Monitoring the Vertical Deformation Behaviour of Road and Railway Structures

Abstract

Tie- ja ratarakenteessa tapahtuva pystysuuntainen muodonmuutos on monin tavoin rakenteen kuntoa kuvaava indikaattori. Liikennekuormitus aiheuttaa rakenteen pintaan pystysuuntaisen siirtymän (eli jouston), jonka suuruus indikoi rakenteen kykyä kestää kuormituksia. Jousto vaihtelee rakenteen pituussuunnassa ja jouston suuruus kuvaa eri poikkileikkausten kykyä vastustaa liikennekuormituksesta aiheutuvia pysyviä muodonmuutoksia. Ajan suhteen muuttuva jousto kuvaa rakenteen kunnon tai olosuhteiden muuttumista. Rakenne itsessään voi myös routia, deformoitua tai tiivistyä ja nämä ilmiöt yhdessä liikennekuormituksen kanssa aiheuttavat ajan kuluessa epätasaisuutta.

Liikennekuormituksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat pääasiassa palautuvia, mutta hyvin pieni osa muodonmuutoksesta jää aina pysyväksi. Pysyvät muodonmuutokset kumuloituvat liikennemäärän suhteessa ja aiheuttavat rakenteen pintaan epätasaisuutta. Tien ja radan kunnossapitotarve ja osin myos kayttöika määräytyvät pysyvien muodonmuutosten perusteella. Kunnossapitoa vaativaa epätasaisuutta syntyy ensiksi rakenteen muutoskohtiin, joissa pysyvien muodonmuutosten kertymisen nopeus muuttuu.

Tässä työssä on kehitetty mittaus- ja monitorointimenetelmiä maarakenteiden pystysuuntaisten siirtymien ja muodonmuutosten mittaamiseen. Rakenteeseen asennettavat anturit mahdollistavat pitkäaikaisseurannan, jota kutsutaan monitoroinniksi. Monitoroinnin avulla saadaan tarkkaa tietoa mitattavasta suureesta täsmällisestä kohdasta rakennetta. Monitoroinnin suurin hyöty saavutetaan rakenteen kuormituskestävyyden arvioinnissa. Monitoroinnin avulla saadaan selville, paljonko rakenteeseen syntyy pysyvää muodonmuutosta ajan suhteen ja myos olosuhteiden ja kunnossapidon vaikutukset pystytään todentamaan. Monitoroinnin avulla pystytään ennakoimaan myös tulevaa kunnossapitotarvetta yksittäisissä poikkileikkauksissa. Analyysien laajentaminen koko tie- tai rataverkolle edellyttää kuitenkin verkkotasoisten mittausmenetelmien käyttöa.

Tähän tarpeeseen kehitettiin jatkuvatoiminen radan jäykkyyden mittauslaite Stiffmaster. Laitteella mitataan liikkuvan junan aiheuttamaa radan joustoa. Mittausmenetelmän avulla havaitaan radan kohdat, joissa jousto vaihtelee äkillisesti tai jouston taso muuttuu selkeästi. Mittaustulosten perusteella pystytaan osaltaan tunnistamaan epatasaisuuden aiheuttajia.

Työssä kehitetyt mittausmenetelmät lisäävät ymmärrystä tie- ja ratarakenteiden toiminnasta ja mahdollistavat tien ja radanpidon elinkaaritehokkuuden paranemisen. Mittaustieto rakenteiden todellisesta käyttäytymisestä helpottaa merkittavästi sopivien kunnossapitotoimien suunnittelua.

Vertical deformation in road and railway structures acts in many ways as an indicator of structural integrity. Traffic loading causes a vertical displacement (i.e. deflection), the magnitude of which indicates the structure's ability to withstand the effects of external loads. Deflection varies lengthwise across a road or railway structure, and the variation in deflection indicates the ability of different cross-sections to withstand traffic loading. Temporal deflection variation, in contrast, indicates a change in the structure's integrity or in the surrounding conditions. Furthermore, the structure itself can be affected by freezing, compaction or settlement and these phenomena, together with traffic loading, will result in unevenness over time.

Deformations caused by traffic loading are mainly recoverable, but a small percentage will always be permanent. These permanent deformations accumulate in proportion to the traffic volume and cause a gradual development of unevenness in the surface of the structure. The need for road and railway maintenance, and partially also the length of road and railway service life, is often determined based on the permanent deformations. Unevenness that requires maintenance first develops in those areas of structural change where the accumulation rate of permanent deformations is changing.

As part of this study, methods have been developed to measure and monitor the vertical displacements and deformations in earth structures. Sensors installed in a structure enable long- term observations (i.e. monitoring). This monitoring produces detailed data about the measured parameter from a specific location of the structure. The main benefit of monitoring comes from the assessment of a structure's load-bearing capacity. Through monitoring, the amount of permanent deformation in relation to time can be identified, and the effects of the environmental conditions and maintenance efforts can be verified. In addition, monitoring can be used to estimate future maintenance needs regarding individual cross-sections. Expanding the analyses to cover the entire road or railway network requires, however, the use of network-level measurement methods.

Therefore, a measurement device operating continuously on railways, the Stiffmaster, was developed to measure track stiffness. The device measures track deflection caused by a moving train. The measuring method helps in detecting those areas of a railway track with an abrupt deflection variation or significant changes in the deflection level. The measurement results will help in identifying the factors causing unevenness.

The measuring methods developed as part of this study will increase the understanding of how road and railway structures function and thus contribute to lengthening the service life of roads and railways. Measurement data on the structures' true behaviour will significantly ease the planning of appropriate maintenance measures.