Rautatien pengervärähtelyriskin arviointi ja mallintaminen
Partanen, Teemu (2020)
2020
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
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.
Hyväksymispäivämäärä
2020-11-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011198104
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011198104
Tiivistelmä
Tämän diplomityön aiheena oli rautatien pengervärähtelyriskin arviointi. Työn tarkoituksena oli selvittää, mitä on pengervärähtely, ja miten sen ilmenemistä voidaan arvioida. Selvitystä tehtiin maastomittauksin Perniössä sekä 2D-mallinnuksella.
Pengervärähtelyksi kutsutaan ilmiötä, jossa suurella nopeudella kulkevan junan aiheuttamat kuormitukset alkavat aiheuttaa radan pystysuuntaisten palautuvien siirtymien kasvua. Pengervärähtelyilmiö voi tapahtua, kun junan nopeus lähestyy niin kutsuttua kriittistä nopeutta. Pehmeiköille perustetuilla radoilla kriittisenä nopeutena pidetään maassa etenevän pinta-aallon nopeutta.
Pengervärähtelyn ilmenemisen kannalta olennaisia asioita ovat ohut ratarakenne, ohut kuivakuorikerros sekä noin 10 metrin paksuinen pehmeikkö, eli savi- tai turvekerros, jossa leikkausaallon etenemisnopeus on alhainen. Pehmeikkökerroksessa etenevän leikkausaallon nopeus vastaa likimain pinta-aallon eli Rayleigh-aallon etenemisnopeutta. Leikkausaallon havaitseminen on yksinkertaisempaa kuin pinta-aallon, joten pengervärähtelyriskin arviointia tehdään tyypillisesti pehmeikkökerroksen leikkausaallon etenemisnopeutta mittaamalla.
Leikkausaallon etenemisnopeutta voidaan mitata ja arvioida monin eri menetelmin. Eräs yleisimmistä maastossa käytettävistä menetelmistä on niin kutsuttu cross-hole -menetelmä, jossa leikkausaallon kulkuaikaa mitataan maakerroksen sisässä lähettimen ja vastaanottimen avulla. Tätä menetelmää käytettiin myös tässä työssä savikerroksen leikkausaallon etenemisnopeuksien mittaamiseen.
Tässä työssä arvioitiin Perniössä sijaitsevan pehmeikköalueen pengervärähtelyriskiä. Perniössä pienimmät cross-hole -menetelmällä mitatut leikkausaallon etenemisnopeudet olivat alle 50 m/s, eli alle 180 km/h. Myös savinäytteistä määritetyt korkeat, paikoin yli 90 %, vesipitoisuudet viittaavat saven alhaiseen leikkausaallon etenemisnopeuteen. Näistä syistä ja alueen pohjasuhteista päätellen riski pengervärähtelyyn on olemassa.
Maastomittauksien lisäksi pengervärähtelyriskiä arvioitiin 2D-mallinnuksella. Mallinnustulosten perusteella pystysuuntaiset palautuvat siirtymät alkavat suurenemaan, kun junan nopeus saavuttaa 60 % pehmeikkökerroksen leikkausaallon etenemisnopeudesta. Siirtymien kasvu korostuu varsinkin, kun junan kulkusuunta pehmeiköllä on savikerroksen ohenevaan suuntaan.
Pengervärähtelyksi kutsutaan ilmiötä, jossa suurella nopeudella kulkevan junan aiheuttamat kuormitukset alkavat aiheuttaa radan pystysuuntaisten palautuvien siirtymien kasvua. Pengervärähtelyilmiö voi tapahtua, kun junan nopeus lähestyy niin kutsuttua kriittistä nopeutta. Pehmeiköille perustetuilla radoilla kriittisenä nopeutena pidetään maassa etenevän pinta-aallon nopeutta.
Pengervärähtelyn ilmenemisen kannalta olennaisia asioita ovat ohut ratarakenne, ohut kuivakuorikerros sekä noin 10 metrin paksuinen pehmeikkö, eli savi- tai turvekerros, jossa leikkausaallon etenemisnopeus on alhainen. Pehmeikkökerroksessa etenevän leikkausaallon nopeus vastaa likimain pinta-aallon eli Rayleigh-aallon etenemisnopeutta. Leikkausaallon havaitseminen on yksinkertaisempaa kuin pinta-aallon, joten pengervärähtelyriskin arviointia tehdään tyypillisesti pehmeikkökerroksen leikkausaallon etenemisnopeutta mittaamalla.
Leikkausaallon etenemisnopeutta voidaan mitata ja arvioida monin eri menetelmin. Eräs yleisimmistä maastossa käytettävistä menetelmistä on niin kutsuttu cross-hole -menetelmä, jossa leikkausaallon kulkuaikaa mitataan maakerroksen sisässä lähettimen ja vastaanottimen avulla. Tätä menetelmää käytettiin myös tässä työssä savikerroksen leikkausaallon etenemisnopeuksien mittaamiseen.
Tässä työssä arvioitiin Perniössä sijaitsevan pehmeikköalueen pengervärähtelyriskiä. Perniössä pienimmät cross-hole -menetelmällä mitatut leikkausaallon etenemisnopeudet olivat alle 50 m/s, eli alle 180 km/h. Myös savinäytteistä määritetyt korkeat, paikoin yli 90 %, vesipitoisuudet viittaavat saven alhaiseen leikkausaallon etenemisnopeuteen. Näistä syistä ja alueen pohjasuhteista päätellen riski pengervärähtelyyn on olemassa.
Maastomittauksien lisäksi pengervärähtelyriskiä arvioitiin 2D-mallinnuksella. Mallinnustulosten perusteella pystysuuntaiset palautuvat siirtymät alkavat suurenemaan, kun junan nopeus saavuttaa 60 % pehmeikkökerroksen leikkausaallon etenemisnopeudesta. Siirtymien kasvu korostuu varsinkin, kun junan kulkusuunta pehmeiköllä on savikerroksen ohenevaan suuntaan.