Ratapenkereiden leveys ja luiskakaltevuus - Väliraportti
Kalliainen, Antti; Kolisoja, Pauli (2009)
Tampereen teknillinen yliopisto. Rakennustekniikan laitos
2009
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011103114870
http://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011103114870
Tiivistelmä
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.
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.