Vasúti vágánygeometria stabilizálása az ágyazat alá beépített georácsokkal

Vasúti vágánygeometria stabilizálása az ágyazat alá beépített georácsokkal Fischer Szabolcs egyetemi tanársegéd Dr. Horvát Ferenc CSc. főiskolai tanár 1

1. Bevezetés Magyarországon nagyvasúti alkalmazásban szinte csak hagyományos zúzottköves felépítmények vannak A vasúti pálya romlása Magas fenntartási és karbantartási költségek (sűrű FKG szabályozási munkák, rostálás, stb.) Minimális fenntartásra fordítható pénzösszeg lassújelek okozta vontatási többletenergia Lehetséges megoldások: Magasabb éves fenntartási-karbantartási keretösszegek Lassújelek megszüntetése Deformációkra kevésbé hajlamos, de rugalmas felépítmény építése (zúzottköves) Merevlemezes felépítmény építése 2

2. Felépítmény-stabilizáció ágyazat alatti georácsokkal Összefogja a zúzottkő ágyazati szemcséket a georács síkjában Vibráció és dinamikus terhelés (ágyazatváll lefolyása, irány- és fekszinthibák) Interlocking hatás (csak bizonyos h magasságig) Forrás: Konietzky et. al. (2004) 3

2. Felépítmény-stabilizáció ágyazat alatti georácsokkal Irodalomkutatás (hazai, külföldi) Laboratóriumi mérések Számítógépes modellezés (FEM, DEM) Terepi mérések 4

2.1. Irodalomkutatás Laboratóriumi mérések: Georács kihúzási vizsgálatok Kicsinyített modelleken végzett statikus és pulzáló terheléses mérések Valós méretarányú mintákon végzett statikus és pulzáló terheléses mérések A vizsgálatok értékelési szempontjai: A modell/minta mérete Statikus vagy pulzáló terhelés Alkalmazott rétegek vastagsága (alépítmény, védőréteg, ágyazat) Többféle anyag vizsgálata Georács rétegek száma Doboz- vagy ládafal és a szemcsék közötti súrlódáscsökkentés Terhelőlemez, tárcsa mérete Ágyazatváll lefolyásának modellezése Mérőműszerek, mérési pontosság 5

2.1. Irodalomkutatás 6 Forrás: Matharu, M. (1994)

2.1. Irodalomkutatás 7 Forrás: Thom, N. H. (2009)

2.1. Irodalomkutatás Forrás: Indraratna et. al. (2007) 8

2.1. Irodalomkutatás 9 Forrás: Brown et. al. (2007)

2.1. Irodalomkutatás Forrás: Brown et. al. (2007) Forrás: Brown et. al. (2006) 10 Forrás: Indraratna et. al. (2007)

2.2. További kutatási elképzelések Laboratóriumi mérések Többszintes nyíróládás vizsgálat Számítógépes szimuláció (PFC3D DEM program) Laboratóriumi mérések szimulációja, igazolása Terepi mérések Vasúti vágányba való beépítés és folyamatos diagnosztika 11

2.2.1. Laboratóriumi mérések 12

2.2.1. Laboratóriumi mérések Állandó értékek: Zúzottkő vastagsága: 40 cm Homok vastagsága: 10 cm Nyírási síkok száma: 4 db Alépítményt modellező rugalmas anyag Tömörítési munka (azonos rétegben, járatban, stb.) Változók: Alépítmény rugalmassági modulusa (pl.: 9, 15, 25 Mpa) 2 féle zúzottkőanyag (új és használt) 3 különböző függőleges terhelési érték Georács típusa 15

2.2.1. Laboratóriumi mérések A mérendő adatok: Az alépítmény E 2 modulusa A zúzottkő anyagok szemeloszlása Függőleges terhelés Vízszintes terhelés A nyíróláda aljának elmozdulása A szükséges mérések száma: Az alépítmény rugalmassági modulusa: i 1 =3 Georácstípusok száma: i 2 =3 Zúzottkőanyagok típusának száma: i 3 =2 Függőleges terhelési értékek száma: i 4 =3 Nyírási síkok: i 5 =4 3 3 2 3 4=216! a mérések számának csökkentése (PFC3D) 16

A georács síkjától mért távolság (cm) 2.2.1. Laboratóriumi mérések 30 Nyomóerők alakulása a nyírási síkokban 4. nyírási sík 3. nyírási sík 20 Nem tömörített zúzottkő, nincs terhelés, nincs georács Tömörített zúzottkő, nincs terhelés, nincs georács 2. nyírási sík 10 Nem tömörített zúzottkő, nincs terhelés, Tensar SSLAG georács Tömörített zúzottkő, nincs terhelés, Tensar SSLAG georács 1. nyírási sík 0 0 5 10 15 20 25 Nyomóerő (kn) 21

2.2.2. Számítógépes szimuláció 22 Forrás: Konietzky et. al. (2004)

2.2.2. Számítógépes szimuláció 23 Forrás: Konietzky et. al. (2004)

2.2.2. Számítógépes szimuláció Particle Flow Code 3 dimenzióban: Az alkalmazott szemcse mérete és alakja tetszés szerint összeállítható (elhelyezésük véletlenszerű generálással) Dinamikus terhelés figyelembevétele A szemcsék mozgásának elemzése, kiértékelése Szemcse-georács kapcsolat modellezése, Forrás: Bussert (2009) 24

2.2.3. Terepi mérések Próbaszakaszok kialakítása georácsok beépítésével Kontrollszakaszok beiktatása Elkészült beépítés vázlatos elrendezése: 1618 1619 1620 1621 1620+00 1620+60 1621+00 1621+60 1622+20 1622+80 1622+90 1623+50 1624+40 1625+00 TENSAR 1. georács VIACON georács TENSAR 2. georács NAUE 1. georács NAUE 2. georács LÉBÉNY KIMLE Szelvényezés 1622 1623 1624 1625 = vízzsák 25

2.2.3. Terepi mérések 26

2.2.3. Terepi mérések A referenciapontokhoz képest 3 aljanként a sínkoronák vízszintes és magassági értelemben felvett értékeinek regisztrálása 0,1 mm pontossággal Mérések ismétlése meghatározott időközönként (1 nap, 1 hét, 1-3-6-12-18-24-36 hónap elteltével) A georács beépítési hatásának vizsgálata a süllyedések, fekszinthibák, irányhibák, síktorzuláshibák kialakulására 29

Süllyedések átlaga (mm) 2.2.3. Terepi mérések Süllyedések átlaga - bal+jobb sínszál 0-2 -4-6 -8-10 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. -12-14 -16 Fekszintszabályozás a 124. napon 31

Süllyedések szórása (mm) 2.2.3. Terepi mérések Süllyedések szórása - bal+jobb sínszál 3,5 3 2,5 2 1,5 1 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,5 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 32

Keresztsüppedések átlaga (mm) 2.2.3. Terepi mérések Keresztsüppedések abszolút értékének átlaga 4 3,5 3 2,5 2 1,5 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 1 0,5 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 33

Keresztsüppedések szórása 2.2.3. Terepi mérések Keresztsüppedések abszolút értékének 3 2,5 2 1,5 1 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,5 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 34

Síktorzulások átlaga 2.2.3. Terepi mérések Síktorzulások abszolút értékének átlaga (3,6 m-es bázison) 0,00035 0,0003 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,00005 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 35

Síktorzulások átlaga 2.2.3. Terepi mérések Síktorzulások abszolút értékének átlaga (7,2 m-es bázison) 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,00005 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 36

Síktorzulások átlaga 2.2.3. Terepi mérések Síktorzulások abszolút értékének átlaga (10,8 m-es bázison) 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,00005 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 37

Fekszinthibák átlaga (mm) 2.2.3. Terepi mérések Fekszinthibák abszolút értékének átlaga (10,8 m- es aszimmetrikus húron) - bal+jobb sínszál 3 2,5 2 1,5 1 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. GEORÁCS 3. GEORÁCS 4. GEORÁCS 5. 0,5 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 38

Fekszinthibák szórása (mm) 2.2.3. Terepi mérések Fekszinthibák abszolút értékének szórása (10,8 m-es aszimmetrikus húron) - bal+jobb sínszál 2,5 2 1,5 1 A beépítés utáni fekszintszabályozás után eltelt idő (nap) 0 20 40 60 80 100 120 140 NEM ROSTÁLT ROSTÁLT ÖSSZESEN ROSTÁLT GEORÁCS NÉLKÜLI ROSTÁLT GEORÁCSOS GEORÁCS 1. GEORÁCS 2. 0,5 0 Fekszintszabályozás a 124. napon 39

2.2.4. A kutatástól várt további eredmények A minimális ágyazatvastagság meghatározása georács erősítésű zúzottköves felépítményeknél A vizsgálatoknál alkalmazandó georácsok különböző merevségi, húzószilárdsági tulajdonsága és rácsmérete esetén korrekt kép alkotása a georács erősítés javító hatásával kapcsolatban Gazdaságossági számításokkal való igazolás a fenntartási költségek csökkentése tekintetében 40

3. Felhasznált irodalom BAGI, K.: A diszkrét elemek módszere, egyetemi jegyzet, BME Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék, 2007, p. 73 BATHURST, R. J., RAYMOND, G. P.: Geogrid reinforcement of ballasted track, Transportation Research Record No. 1153, 1987, pp. 8-14 BROWN, S. F., THOM, N. H., KWAN, J.: Optimising the geogrid reinforcement of rail track ballast, konferencia kiadvány, Railfound Conference, Birmingham, 2006, pp. 346-354 BROWN, S. F., KWAN, J., THOM, N. H.: Identifying the key parameters that influence geogrid reinforcement of railway ballast, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 25, 2007, pp. 326-335 BUSSERT, F.: Recent research into the actual behaviour of geogrids in reinforced soil, nyomtatásban nem megjelent konferencia előadás, Jubilee Symposium on Polymer Geogrid Reinforcement, London, 2009 INDRARATNA, B., SHAHIN, M., RUIJIKIATKAMJORN, C., CHRISTIE, D.: Stabilisation of ballasted rail tracks and underlying soft formation soils with geosynthetic grids and drains, ASCE Special Geotechnical Publication No. 152, Proceedings of Geo-Shanghai 2006, Shanghai, China, 2-4 June 2006, pp. 143-152 INDRARATNA, B., SHAHIN, M. A., SALIM, W.: Stabilisation of granular media and formation soil using geosynthetics with special reference to railway engineering, Journal of Ground Improvement, Vol. 11, No. 1, 2007, pp. 27-44 KONIETZKY, H., TE KAMP, L., GROEGER, T., JENNER, C.: Use of DEM to model the interlocking effect of geogrids under static and cyclic loading, Numerical Modeling in Micromechanics Via Particle Methods 2004 (Proceedings of the 2nd International PFC Symposium, Kyoto, Japan, October 2004), pp. 3-11, Y. Shimizu et al., Eds. Leiden: Balkema, 2004. MCDOWELL, G. R., KONIETZKY, H., JENNER, C., HARIRECHE, O., BROWN, S. F., THOM, N. H.: Discrete element modelling of geogrid-reinforced aggregates, Geotechnical engineering, Vol. 159, No. 1, 2006, pp. 35-48 MATHARU, M.: Geogrids cut ballast settlement rate on soft substructures, Railway Gazette International, March 1994 NEJAD, F. M., SMALL, J. C.: Pullout behaviour of geogrids, Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, Vol. 29, No. B3, 2005, pp. 301-310 PERKINS, S. W., EDENS, M. Q.: Finite element modeling of a geosynthetic pullout test, Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 21, 2003, pp. 357-375 RAYMOND, G. P.: Reinforced ballast bahaviour subjected to repeated load, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 20, 2002, pp. 39-61 RAYMOND, G., ISMAIL, I.: The effect of geogrid reinforcement on unbound aggregates, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 21, 2003, pp. 355-380 SHIN, E. C., KIM, D. H., DAS, B. M.: Geogrid-reinforced railroad bed settlement due to cyclic load, Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 20, 2002, pp. 261-271 SHUWANG, Y., SHOUZHONG, F., BARR, B.: Finite-element modelling of soil-geogrid interaction dealing with the pullout behaviour of geogrids, Acta Mecahnica Sinica (Englih Series), Vol. 14, No. 4, Nov. 1998, pp. 371-382 SZEPESHÁZI, R.: Geotechnika, SZE egyetemi jegyzet, Győr, 2008, p. 187 THOM, N. H.: Rail trafficing testing, konferencia előadás, Jubilee Symposium on Polymer Geogrid Reinforcement, London, 2009 41

Köszönöm a megtisztelő figyelmüket! fischersz@sze.hu 42