Eristyskerroksen materiaalin vaikutus maanvaraisen ratapenkereen toimivuuteen

Abstract

Ratarakenne on monimutkainen kokonaisuus ja sen toimivuuteen vaikuttavia muuttujia on paljon. Tässä työssä tutkitaan erityisesti eristyskerroksen materiaalin roolia kunnossa-pidollisten ongelmien aiheuttajana ja sen vaikutusta ratapenkereen toimivuuteen maanvaraisilla ratapenkereillä. Esimerkkikohteina työssä käytettiin Tampere-Seinäjoki -rataosuudella sijaitsevia 1970-luvulla liikenteelle avattuja turvepehmeikölle perustettuja rataosuuksia, joilla on jatkuvasti kunnossapidollisia ongelmia.

Työssä tutkittiin eristyskerroksen materiaalin vaikutusta laskennallisesti Plaxis 2D- ja 3D-ohjelmilla. Laskentojen materiaaliparametrit määritettiin osin kirjallisuuden ja osin esi-merkkikohteista otetuille näytteille tehtyjen laboratoriokokeiden perusteella. Esimerkki-kohteiden materiaalien käyttäytymistä verrattiin hyvälaatuiseen vertailumateriaaliin. Las-kelmissa varioitiin pengerkorkeutta, pohjamaan jäykkyyttä ja eristyskerroksen materiaalia. Lisäksi suoritettiin herkkyystarkasteluja muuttamalla yksittäisiä parametreja ja tarkastelemalla niiden vaikutuksia tuloksiin.

Etenkin rakenteeseen syntyvät pysyvät muodonmuutokset vaikuttavat ratarakenteen pi-käaikaistoimivuuteen. Mallinnukset osoittivat, että pehmeällä pohjamaalle rakennettujen penkereiden eristyskerroksessa tapahtuu enemmän pysyviä muodonmuutoksia kuin jäykillä pohjamailla. Mallinnuksessa käytetyllä kuormitustasolla esimerkkikohteiden materiaaleilla syntyy enemmän pysyviä muodonmuutoksia kuin vertailumateriaalilla. Pysyviä muodonmuutoksia syntyy varsinkin, jos rakenteessa ei ole kunnollista välikerrosta ja pohjamaan jäykkyys on alhainen. Tämän perusteella vertailumateriaalia käytettäessä on rakenteen elinikä pidempi kuin vastaavalla rakenteella esimerkkikohteiden materiaalia käytettäessä. Laskentojen perusteella tuki- ja välikerroksilla on tärkeä rooli jännitysten jakajana, joten niiden kunnolla ja ominaisuuksilla on suuri merkitys, kun arvioidaan eristyskerrokseen ja pohjamaahan kohdistuvien jännitysten suuruuksia. Mallinnukset osoittivat myös, että jos pohjamaan jäykkyys on alhainen, eivät hyvätkään rakennekerrosmateriaalit paranna tilannetta merkittävästi. Jatkotutkimustarpeita havaittiin eri ympäristötekijöiden, kuluneen tukikerrosmateriaalin ja kuorman dynaamisuuden vaikutusten osalta.

Railway embankment is a complex structure and its performance is influenced by many variables. In this thesis the influence of sub-ballast material is studied to the increased need of maintenance and to the performance of ground-supported railway embankment. Also two locations on the railway line between Tampere and Seinäjoki are considered in more detail. In these locations the embankment is founded on a peet subgrade and has experienced increased need for maintenance.

The influence of the sub-ballast layer material was studied by the means of FEM-modelling with Plaxis 2D and 3D software. The material parameters used in the calculations were determined partly from literature and partly from the laboratory tests made for the sub-ballast material samples taken from the railway line between Tampere and Seinäjoki. These results were then compared to a good quality reference material. The embankment height, the stiffness of the subgrade and the material parameters of the sub-ballast layer were changed during the calculations. Additional analysis was made by altering some of the calculation parameters and investigating their influence on the results.

The permanent deformations generated in the railway embankment have a great effect on the long-term performance of the structure. The calculations showed that when the sub-grade has low stiffness the generated permanent deformations are bigger than with high stiffness subgrade. With the load levels used in the calculations more permanent deformations are generated in embankments where sub-ballast material is similar to samples taken from Tampere-Seinäjoki railway line compared to the structures with reference material. Plastic deformations are also bigger when there is no upper sub-ballast layer in the structure. Based on the calculations the service life of the structure is longer when the reference sub-ballast material is used. Especially the ballast layer and the upper part of sub-ballast layer have a great impact on the distribution of stresses to the lower structure. If the stiffness of the subgrade is very low, even the good quality materials used in the embankment won’t improve substantially its performance. Further research needs were observed regarding to the effects of environmental factors, degraded ballast and dynamic load component.