Leca®-ratkaisut ratarakentamisessa

Ratarakentamisen kohteet ovat pääsääntöisesti vaativuusluokaltaan vaativia tai erittäin vaativia ja niiden suunnittelu edellyttää geoteknistä erityisosaamista. Tyypillisiä ratapenkereen perustamisessa kohdattavia ongelmia ovat penkereiden sortumariskit, painumat, rakenteiden siirtymät sekä rataliikenteen ominaispiirteistä aiheutuvat haasteet kuten tärinä ja maantieliikenteeseen verrattuna raskaammat kuormat. 

Ratapenkereen geoteknisessä mitoituksessa etsitään parhaiten soveltuva perustamistapa vallitseviin pohjaolosuhteisiin ja junakuormiin huomioiden hankkeen taloudelliset ja aikataululliset reunaehdot. Suunnitteluohjeista olennaisimpia ovat Liikenteen turvallisuusviraston määräykset, Eurokoodit kansallisine liitteineen sekä Väyläviraston ohjeet.

Uusille ja vanhoille ratahankkeille sovelletaan erilaista mitoitusmenettelyä. Alus- ja pohjarakenteiden käyttöikävaatimus on 100 vuotta.

Kantavuus- ja vakavuusmitoitus

Laskennallisen mitoituksen määrittäviä tekijöitä ovat rakenteen vakavuutta kuvaavat varmuusluvut ja sallitut painumat. Laskennan lähtötiedot perustuvat pohjatutkimuksiin, joista selviää mm. maapohjan kerroksellisuus sekä lujuus- ja muodonmuutosominaisuudet.

Pohjasuhteet selvitetään koko hankkeen alueelta sekä ratalinjalla että yksittäisten rakenteiden osalta. Riittävän laajat ja laadukkaat pohjatutkimukset ovat avainasemassa luotettavan mitoituksen saavuttamiseksi.

Liukupinta-analyysi on Suomessa yleisesti käytetty vakavuuslaskennan menettelytapa. Menetelmässä sortuman oletetaan tapahtuvan maassa tunnettua liukupintaa pitkin (kuva 1). Laskentatarkasteluissa etsitään kriittisin liukupinta, joka määrittää rakenteen tai maapohjan vakavuuden. Liukupinta pyrkii usein hakeutumaan alhaisimman leikkauslujuuden omaavan maakerroksen kautta.

Suomessa yleisesti käytettäviä liukupinta-analyysiin perustuvia mitoitustapoja on kaksi: kokonaisvarmuusluku- ja osavarmuusmenetelmä. Kokonaisvarmuuslukumenetelmä on ns. perinteinen mitoitustapa, jossa laskennassa käytetään parametrien ominaisarvoja. Laskennan tuloksena saatava kokonaisvarmuuskerroin (Fkok) määrittää rakennetta tukevien voimien suuruuden suhteessa rakennetta murtaviin voimiin. Ratapenkereen mitoituksessa vaatimus F-luvulle on ≥ 1,5 – 1,8 riippuen tarkastelevasta mitoitustilanteesta. 

Voimassa olevan Eurokoodi 7 mukaisessa osavarmuusmenetelmässä parametreihin sovelletaan osavarmuuskertoimia, jolloin laskenta tehdään mitoitusarvoilla. Osavarmuuslukumenettely mahdollistaa varmuuden varioinnin eri parametrien osalta. Mitoituksen tuloksena saadaan ylimitoituskerroin ODF, jonka vaatimusten mukaan tulee olla ≥ 1,0. 

Kevennysrakenteen geotekninen mitoitus ratahankkeisiin ei eroa merkittävästi luonnonkiviainekselle tehdystä mitoituksesta. Leca-kevytsora muistuttaa teknisiltä ominaisuuksiltaan kitkamaata.  Laskennassa käytetään Väyläviraston kevennysohjeen mukaisia mitoitusparametreja. Mikäli vedenpinta voi nousta rakenteeseen, on kevennysrakenne mitoitettava nosteelle ylimmän mahdollisen toteutuvan vesipinnan tasoon Eurokoodin mukaisesti.  

Pohjarakentaminen ratahankkeissa

Paaluperustus on tyypillinen ratapenkereen perustamistapa, mutta on kustannuksiltaan yleensä hintavin. Vastapenger on yleisesti käytetty, huokea keino lisätä penkereen vakavuutta ja erityisesti estää penkereen sisäisen liukupintasortuman. Penkereen vakavuutta voidaan parantaa myös erilaisilla syvästabilointiratkaisuilla sekä kuormitusta pienentävillä kevennysrakenteilla. 

Rakennuspohjat sijaitsevat yhä useammin heikosti kantavilla pohjamailla, mikä lisää kevennysrakenteiden tarvetta tulevaisuudessa. Rakennetta keventämällä pienennetään kiviaineksesta maapohjalle aiheutuvaa kuormaa ja siten on mahdollista välttää mittavien, usein kustannuksiltaan korkeiden pohjarakenteiden käyttö. Leca-kevytsorarakenteen suurimmat edut ovatkin taloudellisuus, helppokäyttöisyys ja soveltuvuus erilaisiin tarpeisiin.

Leca-kevytsora ratarakentamisessa

Leca-kevytsoraa on hyödynnetty mm. Kokemäki–Rauma-radan korjaushankkeessa massanvaihdon kevennysmateriaalina (n. 2500 m³) ja Kerava–Lahti oikoradalla mm. ratapengermateriaalina, sekä tie- ja siltarakenteissa parin toteutusvuoden aikana yli 100 000 m³. Vuonna 2006 avatulla oikoradalla Leca-kevytsoraa käytettiin noin kilometrin mittaisella, entisen viljelysmaan yli kulkevalla rataosuudella arviolta 15 000 m³.

Alueella on syvä pehmeikkö – kova pohja sijaitsee keskimäärin 45 m syvyydessä. Pohjamaan yläosassa kuivakuorikerroksen alla on kerros pehmeää savea. Savisen ja silttisen maaperän leikkauslujuus vaihtelee välillä 9–40 kPa ja vesipitoisuus välillä 40–90 %. (kuva 2)

Kyseisellä rataosuudella kevytsorarakenteella sekä määrämittaisella pilaristabiloinnilla korvattiin paalulaattaratkaisu. Pehmeikön paksuuden vuoksi paalutus olisi täytynyt tehdä huomattavan syvälle (n. 30 m), mikä olisi nostanut kustannuksia merkittävästi.

Syvästabilointi ulotettiin pehmeän savikerroksen alaosaan. Lisävarmistuksena kevytsorakerros ympäröitiin geolujitekankaalla ja ylipenkereellä nopeutettiin painumien muodostumista. Vastapenkereet toimivat sekä huoltoteiden alustana että vakauttavana rakenteena. 

Toteutetulla Leca-kevennysrakenteella saavutettiin merkittävä kustannussäästö. Käyttämällä tätä tekniikkaa kustannussäästöt olivat noin 1,6 miljoonaa euroa verrattuna paalutusperustuksiin. Väyläviraston seurannan mukaan oikorata on 10 käyttövuotensa aikana toiminut odotuksien mukaisesti. 

Potentiaali nykypäivänä

Ratatekniset ohjeet ovat päivittyneet Lahden oikoradan suunnitteluvaiheen jälkeen. Hankkeen nykypäivän kustannuksia ja toteutusta mallinnettiin mitoittamalla toteutettu kevennysrakenne nykyisten vaatimusten mukaisesti (kuva 2). Rakenteen kustannuksia verrattiin vastaaviin olosuhteisiin perustettavaan paalulaattarakenteeseen.

Geotekninen mitoitus tehtiin Eurokoodi 7 mukaisesti osavarmuusmenetelmällä mitoitustavalla DA3. Kuormien ja ratageometrian osalta noudatettiin Väyläviraston ratateknisiä ohjeita (RATO3). Pilaristabiloinnin mitoituksessa sovellettiin uutta syvästabiloinnin suunnitteluohjetta (2018), jonka merkittävimmät muutokset vanhaan ohjeeseen verrattuna liittyvät mitoitusperiaatteiden päivittämiseen Eurokoodi 7 mukaisiksi.

Päivitetty ratapenkereen mitoitus mukailee alkuperäisiä suunnitelmia. Radan stabiliteetti ilman pohjanvahvistusta on riittävä ja mitoituksen määrittäväksi tekijäksi muodostuvat sallitut painumat. Yhdistämällä vähintään 6 kk painopenger ja pilaristabilointi – rakenteeseen ratapenkereen käytönaikainen kokonaispainuma pysyy sallituissa rajoissa (100 mm / 100 v).

Kevennysrakenteen ja pilaristabiloinnin yhdistelmällä on mahdollista saavuttaa merkittävä kustannussäästö verrattuna paalulaatalle perustettavaan ratarakenteeseen. Tehdyssä tarkastelussa kevennysratkaisun pohjarakentamiskustannukset muodostavat kolmanneksen (35 %) paalulaatan kokonaiskustannuksista. Säästön voidaan arvioida olevan 100 m pituisella ratapenkereellä 540 000 €.

Kustannusvertailussa huomioitiin ratapenkereen tyyppipoikkileikkaukseen kuuluvat rakenteet: pengermateriaali, yli- ja vastapenkereet sekä pohjarakenteet. Kustannuslaskenta perustuu vallitseviin rakennusosakohtaisiin hintoihin sekä tyypillisiin Leca-kevytsoran kustannuksiin (35–40 €/m³).

Uusia ratayhteyksiä rakennetaan erityisesti Etelä-Suomeen. Suuri suunnitteilla oleva ratahanke on Helsinki–Turku nopea junayhteys, jonka tiimoilta ensimmäisenä rakennetaan 95 km uutta rataa Espoo–Salo-oikoradalle. Kyseinen ratalinja kulkee 35 km matkalta pehmeiköllä ja noin neljänneksellä radasta on erikoisrakenteita kuten siltoja ja tunneleita. Kevennysrakenteiden voidaan arvioida soveltuvan merkittävälle osalle ko. rataa.

Myös potentiaali korjausrakentamisessa on huomionarvoinen. Olemassa olevan ratapenkereen korjaaminen vaatii erikoisjärjestelyjä ja on tyypillisesti vastaavaa tiehanketta haastavampi. Leca-kevytsora on materiaalina helppo käsitellä ja varastoida, ja siten oivallisesti soveltuva aikataulullisesti tiukkoihin hankkeisiin.