The Effect of Drainage on the Functionality of Railway Track Sub-ballast
Latvala, Juha (2024)
Latvala, Juha
Tampere University
2024
Rakennetun ympäristön tohtoriohjelma - Doctoral Programme in the Built Environment
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.
Väitöspäivä
2024-02-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3301-0
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3301-0
Tiivistelmä
Radan kuivatus on ollut tyypillisesti asia, jonka merkitystä on korostettu monissa eri ohjeissa, mutta sen todellisista vaikutuksista on ollut vähän tutkittua tietoa. Kirjallisuuden perusteella vesipitoisuuden vaikutus maarakenteiden kuormituskestävyyteen on ilmeistä, mutta haitallisten siirtymien syntyminen ja geometrian heikkeneminen riippuu todellisista kuormituksista. Erityisesti oli puutetta tiedosta, miten paljon geometriaongelmia voidaan mahdollisesti vähentää kasvattamalla kuivatussyvyyttä radalla.
Radan kuivatuksen toteutuksessa havaittiin Suomessa useita puutteita. Pääosin ongelmat ovat varsin yksinkertaisia, kuten liettyneitä ojia tai tukkeutuneita rumpuja/salaojia. Paikoitellen alkuperäinen kuivatustaso on myös ollut matala. Haastavampi ongelma on aluekuivatus, sillä paikoitellen vesien johtaminen pois rata- alueelta on ollut hankalaa esimerkiksi vähäisten korkeuserojen vuoksi. Kuivatuksen kunnossapito on pohjautunut pitkälti silmämääräiseen arviointiin ja kunnossapitosopimusten kirjaukset ”tarpeen vaatiessa” osoittautuivat vaikeasti arvioitaviksi. Tällöin kuivatuksen toimivuus on saattanut heikentyä pitkällä aikavälillä. Tulevaisuudessa on syytä ottaa käyttöön menetelmiä, jotka tuottavat numeerista tietoa kuivatuksen tilasta kunnossapidon optimoinniksi.
Rantaradalle rakennettiin kolme kuivatuksen seuranta-asemaa kohteisiin, joissa kuivatusta oli tarkoitus parantaa. Näiltä mitta-asemilta otettiin alusrakennekerroksesta materiaalinäytteet, joita tarkasteltiin useilla menetelmillä laboratoriossa. Staattisissa kolmiaksiaalikokeissa kaikilla tarkastelluilla materiaaleilla havaittiin selkeä leikkauslujuuden kasvu, kun vesipitoisuus laski alle 7 %. Näennäisen koheesion vaikutus oli ilmeinen ja parhaimmillaan kuivemmassa tilassa saavutettiin yli kaksinkertaisia maksimileikkausjännityksiä. Syklisissä kokeissa materiaalit käyttäytyvät eri tavalla ja eniten vettä sisältäneet näytteet osoittautuivat heikoimmiksi. Kun tarkastellaan materiaalien käyttäytymistä todennäköisellä käyttöjännitysalueella, Km44- ja Km98-materiaalit kestävät kuormitusta varsin pienin muodonmuutoksin, mutta keskiraekooltaan pienin ja tasarakeinen Km137-materiaali osoittautui heikoksi suurissa kyllästysasteissa. Kuitenkin sekin materiaali näyttäisi kestävän henkilöliikenteen akselipainojen vaikutuksen myös kyllästettynä.
Kenttämittausten perusteella radan alusrakennekerroksen vesipitoisuus määräytyy pitkälti alueellisen (pohja)vedenpinnan korkeuden perusteella. Sateiden vaikutus vesipitoisuuteen oli odotettua vähäisempi, eivätkä sateet kyenneet nostamaan kyllästysastetta yli 60–70 % kyllästysasteen imeytymisen vaikutuksesta, vaan niiden vaikutus näkyi pääasiassa kohonneen (pohja)vedenpinnan myötä. Vesipitoisuudet vaihtelivat odotetusti kohteittain. Km44-kuivatusparannuksella saavutettiin entuudestaan heikosti kuivatettuun kohteeseen erittäin suuri parannus, sillä vuodenaikaisvaihtelua vastaavat korkeat kyllästysasteet katosivat kuivatusparannuksen myötä käytännössä kokonaan ja vesipitoisuus aleni merkittävästi mittaussyvyydellä.
Seurantamittausten perusteella radan pystysuuntaisten siirtymien ja alusrakennekerroksen vesipitoisuuden välille ei kyetty muodostamaan yhteyttä. Sama havainto tehtiin myös täydentävällä routaseuranta-asemien datalla. Havainto on kuitenkin selitettävissä tehdyillä laboratoriokokeilla, sillä varsinkin henkilöliikenteen aiheuttama kuormituslisäys eristyskerroksen syvyydellä on niin pieni, että heikommatkin materiaalit kestävät, kunhan välikerros ei ole täysin vedellä kyllästynyt. Tavaraliikenteen akselipainoilla muodonmuutoksia syntyy hieman enemmän, mutta raskaiden akselipainojen (250 kN) junat operoivat yleensä vain perusparannetuilla rataosuuksilla. Km44-kohteelle tehdyllä kuivatusparannuksella ei kyetty muuttamaan kohteella muodostuvia pystysiirtymiä. Siirtymien yleisimpiä aiheuttajia näyttävät olevan joko pohjamaan painuminen, radan epäjatkuvuuskohdat tai sulamispehmeneminen. On siis todennäköistä, että monin paikoin pelkästään kuivatusta parantamalla ei voida korjata muodostuvia geometriaongelmia.
Tulosten perusteella annettiin suositukset radan kuivatuksen suunnitteluun. Kuivatus kannattaa lähtökohtaisesti pitää aina kunnossa, mutta varsinkin vähäliikenteisillä rataosilla kaikkien rakennekerrosten kuivattaminen voi olla kustannustehotonta. Uuden ohjeistuksen keskeinen sisältö on se, että tukikerros ja välikerros tulee kuivattaa kaikissa tapauksissa. Liikenteen ollessa vilkasta tai raskasta, kuivatustason tulee olla tätäkin syvempi. Alusrakenteen kuivattaminen routamitoitussyvyyteen saakka ei ole tämän tutkimuksen perusteella kuitenkaan välttämättä tarpeellista nykyisin Suomessa käytössä olevilla akselipainoilla.
Radan kuivatuksen toteutuksessa havaittiin Suomessa useita puutteita. Pääosin ongelmat ovat varsin yksinkertaisia, kuten liettyneitä ojia tai tukkeutuneita rumpuja/salaojia. Paikoitellen alkuperäinen kuivatustaso on myös ollut matala. Haastavampi ongelma on aluekuivatus, sillä paikoitellen vesien johtaminen pois rata- alueelta on ollut hankalaa esimerkiksi vähäisten korkeuserojen vuoksi. Kuivatuksen kunnossapito on pohjautunut pitkälti silmämääräiseen arviointiin ja kunnossapitosopimusten kirjaukset ”tarpeen vaatiessa” osoittautuivat vaikeasti arvioitaviksi. Tällöin kuivatuksen toimivuus on saattanut heikentyä pitkällä aikavälillä. Tulevaisuudessa on syytä ottaa käyttöön menetelmiä, jotka tuottavat numeerista tietoa kuivatuksen tilasta kunnossapidon optimoinniksi.
Rantaradalle rakennettiin kolme kuivatuksen seuranta-asemaa kohteisiin, joissa kuivatusta oli tarkoitus parantaa. Näiltä mitta-asemilta otettiin alusrakennekerroksesta materiaalinäytteet, joita tarkasteltiin useilla menetelmillä laboratoriossa. Staattisissa kolmiaksiaalikokeissa kaikilla tarkastelluilla materiaaleilla havaittiin selkeä leikkauslujuuden kasvu, kun vesipitoisuus laski alle 7 %. Näennäisen koheesion vaikutus oli ilmeinen ja parhaimmillaan kuivemmassa tilassa saavutettiin yli kaksinkertaisia maksimileikkausjännityksiä. Syklisissä kokeissa materiaalit käyttäytyvät eri tavalla ja eniten vettä sisältäneet näytteet osoittautuivat heikoimmiksi. Kun tarkastellaan materiaalien käyttäytymistä todennäköisellä käyttöjännitysalueella, Km44- ja Km98-materiaalit kestävät kuormitusta varsin pienin muodonmuutoksin, mutta keskiraekooltaan pienin ja tasarakeinen Km137-materiaali osoittautui heikoksi suurissa kyllästysasteissa. Kuitenkin sekin materiaali näyttäisi kestävän henkilöliikenteen akselipainojen vaikutuksen myös kyllästettynä.
Kenttämittausten perusteella radan alusrakennekerroksen vesipitoisuus määräytyy pitkälti alueellisen (pohja)vedenpinnan korkeuden perusteella. Sateiden vaikutus vesipitoisuuteen oli odotettua vähäisempi, eivätkä sateet kyenneet nostamaan kyllästysastetta yli 60–70 % kyllästysasteen imeytymisen vaikutuksesta, vaan niiden vaikutus näkyi pääasiassa kohonneen (pohja)vedenpinnan myötä. Vesipitoisuudet vaihtelivat odotetusti kohteittain. Km44-kuivatusparannuksella saavutettiin entuudestaan heikosti kuivatettuun kohteeseen erittäin suuri parannus, sillä vuodenaikaisvaihtelua vastaavat korkeat kyllästysasteet katosivat kuivatusparannuksen myötä käytännössä kokonaan ja vesipitoisuus aleni merkittävästi mittaussyvyydellä.
Seurantamittausten perusteella radan pystysuuntaisten siirtymien ja alusrakennekerroksen vesipitoisuuden välille ei kyetty muodostamaan yhteyttä. Sama havainto tehtiin myös täydentävällä routaseuranta-asemien datalla. Havainto on kuitenkin selitettävissä tehdyillä laboratoriokokeilla, sillä varsinkin henkilöliikenteen aiheuttama kuormituslisäys eristyskerroksen syvyydellä on niin pieni, että heikommatkin materiaalit kestävät, kunhan välikerros ei ole täysin vedellä kyllästynyt. Tavaraliikenteen akselipainoilla muodonmuutoksia syntyy hieman enemmän, mutta raskaiden akselipainojen (250 kN) junat operoivat yleensä vain perusparannetuilla rataosuuksilla. Km44-kohteelle tehdyllä kuivatusparannuksella ei kyetty muuttamaan kohteella muodostuvia pystysiirtymiä. Siirtymien yleisimpiä aiheuttajia näyttävät olevan joko pohjamaan painuminen, radan epäjatkuvuuskohdat tai sulamispehmeneminen. On siis todennäköistä, että monin paikoin pelkästään kuivatusta parantamalla ei voida korjata muodostuvia geometriaongelmia.
Tulosten perusteella annettiin suositukset radan kuivatuksen suunnitteluun. Kuivatus kannattaa lähtökohtaisesti pitää aina kunnossa, mutta varsinkin vähäliikenteisillä rataosilla kaikkien rakennekerrosten kuivattaminen voi olla kustannustehotonta. Uuden ohjeistuksen keskeinen sisältö on se, että tukikerros ja välikerros tulee kuivattaa kaikissa tapauksissa. Liikenteen ollessa vilkasta tai raskasta, kuivatustason tulee olla tätäkin syvempi. Alusrakenteen kuivattaminen routamitoitussyvyyteen saakka ei ole tämän tutkimuksen perusteella kuitenkaan välttämättä tarpeellista nykyisin Suomessa käytössä olevilla akselipainoilla.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4945]