Havaitun ja laskennallisen roudan syvyyden ja routanousun vertailu radalla
Penttilä, Juhani (2013)
Penttilä, Juhani
2013
Rakennustekniikan koulutusohjelma
Tuotantotalouden ja rakentamisen tiedekunta - Faculty of Business and Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-03-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201303131078
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201303131078
Tiivistelmä
Suomen rataverkon rakennekerrokset mitoitetaan routimattomiksi, jotta radan tasaisuusvaatimus täyttyy. Routivat radan rakennekerrokset ja routiva pohjamaa aiheuttavat haittaa radan rakenteelle. Tämä tutkimus käsittelee radan routaantumista ja routimista sekä niiden mallintamista laboratoriokokeiden perusteella.
Radan routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuudet havaitaan usein riittämättömiksi, jolloin routa tunkeutuu pohjamaahan aiheuttaen routanousuja sekä mahdollisesti raidegeometrian vääristymiä epätasaisen routanousun seurauksena. Radan routasuojaus perustuu riittäviin tuki- ja alusrakennekerrospaksuuksiin sekä routaeristeiden käyttöön. Routiminen edellyttää pakkasta, vettä ja routivaa maamateriaalia, joista jonkin puuttuessa routimista ei tapahdu.
Laboratoriossa ja radalla havaittavan routimisen yhteyden selvittämiseksi TTY:llä on kehitetty kenttämittausjärjestelmä, jolla havainnoidaan roudan syvyyttä, radan routanousuja, ratarakenteen kosteutta ja ilman lämpötilaa. Mittaustulokset tallentuvat dataloggeriin ja ovat etäluettavissa GPRS-yhteydellä. Tutkimuksessa analysoitiin 14 roudan monitorointiaseman mittaustuloksia. Ilmatieteen laitokselta tilattiin säähavaintotiedot koekohteiden vuorokauden keskilämpötilasta, sademäärästä ja lumensyvyydestä. Lämpötilatiedoista laskettiin talvien pakkasmäärät, joista arvioitiin laskennallisesti roudan syvyyksiä ja vertailtiin talvien ankaruuksia.
Tutkimukseen sisältyi laboratoriossa tehtäviä routanousukokeita kenttähavaintokohteiden tukikerros-, alusrakennekerros- ja pohjamaanäytteille. Routanousukokeella määriteltiin materiaalien routimisherkkyys otollisissa routimisolosuhteissa. Tutkittavien näytemateriaalien rakeisuudet ja vesipitoisuudet määritettiin. Ainoastaan kaksi tukikerrosnäytettä arvioitiin routimiskertoimen ja neljän vuorokauden jälkeisen routanousun perusteella käytännöllisesti routimattomaksi. Suurin neljän vuorokauden jälkeinen routanousu pohjamaanäytteissä oli 43,8 mm. Monet alusrakennekerrosnäytteet ja kaikkien havaintokohteiden pohjamaanäytteet olivat erittäin routivia.
Tuki- ja alusrakennekerrosnäytteiden hienoainespitoisuuden ja routanousukokeessa tapahtuneen routanousun välillä havaittiin selvä riippuvuus. Koekohteilla havaitun roudan syvyyden ja Stefanin kaavalla laskennallisesti määritetyn roudan syvyyden välillä havaittiin selkeää riippuvuutta. Pakkasmäärän perusteella laskettu roudan syvyys antaa hyvän arvion talven roudan syvyydestä. Koekohteilla havaitun ja laboratoriokokeiden perusteella laskettujen routanousujen välille ei havaittu selkeää riippuvuutta.
Kentällä tapahtuvan routimisen mallintaminen laboratoriokokeiden perusteella vaatii jatkotutkimuksia. Routimisen mallintaminen vaatii havaintokohteiden paikallisten routimis- ja ilmasto-olosuhteiden tarkempaa huomiointia. This study focusses on the frost action on the railway track and its modelling in laboratory settings. The Finnish railway network structure has been designed with non-frost-susceptible structural layers in order to meet track smoothness requirements. Frost-susceptible layers of track structures cause structural damage to the track.
The thicknesses of the track’s frost-susceptible structural layers are often insufficient which allows frost heave to occur possible leading to distorted track geometry. Cold weather, water and frost-susceptible soil material, are required for frost action to occur. Therefore, sufficient ballast- and sub-ballast layers with insulation layers, if necessary, have been widely used to protect track structures from frost action.
To verify the results of frost action tests conducted in laboratory, TUT has developed a field measurement system to measure frost penetration depth, frost heaving of track, moisture content of track structure, and air temperature. The measurement results stored in a data logger can be read remotely via a GPRS connection. Data collected from 14 frost monitoring stations was analysed in this study. On-site meteorological data the daily average temperature, the amount of precipitation and snow depth ordered from the Finnish Meteorological Institute were also used in this study. The severities of winters were evaluated based on air freezing indices and frost penetration depths.
Laboratory frost heave tests on ballast, sub-ballast and subsoil samples from field sites were used to determine frost heave and the frost-susceptibility of materials in conditions conducive to frost action. The grain sizes and water content of materials were also measured. Only two ballast layer samples were found to be practically non-frost- susceptible based on the frost heave coefficient and amount of frost heave after four days. The maximum frost heave after a four-day freeze was 43.8 mm. Many of the sub-ballast samples and all of the subsoil samples proved to be frost-susceptible.
The correlation between frost susceptibility and fines content of ballast and sub-ballast samples fines content was clear. The observed frost penetration depth at field sites and the one calculated using Stefan’s formula based on the air freezing index also correlated closely. The calculated frost penetration depth based on the air freezing index gives a good estimate of frost penetration depth. No clear correlation between observed frost heave at field sites and calculated frost heave based on laboratory frost heave tests was found.
Modelling of frost heave in the field by laboratory tests needs to be studied further. Modelling of frost action requires more accurate observations about actual frost action and climatic conditions in the field.
Radan routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuudet havaitaan usein riittämättömiksi, jolloin routa tunkeutuu pohjamaahan aiheuttaen routanousuja sekä mahdollisesti raidegeometrian vääristymiä epätasaisen routanousun seurauksena. Radan routasuojaus perustuu riittäviin tuki- ja alusrakennekerrospaksuuksiin sekä routaeristeiden käyttöön. Routiminen edellyttää pakkasta, vettä ja routivaa maamateriaalia, joista jonkin puuttuessa routimista ei tapahdu.
Laboratoriossa ja radalla havaittavan routimisen yhteyden selvittämiseksi TTY:llä on kehitetty kenttämittausjärjestelmä, jolla havainnoidaan roudan syvyyttä, radan routanousuja, ratarakenteen kosteutta ja ilman lämpötilaa. Mittaustulokset tallentuvat dataloggeriin ja ovat etäluettavissa GPRS-yhteydellä. Tutkimuksessa analysoitiin 14 roudan monitorointiaseman mittaustuloksia. Ilmatieteen laitokselta tilattiin säähavaintotiedot koekohteiden vuorokauden keskilämpötilasta, sademäärästä ja lumensyvyydestä. Lämpötilatiedoista laskettiin talvien pakkasmäärät, joista arvioitiin laskennallisesti roudan syvyyksiä ja vertailtiin talvien ankaruuksia.
Tutkimukseen sisältyi laboratoriossa tehtäviä routanousukokeita kenttähavaintokohteiden tukikerros-, alusrakennekerros- ja pohjamaanäytteille. Routanousukokeella määriteltiin materiaalien routimisherkkyys otollisissa routimisolosuhteissa. Tutkittavien näytemateriaalien rakeisuudet ja vesipitoisuudet määritettiin. Ainoastaan kaksi tukikerrosnäytettä arvioitiin routimiskertoimen ja neljän vuorokauden jälkeisen routanousun perusteella käytännöllisesti routimattomaksi. Suurin neljän vuorokauden jälkeinen routanousu pohjamaanäytteissä oli 43,8 mm. Monet alusrakennekerrosnäytteet ja kaikkien havaintokohteiden pohjamaanäytteet olivat erittäin routivia.
Tuki- ja alusrakennekerrosnäytteiden hienoainespitoisuuden ja routanousukokeessa tapahtuneen routanousun välillä havaittiin selvä riippuvuus. Koekohteilla havaitun roudan syvyyden ja Stefanin kaavalla laskennallisesti määritetyn roudan syvyyden välillä havaittiin selkeää riippuvuutta. Pakkasmäärän perusteella laskettu roudan syvyys antaa hyvän arvion talven roudan syvyydestä. Koekohteilla havaitun ja laboratoriokokeiden perusteella laskettujen routanousujen välille ei havaittu selkeää riippuvuutta.
Kentällä tapahtuvan routimisen mallintaminen laboratoriokokeiden perusteella vaatii jatkotutkimuksia. Routimisen mallintaminen vaatii havaintokohteiden paikallisten routimis- ja ilmasto-olosuhteiden tarkempaa huomiointia.
The thicknesses of the track’s frost-susceptible structural layers are often insufficient which allows frost heave to occur possible leading to distorted track geometry. Cold weather, water and frost-susceptible soil material, are required for frost action to occur. Therefore, sufficient ballast- and sub-ballast layers with insulation layers, if necessary, have been widely used to protect track structures from frost action.
To verify the results of frost action tests conducted in laboratory, TUT has developed a field measurement system to measure frost penetration depth, frost heaving of track, moisture content of track structure, and air temperature. The measurement results stored in a data logger can be read remotely via a GPRS connection. Data collected from 14 frost monitoring stations was analysed in this study. On-site meteorological data the daily average temperature, the amount of precipitation and snow depth ordered from the Finnish Meteorological Institute were also used in this study. The severities of winters were evaluated based on air freezing indices and frost penetration depths.
Laboratory frost heave tests on ballast, sub-ballast and subsoil samples from field sites were used to determine frost heave and the frost-susceptibility of materials in conditions conducive to frost action. The grain sizes and water content of materials were also measured. Only two ballast layer samples were found to be practically non-frost- susceptible based on the frost heave coefficient and amount of frost heave after four days. The maximum frost heave after a four-day freeze was 43.8 mm. Many of the sub-ballast samples and all of the subsoil samples proved to be frost-susceptible.
The correlation between frost susceptibility and fines content of ballast and sub-ballast samples fines content was clear. The observed frost penetration depth at field sites and the one calculated using Stefan’s formula based on the air freezing index also correlated closely. The calculated frost penetration depth based on the air freezing index gives a good estimate of frost penetration depth. No clear correlation between observed frost heave at field sites and calculated frost heave based on laboratory frost heave tests was found.
Modelling of frost heave in the field by laboratory tests needs to be studied further. Modelling of frost action requires more accurate observations about actual frost action and climatic conditions in the field.