Radan rakennekerrosten kuormitusvasteen mittaaminen Kaitjärven monitorointiasemalla

Abstract

Tampereen yliopisto on osana NOSERA-tutkimusohjelmaa rakentanut yhdessä Väyläviraston kanssa raskaan ja nopean junaliikenteen monitorointiaseman, joka sijaitsee Kouvola-Luumäki-rataosan linjaraiteella, lähellä Kaitjärven liikennepaikkaa. Tämän työn tekohetkellä se on ollut käytössä noin vuoden verran. Asemalla mitataan useita eri suureita, mutta tässä työssä keskitytään pelkästään maanpaineiden ja muodonmuutosten tarkasteluun. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia monitorointiaseman toimivuutta ja luotettavuutta kuormitusvasteen näkökulmasta. Aihetta kannattaa tutkia, sillä halutaan varmistua monitorointiasemalle asennettujen mittalaitteiden ja antureiden toiminnasta. Lisäksi erilaisten kalustojen kuormitusvaikutusten tunteminen olisi merkityksellistä eritoten rataomaisuuden hallinnan ja kunnossapidon kannalta. Vastaavanlaisia monitorointiasematoteutuksia ei maailmalta löydy.

Teoriaosiossa perehdytään kirjallisuuskatsauksen avulla ratarakenteisiin, liikennöivään kalustoon, raideliikenteen kuormituksiin sekä karkearakeisten maamateriaalien kuormituskäyttäytymiseen. Ratarakenteiden laadulla ja kunnolla on valtava merkitys siinä, miten rakenne yhtenä kokonaisuutena pystyy ottamaan kalustosta ja ympäristöstä aiheutuvia kuormituksia ja rasituksia vastaan. Kun kalusto liikkuu rataverkolla, kohdistuu siitä kiskoon kvasistaattista sekä dynaamista kuormitusta. Dynaamisen kuormituksen suuruus voi olla hetkellisesti moninkertainen verrattuna kvasistaattiseen kuormitukseen. Merkittävimmät ympäristöstä aiheutuvat kuormitukset ovat vesi ja routa, jotka vaikuttavat maarakenteen jäykkyyteen sekä kuormituskestävyyteen. Kuormituksen alaisena karkearakeiseen maamateriaaliin syntyy pääasiassa palautuvaa muodonmuutosta, mutta kuormitusten toistuessa pysyvien muodonmuutosten määrä kasvaa. Rakenteilla on kyky vastustaa muodonmuutoksia, ja sitä kutsutaan jäykkyydeksi. Se miten hyvin ratarakenne puolestaan kestää kuormitusta, riippuu maamateriaalin lujuudesta.

Varsinaisessa tutkimusosuudessa analysoidaan monitorointiaseman maanpaine- ja siirtymäantureita kahdessa lähes identtisessä poikkileikkauksessa. Analyysi toteutettiin tarkastelemalla monitorointiaseman dataa FlexPro -ohjelman avulla. Antureiden toimivuutta tarkasteltiin kymmenen lastatun tavarajunan ylityksen avulla eri vuodenaikoina, jolloin voitiin arvioida myös lämpötilan ja routaolosuhteiden vaikutuksia. Tulosten perusteella suurin osa maanpaine- ja siirtymäantureista toimii johdonmukaisesti. Yhdellä maanpaineanturitasolla havaittiin epäjohdonmukaisuutta, joka todennäköisesti johtuu siitä, ettei maa ole tiivistynyt riittävän hyvin asennusvaiheessa. Pakkaskaudella maa odotetusti jäätyi ja muodosti jäykemmän rakenteen, mikä voitiin havaita alentuneista mittaustuloksista. Eri kalustojen kuormitusvaikutusten analysoinnissa hyödynnettiin pyörävoimailmaisimen dataa, joka yhdistettiin monitorointiaseman tuottamaan dataan. Tarkasteluissa havaittiin merkittäviä eroja eri kalustojen kuormitusvaikutuksissa. Erityisesti Sr3- ja Dr20-vetureiden aiheuttamien maanpaineiden suuruudet poikkesivat selvästi toisistaan. Erot kuormitusten suuruuksissa ovat todennäköisesti selitettävissä erilaisilla telirakenteilla. Tulosten perusteella raskaampi 6-akselinen Dr20 jakaa kuormia teliensä avulla tasaisemmin kuin Sr3. Lisäksi tuloksista voitiin huomata venäläisen kaluston lovipyöristä aiheutuvia suuria kuormituspiikkejä.

As part of the NOSERA research programme, Tampere University has, in cooperation with the Finnish Transport Infrastructure Agency, constructed a monitoring station for heavy and high-speed rail traffic. The monitoring station is located on the main track of the Kouvola–Luumäki railway section, near the Kaitjärvi traffic operating point. At the time of writing this thesis, it has been in operation for approximately one year. Several different parameters are measured at the station; however, this thesis focuses exclusively on the monitoring of earth pressures and deformations. The purpose of this master’s thesis is to investigate the functionality and reliability of the monitoring station from the perspective of load response. The topic is of particular interest, as it is essential to ensure the proper performance of the measurement devices and sensors installed at the monitoring station. In addition, understanding the load effects of different rolling stock types is highly relevant from the perspective of railway asset management and maintenance. There are no similar long-term railway monitoring installations worldwide.

In the theoretical part of the thesis, railway track structures, rolling stock, railway traffic loads, and the load behaviour of coarse-grained geomaterials are examined through a literature review. The quality and condition of railway track structures play a crucial role in how the structure as a whole is able to withstand loads and stresses caused by rolling stock and environmental conditions. When rolling stock operates on the railway network, both quasi-static and dynamic loads are applied to the rails. Dynamic loading can be temporarily several times higher than quasi-static loading. The most significant environmental loads include water and frost, both of which affect the stiffness and load-bearing capacity of the soil structure. Under loading, coarse-grained soil materials primarily exhibit recoverable deformation, although repeated loading increases the accumulation of permanent deformation. Track structures possess the ability to resist deformation, referred to as stiffness. The load-bearing capacity of the railway structure depends on the strength of the soil material.

In the experimental part of the thesis, earth pressure and displacement sensors installed at the monitoring station are analysed in two nearly identical cross-sections. The analysis was conducted by examining the data from monitoring station utilizing the FlexPro software. The functionality of the sensors was evaluated using ten passages of loaded freight trains across different seasons, enabling the assessment of temperature and frost effects. Based on the results, the majority of the earth pressure and displacement sensors operated consistently. However, inconsistencies were observed at one earth pressure sensor level, most likely due to insufficient soil compaction during the installation phase. During the frost period, the soil froze as expected and formed a stiffer structure, which was reflected in reduced measurement values. In the analysis of load effects from different rolling stock, wheel force detector data were utilized and combined with data obtained from the monitoring station. The evaluation revealed significant differences in the loading effects between different types of rolling stock. The magnitudes of earth pressures induced by Sr3 and Dr20 locomotives differed clearly from each other. These differences are most likely explained by variations in bogie design. The results indicate that the heavier six-axle Dr20 distributes loads more evenly through its bogies compared to the Sr3. In addition, the results revealed large load peaks caused by wheel flats in Russian rolling stock.