomásról alkotott esszéje tekinthető a nyírószilárdság- és földnyomáselmélet megalapozásának, egyben az első talajmechanikai témájú cikknek. Később, a XIX. században már számos tudóshoz, kutatóhoz (Darcy, Rankine, Mohr, Boussinesq) köthető számottevő elmélet, felfedezés, és ezzel megindult a talajmechanika elméleti alapjainak megalkotása.

Karl von Terzaghi (1. kép) 1926-ban megjelent Erdbaumechanik című műve felháborodást váltott ki a bécsi egyetemen. A mechanika, a tartószerkezetek professzorai szentségtörésnek ítélték, hogy valaki a talajra alkalmazná a mechanika és a hidraulika törvényeit. Úgy vélték, e természeti képződmény viselkedését nem lehet, nem szabad így kezelni, a műszaki földtudományok elégedjenek meg a talajok leírásával, a tapasztalatok összegyűjtésével. A talajviselkedés számszerű elemzéséhez addig legfeljebb a lejtőszöget, a megengedett feszültséget és hasonló egyszerű paramétereket használtak. A valóság, a terv ezekkel való összevetése volt az első modellezési mód, s olykor még ma is alkalmazzuk ezt. Szerencsére ez a kritika nem szegte kedvét a talajjal foglalkozó kutatóknak, a megfigyelések révén és a laboratóriumi mérőeszközök fejlődését kihasználva mind pontosabban fogalmazták meg matematikai összefüggésekkel a talajok bonyolult, nemlineáris, időfüggő viselkedését, s a múlt század 70-es éveire megszülettek a komplex anyagmodellek is.

A geotechnika ezen intenzív fejlődési szakaszában a magyar szakemberek is aktívan kivették részüket. Jáky József méltán lett világhírű, amerikai kutatói munkáját Terzaghivel együtt dolgozva végezte, majd hazatérve a Budapesti Műszaki Egyetemen létrehozta Európa egyik első talajmechanikai laboratóriumát és megírta az első talajmechanika tankönyvet. A II. világháború után ő irányította a Dunai Vasmű, a szegedi Tisza-híd és a Ferihegyi repülőtér építését. Munkásságáért 1948-ban, az elsők között kapott Kossuth-díjat. Széchy Károly elsősorban a világháború utáni helyreállítás, a Duna-hidak tervezése, megépítésének irányítása okán vált híressé, majd az alagútépítés területén alkotott maradandót. Alapozás, Alapozási hibák, majd a világszerte mai napig számon tartott Alagútépítéstan könyvei erősen segítették a hazai szakemberképzést. Kézdi Árpád professzor folytatta a nagy hírű elődök tevékenységét, és kijelenthetjük, hogy a magyar geotechnikus-szakma szerény lehetőségeinek ellenére a mai napig széles körben elismert a világban.

A geotechnika lehetőségeit az elméletek fokozatos pontosítása mellett a legutóbbi idők technológiai fejlődése nagymértékben bővítette. Részben a számítástechnikai fejlődés jelentett robbanásszerű változást, de hasonló mértékig befolyásolta a mélyépítésben használt gépek tökéletesítése, mely új lehetőségeket nyitott meg a szakmának.

A geotechnikai tevékenység az altalaj vizsgálatával kezdődik, fúrásokkal, szondázással, laboratóriumi vizsgálattal állapítjuk meg a talaj állapotát, jellemzőit. Ezt követi a tervezési fázis, amikor a vizsgálattal meghatározott paraméterek segítségével a tervezett létesítmény hatására bekövetkező viselkedést – a talajkörnyezet válaszát – próbáljuk leírni, mely egy nemlineáris, időfüggő folyamat vizsgálatát jelenti, s melyet a természeti hatások is nagyban befolyásolnak (2. ábra). A természetes anyag változékonysága, a befolyásoló körülmények sokfélesége a számítás, modellezés során a mérnöki számításoknál megszokotthoz képest nagyobb bizonytalanság kezelését igényli. A numerikus számítás mai kor adta lehetőségei a bonyolult esetek számításának lehetőségét hozta, s ezzel új korszak nyílt meg a geotechnikusok előtt.

Geotechnikai háromszög
és tetraéder

John Burland, az Imperial College professor emeritusa a geotechnikai háromszöggel fejezte ki a geotechnikus tevékenység lényegét. E megközelítés szerint a geotechnikus feladata a tervezett szerkezet talajadottságainak feltárása, leírása és modellezése volt. Nem kétséges, ma is tevékenységünk kulcseleme a talajadottságok korrekt feltérképezése, különösen annak elkerülése, hogy veszélyes geológiai formációk rejtve maradjanak. Az Eurocode 7 szabvány számításon alapuló tervezésről szóló fejezete is így kezdődik: "A geotechnikában az altalaj állapotának ismerete függ az elvégzett geotechnikai vizsgálatok mennyiségétől és minőségétől. Ezen ismeretek megszerzése és a kivitelezés szakszerű irányítása sokkal fontosabb az alapvető követelmények teljesítéséhez, mint a számítási modellek és a parciális tényezők pontossága."

A talajvizsgálatok gondosságát hangsúlyozza tehát a szabvány, de a technológiák ismeretét is hasonló jelentőségűnek minősíti. Így a Burland professzor által megfogalmazott háromszöget joggal bővítette ki Szepesházi, Scharle és Ray tetraéderré, mellyel a fejlett kivitelezői eszköztár, az építéstechnológia fontosságát jelezték (3. ábra). E megközelítés komplexitása is jelzi, hogy a geotechnikát magas szinten művelni vágyóknak számos területen kell jól tájékozottnak lenniük.

A komplex anyagmodellek már a múlt század 70-es éveire megszülettek, de a kezdetekben legfeljebb csak a talajviselkedés megértésében segítették a mérnököt. Az építési gyakorlatban felmerülő alapozási, földstabilizálási, talajvíz-szabályozási feladatok megoldására ezeket nem lehetett alkalmazni. A süllyedéseket, az alaptörést, a földnyomásokat, a rézsűk állékonyságát és a szivárgásokat a nagy elődök által kidolgozott analitikus eljárásokkal számítottuk, jellemzően az egyes problémákat szétválasztva, észszerű egyszerűsítéseket alkalmazva. Az analitikus modellek azonban a nem­lineáris viselkedést csak nagyon egyszerű esetekre tudták figyelembe venni, s legfeljebb ügyes fogásokkal próbáltuk feloldani az ellentmondásokat, igazítani a számításokat a megtapasztalt valósághoz. Ezek ismeretében és adekvát használatában rejlett a kiválók nehezen továbbadható tudása.

A talajok és a szerkezetek kölcsönhatását ezekben a számításokban nem vesszük figyelembe, a talajhoz kapcsolódó beton-, acél-, faanyagú elemeket a talajhoz képest végtelen merevnek tekintjük, s a kölcsönhatást ezen elemek elmozdulására tett feltételezések alapján írjuk le, mint pl. a támfalakra ható földnyomás számításában. Nagy előrelépést jelentett, mikor a hajlékony falak, cölöpök és alaplemezek méretezésében figyelembe tudtuk már venni a talaj és a szerkezet érintkező felületeinek deformációs kényszereit. Ám a számítási korlátok miatt ennek alapja is sokáig csak a Winkler-féle lineáris rugómodell lehetett, melynek jól ismert kritikája, a rugók függetlensége és meghatározásuk bizonytalansága kétségeket ébreszthetnek az eredmények korrektségét illetően. Az ezekre készített szoftverek a szerkezeteket már végeselemes módszerrel modellezik, a talajokat azonban csak lineáris rugókkal.

A hagyományos analitikus modellek alkalmazásával kapcsolatos kétségeket mindinkább növelte az a követelmény is, hogy egyre nagyobb méretű, bonyolultabb, gyorsabban épülő, komplex terhelésű szerkezetek és technológiák megvalósításához kellett modellezési hátteret biztosítani. A toronyházak, a nagy fesztávú térlefedések, a hidak, a vízzáró gátak, a magastöltések, a mélygarázsok és az alagutak ráadásul gyakorta kedvezőtlen adottságú helyeken épülnek, mert mára csak a gyenge talajú területek maradtak beépítetlenül, vagy mert a zsúfolt belvárosokban minden teret ki akarnak használni, megküzdve a veszélyes egymásra hatásokkal is. Sokszor bámulhatjuk elismeréssel azt a leleményességet, mellyel az ilyen feladatokat a hagyományos, nem az ilyen összetett problémák modellezésére kidolgozott eszköztárral méretezik. Az elavult modellezés azonban mindenképpen gátjává válik projektszinten a gazdaságos megoldások alkalmazásának, illetve egy kivitelező cég szintjén a technológiai fejlesztésnek, a rohamléptekkel fejlődő méréstechnika, monitoring pedig leleplezi a modellezés tévedéseit.

Fejlődő technológiák,
új lehetőségek

"Szerencsére" segítségünkre sietett az információtechnológia fantasztikus fejlődése. A végeselemes analízis elméleti alapjait is fél évszázada munkálták ki, s megközelítőleg 20 éve jutottak oda a fejlesztők, hogy olyan szoftvereket készítsenek, melyek képesek mindazon jelenségek, igények modellezésére, melyeket az előbbiekben felvázoltunk. Kb. 10 éve tartunk ott, hogy ezek a szoftverek a gyakorló mérnökök rendelkezésére álló számítógépeken is futtathatók, s napjainkban válnak elérhetővé a 3D szoftverek (4. ábra). S ha néha nehezen is várható ki egy-egy bonyolultabb projekt futási ideje, biztosak lehetünk abban, hogy az információtechnológia töretlen fejlődése elhárítja ezt a nehézséget is. Itt az ideje, hogy a geotechnikusok és a tartószerkezet-tervezők szaktudása is felnőjön ehhez az eszköztárhoz, hogy a vázolt nehéz feladatokat ezekkel gazdaságosan lehessen megoldani.

Kérdés azonban, hogy a mindennapokban komolyan vesszük-e ezen eszköztár lehetőségeit, használjuk-e a kisebb-nagyobb projektek során a fejlett módszereket. A kellően alapos előkészítés hiánya, a talajvizsgálatokon való spórolás bizony általános, még nagy költségű, egyébként igényesen megoldott projektek esetén is. Ezzel kockáztatják a munkagödörnyitás okozta károkat, a környezetre gyakorolt kedvezőtlen hatást, és nem utolsósorban a megépülő szerkezet kisebb-nagyobb károsodását, mely utólag gyakran nem javítható már ki tökéletesen. A nem ismert, nem várt süllyedések sokszor okoznak megrepedt szerkezeteket, ami azután szigetelési problémákhoz vezet, vagy akár utólagos szerkezeti megerősítés igényét jelenti. Sajnos katasztrofális károk is előfordulnak, leggyakrabban már a földkiemelés, kivitelezés időszakában, melyek hátterében a nem kellő gondosságú előkészítés húzódik.

Fontos tehát, hogy a beruházás-előkészítés és tervezés folyamatában a geotechnikai tevékenységek kellő hangsúlyt kapjanak, s a kockázatok csökkentésével gazdaságos megoldások lehetőségét biztosítsák. Érdemes e szakág feladatait a ráfordítási költségek és az elhárítható kockázatok arányában vizsgálni. Az előkészítés során a megvalósulási költségek töredékéért végrehajtott megfelelő vizsgálati program és elemzés ugyanis többszörösen megtérülhet az optimális megoldás kiválasztása révén.

Napjainkban a rohamosan fejlődő technológiák új lehetőségeket kínálnak, ami a geotechnikai feladatok megoldását új irányokba vezeti. Széles körben terjed a geoműanyagok használata, s ez segíti a korábban alkalmatlannak ítélt földanyagok beépítését, kiváltja vasbeton támfalak építését. A cölöpalapozások terén fokozatosan terjed a talajkiszorításos technológia, mely nagyobb teherbírást és talajkihozatal nélküli kivitelezést tesz lehetővé. Új talajjavítási technológiák jelentek meg, melyekkel mélyalapozás váltható ki és kedvezőtlen adottságú területek beépítése válhat lehetővé. Csökkenthető a jó minőségű építőanyagok (kő, víz, beton) felhasználása, ezáltal a természetet sebző bányászat, az energiafaló és levegőszennyező betongyártás és építőanyag-szállítás, a hulladékként kezelendő talajok mennyisége.
E megközelítés ma még nem feltétlenül hoz gazdasági sikert, de a tudásbázis, a technikai eszköztár fejlesztésekor már feltétlenül ezt kell preferálni. A környezeti erőforrások kímélése ma erkölcsi parancs, de nem kétséges, évtizedes távlatban a gazdaságosság feltétele is lesz.