CEDEX testasi Leca®-soraa vaativassa ratarakenteessa
Miten Leca-sora käyttäytyy ratarakenteessa toistuvassa junakuormituksessa? Tätä selvitettiin PEDLER-hankkeessa Madridissa CEDEXin Track Box -testilaitteistossa, jossa täysimittainen ratarakenne altistettiin staattiselle, dynaamiselle ja väsyttävälle kuormitukselle. Testi tuottaa arvokasta tietoa rata- ja geosuunnitteluun erityisesti kohteissa, joissa rakenteen painoa ja painumariskiä on hallittava.
Täysimittainen testi ratarakenteelle
Madridissa sijaitseva CEDEXin Track Box on 21 metriä pitkä, 5 metriä leveä ja 4 metriä syvä teräsrakenteinen testilaitteisto. Sen sisään on rakennettu kokonainen ratarakenne alhaalta ylös: penger, rakennekerrokset, tukikerros, ratapölkyt ja kiskot.
Hydrauliset toimilaitteet kuormittavat rakennetta junan akselikuormia vastaavalla tavalla. Testeissä voidaan simuloida eri nopeuksia aina 400 km/h:iin asti, mikä mahdollistaa ratarakenteen käyttäytymisen tutkimisen hyvin vaativissa kuormitusolosuhteissa.
CEDEXin geoteknisen laboratorion johtaja José Estaire Gepp on johtanut kokeellista rautatietutkimusta yli 20 vuoden ajan. Hänen mukaansa Track Box on Euroopan ainoa tämän tyyppinen testauslaitteisto.
“Track Boxissa voimme seurata yhtä aikaa sekä radan pinnan että yksittäisten rakennekerrosten käyttäytymistä”, José Estaire Gepp kertoo.
Miksi Leca®-soraa testattiin ratarakenteessa?
Leca-soraa käytetään infrarakentamisessa kohteissa, joissa rakenteen kuormitusta halutaan vähentää. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi tukimuurien taustatäytöt, siltapenkereet, pehmeiköille rakennettavat penkereet ja muut painumaherkät kohteet.
Materiaalin pieni tiheys vähentää alapuolisiin maakerroksiin kohdistuvaa kuormitusta. Samalla suuri sisäinen kitkakulma antaa materiaalille sen painoon nähden hyvän leikkauslujuuden.
Ratarakenteissa keskeinen kysymys on toistuva kuormitus. Junaliikenne aiheuttaa rakenteeseen jatkuvia akselikuormia, ja rakenteen on säilytettävä toimintakykynsä myös pitkäaikaisessa kuormituksessa. PEDLER-hankkeen tavoitteena oli selvittää, miten Leca-sorakerros käyttäytyy osana kuormitettua ratarakennetta.
1,1 metrin Leca®-sorakerros
PEDLER-hankkeen nimi tulee sanoista Performance and Durability of LECA filling in Railway embankments. Testissä rakennettiin täysimittainen ratarakenne, jossa radan yläpuoliset rakennekerrokset vastasivat käytännön ratarakentamisen vaatimuksia.
Tavanomaisen maa-aineksesta rakennetun penkereen sijaan rakenteeseen asennettiin 1,1 metrin kerros Leca-soraa. Tavoitteena oli arvioida juuri Leca-sorakerroksen käyttäytymistä niin, että sen yläpuolinen ratarakenne vastasi todellisia käyttöolosuhteita.
CEDEX oli tutkinut Leca-soraa jo aiemmin materiaalitasolla. Rakeille tehtiin yli tuhat yksittäistä kestotestiä sekä suurimittakaavaisia kolmiaksiaali- ja suoraleikkauskokeita. PEDLER oli seuraava vaihe: siinä tutkittiin, säilyykö materiaalin toimivuus myös täysimittaisessa, kuormitetussa ratarakenteessa.
Tulokset: Leca®-sorakerros pysyi vakaana kuormituksessa
Staattisissa testeissä radan jäykkyysarvot olivat 90–100 kN/mm. Testien perusteella rakenne saavutti kuormituksen kannalta toimivan jäykkyystason.
Dynaamisissa testeissä kuormitusta lisättiin vaiheittain eri nopeustasoilla. Kiskon kokonaisiirtymä seurasi teoreettisia ennusteita koko testausalueella. Tukikerroksen siirtymät olivat samalla tasolla kuin tavanomaisissa pengerakenteissa.
Leca-sorakerroksen sisällä liikkeet pysyivät alle 0,1 millimetrissä koko nopeusalueella. Tämä osoittaa, että kevytsorakerros pysyi käytännössä vakaana samalla, kun sen yläpuolinen ratarakenne käyttäytyi normaalisti.
Keskeinen havainto
Leca-sorakerros säilytti vakautensa toistuvassa junakuormituksessa, ja sen muodonmuutokset olivat hyvin pieniä suhteessa yläpuolisen ratarakenteen liikkeisiin.
Väsytyskokeessa simuloitiin pitkäaikaista junakuormitusta
PEDLER-hankkeessa tehtiin myös väsytyskokeita, joissa tutkittiin rakenteen käyttäytymistä pitkäaikaisessa toistuvassa kuormituksessa.
Testissä simuloitiin ensin matkustajaliikennettä: miljoona akselia noin 15 tonnin akselikuormalla. Kokonaiskuorma oli 15 miljoonaa tonnia.
Tämän jälkeen simuloitiin tavaraliikennettä: 300 000 akselia eri nopeuksilla. Kokonaiskuorma oli noin 5 miljoonaa tonnia.
Tukikerrokseen kertyi pysyvää painumaa odotetusti ja vähitellen. Leca-sorakerroksessa pysyvä muodonmuutos oli matkustajaliikenteen jälkeen lähes olematon ja kasvoi tavaraliikenteen kuormitusvaiheessa vain vähän.
Mitä tulokset tarkoittavat rata- ja geosuunnittelulle?
PEDLER-hankkeen tulokset vahvistavat, että Leca-sora voi toimia kevennysmateriaalina vaativissa ratarakenteissa. Testirakenne käyttäytyi jäykkyyden, dynaamisen vasteen ja pitkäaikaisen painuman osalta vertailukelpoisesti tavanomaisten pengerakenteiden kanssa.
Suunnittelun kannalta tulokset ovat erityisen kiinnostavia kohteissa, joissa alapuolisiin maakerroksiin kohdistuvaa kuormitusta on rajoitettava. Tällaisia kohteita voivat olla esimerkiksi pehmeiköt, siltapenkereet, painumaherkät alueet ja rakenteet, joissa epätasaisen painuman riskiä halutaan vähentää.
Leca-soran tiheys on noin kolmasosa tavanomaisen täyttömateriaalin tiheydestä. Kun tähän yhdistyy täysimittaisessa testissä osoitettu toimivuus, materiaali tarjoaa suunnittelijoille kevyen vaihtoehdon kohteisiin, joissa rakenteen painolla on ratkaiseva merkitys.
“Kun vertasimme Leca-rakennetta tavanomaisista ratarakenteista keräämäämme dataan, tulimme siihen johtopäätökseen, että sen käyttäytyminen on täysin toimivaa ja vertailukelpoista. Materiaali kesti junien aiheuttamat kuormitukset.”
— José Estaire Gepp, CEDEXin geoteknisen laboratorion johtaja (kuvassa vasemmalla)
Katso webinaaritallenne ja tutustu raporttiin
PEDLER-hankkeen tuloksia on käsitelty myös webinaarissa. Lisäksi Leca.com-sivustolla on julkaistu raportti, jossa testimenetelmiä ja tuloksia avataan tarkemmin.
>> Katso webinaaritallenne
>> Lue raportti Leca.com-sivustolla
>> Lue koko haastattelu BUILD-lehdestä
