Radan rakennekerrosten ominaisuuksien vaikutus geometriavirheen syntyyn

Abstract

Radan kuormituskestävyydellä kuvataan ratarakenteen kykyä vastustaa toistuvasta kuormituksesta syntyviä plastisia muodonmuutoksia. Ratarakenne on kuormituskäyttäytymisen näkökulmasta monimutkainen kokonaisuus ja sen mallintaminen on haastavaa. Tämä diplomityö lähestyy ratarakenteen kuormituskäyttäytymistä laskennallisesta näkökulmasta. Työssä hyödynnetään uutta Peltomäen kehittämää Ballasted Track Simulator -laskentaohjelmaa, joka on ensisijaisesti kehitetty radan kuormituskäyttäytymisen mallintamiseen. Työ on sekä kirjallisuusselvitys että laskennallinen tutkimus. Kirjallisuusselvityksessä on perehdytty karkearakeisten maamateriaalien kuormituskäyttäytymiseen ja sen kuvaamiseen sekä muiden tutkijoiden toimesta aiemmin tehtyihin tutkimuksiin radan kuormituskestävyydestä. Tämän diplomityön laskentaosuuden tärkeimpänä tavoitteena on ollut selvittää radan rakennekerrosten ominaisuuksien vaikutusta geometriavirheen syntyyn muun muassa pehmeillä pohjamailla ja kantavilla pohjamailla. Näiden lisäksi tarkoituksena on ollut selvittää kaluston akselipainon ja käytetyn ajonopeuden vaikutusta geometriavirheen syntyyn. Mallinnettuja geometriavirheitä tutkittiin henkilöliikenteen matkustusmukavuuden näkökulmasta, jota varten laskettiin vaunun korin massakeskipisteen pystykiihtyvyydet. Lisäksi työssä on tutkittu siirtymäkiiloissa käytettävän materiaalin ominaisuuksien sekä siirtymäkiilan pituuden vaikutusta geometriavirheen syntyyn rumpujen aiheuttamissa epäjatkuvuuskohdissa. Toisaalta laskentaosuudessa on ollut tarkoituksena systemaattisesti testata uuden laskentaohjelman toimivuutta ja sen käytettävyyttä, ja verifioida uutta Peltomäen kehittämää materiaalimallia, jonka malliparmetri on syklinen rajajännitys. Tehdyissä laskelmissa havaittiin, että pohjamaaolosuhteiden parametrisointi vaikuttaa huomattavasti saatuihin laskentatuloksiin erityisesti pehmeillä pohjamailla. Laskentatuloksista havaittiin, että pehmeillä pohjamailla syntyy deformaatioeroja radan pituussuunnassa sekä ohuilla että paksuilla rakenteilla. Tuloksista havaittiin, ettei alusrakenteen paksuudella ole yhtä merkittävää vaikutusta geometriavirheen syntyyn kuin aiemman käsityksen mukaan oletettiin. Kuitenkin havaittiin, että tukikerroksen tuennalla saadaan merkittävästi pienennettyä deformaatioeroja pehmeillä pohjamailla ohuillakin alusrakenteilla. Laskelmissa havaittiin, että kaluston akselipaino vaikuttaa huomattavasti rakenteen absoluuttiseen deformaatiotasoon ja kaluston ajonopeus vaikuttaa erityisesti korkeuspoikkeaman muotoon.

Track load resistance describes the track structure’s ability to resist plastic deformation caused by repeated loading. The track structure is a complex entity from the point of view of load behavior and its modeling is challenging. This master’s thesis approaches the load behavior of the track structure from computational point of view. The work utilizes the new Ballasted Track Simulator calculation program developed by Peltomäki, which is primarily developed for modeling the load behavior of the track. The work is both literature review and a computational study. In the literature review, the load behavior of coarse-grained materials and its description have been studied, as well as studies previously carried out by other researchers of the load resistance of the track. The most important goal of the calculation part of this master’s thesis has been to find out the effect of the structural layers of the track on the generation of track irregularity in, for example, on soft subsoils and coarse-grained subsoils. In addition to these, the purpose has been to find the influence of the axel weight and the used driving speed on the generation of geometry error. The obtained geometry errors were studied form the point of view of passenger transport, where the vertical accelerations of the center of mass of the of the car were calculated. In addition, the work has investigated the effect of the material used in the transition wedges and the length of the transition wedge on the generation of geometry error at discontinuity points caused by culverts. On the other hand, the purpose of the calculation part has been to systematically test the functionality of the new calculation program and its usability, and to verify the new material model developed by Peltomäki, which model parameter is the cyclic threshold stress. In the performed calculations, it was found that the modeling of subsoil conditions significantly affects the obtained calculation results, especially on soft subsoils. From the calculation results, it was found that on soft subsoils, deformations differences occur in the longitudinal direction of the track with both thin and thick structures. It was found that the thickness of the substructure does not have as significant an effect on the generation of geometry error as according to the previous understanding. However, it was found that with the tamping of the ballast layer, deformation differences can be significantly reduced on soft subsoils, even with thin structure. In the calculations, it was found that the axle weight of the vehicle significantly affects the amount of absolute deformations, and the driving speed of the vehicle especially affects the shape of the vertical irregularity.