Ratapenkereiden leveys ja luiskakaltevuus - Väliraportti

Abstract

In the Northern areas the total thickness of structural layers in railway embankments is primarily governed by the design against harmful effect of seasonal frost. Because practically no frost heave can be allowed to take place on railway tracks with normal speed passenger traffic, the embankment must typically be built up to two or even two and a half meters thick. Meantime, the embankments have typically fairly steep slopes, for instance in Finland track embankments are normally built using a slope ratio of 1:1.5. Introduction of higher allowable axle loads and traffic speeds is, however, exposing the embankments structures to continuously increasing intensity of repeated loading which is also increasing the rate of permanent deformations accumulating into the embankment structure. This may also lead to higher lifecycle costs since the embankment deforms rapidly and the respective movements of the track must be compensated with more frequent maintenance actions.

This study is divided into three main components: the full-scale test embankment sections located in the southwestern part of Finland, the laboratory scale instrumented test embankments and two dimensional FEM-modeling.

The long term widening of the embankment measured at the full-scale test embankment section clearly indicated the important role of embankment dimensions in the deformation behavior of the railway embankment. Within two years monitoring period the wider embankments had greater resistance to accumulated permanent widening compared to the narrower embankment types. In addition reduction of slope angle ratio also decreased the accumulated permanent deformations effectively.

The corresponding phenomena could not be repeated in the laboratory scale tests. Despite of respectively high level of loading the level of mobilized permanent deformation was relatively small in all the embankment types. The permanent deformation measured from the bottom of the steel plate simulating the sleeper was almost the only measureable difference between different embankment types. However, the differences in these measurements were not consistent so that narrower embankments types would have experienced more permanent deformation compared to the wider embankment type.

With help of the finite element method it was possible to observe that the embankment dimensions have only a minor effect on the deformation behavior when the embankments are located on very stiff subgrade conditions. The level of mobilized shear strains into the embankment structure was discovered as an explanatory factor on the deformation behavior of the embankment. The shear strain levels explained both the minor differences between the embankment types at the laboratory scale tests on very stiff subgrade and the differences measured at the full scale test site on more flexible subgrade conditions.

Ratapenkereen leveydellä ja luiskakaltevuudella on suuri taloudellinen vaikutus ratapenkereen investointikustannuksiin. Johtuen kylmästä ilmastosta ja kausittaisesta roudasta ratapenkereet joudutaan rakentamaan Suomessa suhteellisen paksuiksi. Kustannusten hallitsemiseksi penkereet olisi tarkoituksenmukaista rakentaa mahdollisimman kapeiksi ja jyrkkäluiskaisiksi. Suurimpien sallittujen liikennöintinopeuksien ja akselipainojen kasvaessa ratarakenne altistuu syklisesti nopeammalle ja tasoltaan suuremmalle kuormitukselle. Tämä puolestaan voi kiihdyttää ratapenkereiden pysyvien muodonmuutosten kertymisnopeutta ja johtaa välillisesti suurempiin elinkaarikustannuksiin toistuvan kunnossapitotarpeen kautta.

Tutkimus jakaantuu kolmeen pääkohtaan: Kokemäki-Rauma-rataosalle rakennettujen havaintopenkereiden muodonmuutosten seurantaan, laboratoriomittakaavaisten (1:4) instrumentoitujen penkereiden muodonmuutoskäyttäytymisen mittaamiseen ja arviointiin sekä elementtimenetelmään perustuviin kaksiulotteisiin laskentamalleihin.

Havaintopenkereistä mitattujen pitkäaikaisten muodonmuutosten seurannassa havaittiin sekä ratapenkereen leventämisen että luiskakaltevuuden loiventamisen vähentävän tehokkaasti penkereisiin mobilisoituneita pysyviä muodonmuutoksia. Kapeimmissa pengertyypeissä ratapenkereen leviäminen oli kahden vuoden seurantajakson aikana noin kaksinkertaista verrattuna sekä leveimpään että loivaluiskaisempaan pengertyyppiin.

Laboratoriokokeissa vastaavaa ilmiötä ei pystytty toistamaan. Huolimatta varsin suurista kuormitustasoista yhteenkään pengertyppiin ei mobilisoitunut merkittäviä määriä pysyviä muodonmuutoksia. Lähestulkoon ainoat mitattavissa olleet erot syntyivät ratapölkkyä kuvaavan teräslevyn alapinnan siirtymissä eivätkä erot näissäkään olleet johdonmukaisia siten, että kapeammat penkereet olisivat kokeneet enemmän pysyviä muodonmuutoksia kuin leveämpi tai loivaluiskaisempi pengertyyppi.

Elementtimenetelmään perustuvan mallinnuksen avulla voitiin kuitenkin todeta, että hyvin jäykällä alustalla penkereen dimensiot vaikuttavat vain hyvin vähän ratapenkereen muodonmuutoskäyttäytymiseen. Mallinnuksen avulla havaittiin penkereen pitkäaikaisten muodonmuutosten kertymistä selittäväksi indikaattoriksi leikkausmuodonmuutostasot, joiden avulla pystyttiin todentamaan laboratoriomittakaavaisten penkereiden minimaalinen ero muodonmuutostasoissa. Leikkausmuodonmuutostasojen avulla pystyttiin selittämään myös havaintopenkereistä mitattujen eri pengertyyppien levenemisen eroja. Mallinnustulokset tukivat näin ollen havaintoa, jonka mukaan pohjamaan jäykkyydellä on erittäin suuri merkitys ratapenkereen muodonmuutoskäyttäytymisessä.