Leca® letfyld i jernbanekonstruktioner



Rambøll

Artikel af Rambøll Finland

Jernbanerelaterede konstruktions- og renovationsprojekter er ofte forbundet med et betydeligt omfang af jordarbejde og jordforbedring. Store forekomster af lerjord i anlægsområder kræver omkostningseffektive geotekniske løsninger. Leca® letklinker er et alsidigt materiale, der tilbyder flere forskellige løsninger inden for jernbanekonstruktion. Det fortæller Saila Pahkakangas og Taavi Dettenborn, geotekniske designere ved Rambøll Finland, mere om i denne artikel.

Jernbanekonstruktioner er generelt mere udfordrende end andre infrastrukturprojekter. Succesfuld pro­jektimplementering bliver ofte kompliceret af strenge sikkerheds­krav, krævende jordforhold og am­bi­tiøse tidsplaner. Fordi en løsning på en række geotekniske udfordringer kan findes i belastningsreduktion, er Leca® letklinker et velegnet materiale, som både kan anvendes til renovering af eksisterende jernbaner og som fundament for nye.

Grundlæggende om geoteknisk jernbanedesign
I nutidens klassificering af tekniske projekter hører jernbaner (som designobjekt) til kategorien 'vanskeligt til meget vanskeligt design'. Typiske problemer i forbindelse med jernbaners fundamenter er hældningsstabilitet (risiko for skred), sætninger, forskydninger og andre problemer relateret til jernbanetransport, f.eks. vibrationer og betydelig tungere last end ved vejtransport.

Ved geoteknisk dimensionering af fyldmateriale til jernbanekonstruktion kræves det, at man anvender en fundamentsmetode, der tager hensyn til de aktuelle jordfor­hold og belastningen fra toget, og afbalancerer dette med projektets økonomiske og tidsmæssige rammer. Dimensioneringen skal desuden op­­fylde krav fra forskellige myndig­heder.
Hvilken dimensionsmetode, der skal bruges, afhænger af projekttype, herunder om det er nyanlæg eller renovering af eksisterende jernbaner. Den krævede levetid på undergrund og fundament er 100 år.

Bæreevne og stabilitetsberegninger
Sikkerhedsfaktorer, der beskriver stabiliteten af en konstruktion og den maksimalt tilladte sætning, er foreskrevne parametre, der skal anvendes i beregningerne. De indledende data for dimensionering omfatter bestemmelse af de geotekniske forhold, lag­deling og styrkeegenskaber, og fastslås ved jordundersøgelser. Jordforholdene skal bestemmes inden for projektområdet, hvilket omfatter jernbanen og tilhørende separate strukturer. Jordundersøgelserne udført i den udstrækning og kvalitet, der kræves, sikrer pålideligheden af beregningsresultaterne.
I Finland er en glidende overfladeana­lyse den mest almindelige metode til beregning af hældningsstabilitet. I denne metode antages det, at fejlen opstår langs den etablerede skrånende overflade af strukturen (se figur 1 længere nede). Beregningerne udføres for at bestemme den mest kritiske skrånende overflade, der definerer hældningen og/eller stabilitet af underjorden. Den kritiske skrånende overflade er normalt tildelt jordlaget med den laveste forskydningsværdi.

I Finland er der to almindelige beregnings­metoder, som er baseret på glidende overfladeanalyse: Total sikkerhedsfaktor og delvis sikkerhedsfaktor. Den totale sikkerhedsfaktor-metode er en såkaldt konventionel beregningsmetode, hvor specifikke parameterværdier anvendes. Den beregnede totale sikkerhedsfaktor (Ftot) definerer styrke (modstand) af konstruktionen mod drivkraftenes størrelse. Den F-værdi, der kræves til jernbanen, skal være ≥ 1,5 - 1,8 afhængigt af analyserne. I metoden til beregning af den delvise sikkerhedsfaktor, der er angivet af Eurocode 7, reduceres parametrene med den delvise sikkerhedsfaktor til at producere dimensioneringsværdier, og beregningerne udføres med disse tildelte dimensioneringsværdier. Euro­code-metoden muliggør undersøgelse af alternative sikkerhedsfaktorer for hver parameter. Resultatet af beregningen er en overdimensioneringsfaktor (ODF), som kræver at værdien skal være ≥ 1,0.

Der er ingen signifikant forskel på udformningen af en letfyldsstruktur og en fyldning af natursten med hensyn til beregning eller analyse. Af tekniske egenskaber opfører Leca® letklinker sig som en ikke-sammenhængende (granulær) jord. Beregningerne udføres ved hjælp af de dimensioneringsparametre, der er beskrevet i vejledningen til letfylds­applikationer. Hvis vand kan stige ind i Leca® letklinker-strukturen, skal der tages højde for opdrift. I henhold til Eurocode-kravene skal fyldestrukturen dimensioneres til det højest mulige grundvandsniveau.

Jernbanefundament
Et pælefunderet fundament er en almindelig anvendt fundamentsmetode til jernbaner. Metoden er passende i mange tilfælde, og er normalt den dyreste løsning. Billige volde anvendes til at øge stabiliteten og især for at mindske risikoen for brud i den indre stabilitetsstruktur. Skråningens stabilitet kan forbedres ved hjælp af forskellige dybe stabilise­ringsløsninger og lastreducerende fyldstrukturer.

Ofte skal fundamenter bygges på en undergrund med en dårlig bæreevne, hvilket øger behovet for letfyldsmateriale. Belastninger genereret af letfyldsmaterialet er mindre end massen af natursten, og derfor kan konstruktionen af store og dyre fundamenter undgås. Dermed er omkostningseffektivitet, anvendelighed og variabilitet de vigtigste fordele ved Leca® letklinker.

Anvendelse af Leca® letklinker i jernbanekonstruktion
Ca. 2.500 m3 Leca® letklinker er blevet brugt til at lastkompensere (reducere belastningen) i forbindelse med renove­ringen af en jernbanesektion mellem Kokemäki og Rauma i Finland. Og ved opførelsen af en højhastighedstogfor­bindelse mellem Kerava og Lahti blev over 100.000 m3 Leca® letklinker er blevet anvendt til vej- og brobyggeri. Materialet er blevet brugt til at bygge en omkring 1 km lang dæmning på tidligere landbrugsjord. Den bløde jord i området strækker sig til en gennemsnitlig dybde på 45 m, og under denne er der blød ler. Forskydningsværdien af ler og sandet jord varierer fra 9 til 40 kPa og vandindholdet fra 40 til 90% (se figur 2 længere nede).

En letfyldsstruktur og søjlestabili­sering var et godt alternativ til en pælefunderet plade. Denne løsning fjernede behovet for de 30 m lange pæle, som ville have været nødvendige på grund af det tykke bløde jordlag; en løsning, der ville have medført betydelige omkostninger. Søjlestabilisering blev udført ned til bunden af det bløde lerlag. Den lette fyldstruktur blev omsluttet af geotekstil, og derefter blev et lastdæk anbragt ovenpå for at fremskynde sætningerne. Volde blev brugt som underlag til vedligeholdelsesveje og for at øge stabiliteten.

Den anvendte letklinkeløsning medførte betydelige besparelser. Siden driftsstarten i 2006 har højhastighedstoget, der forbinder Kerava og Lahti, fungeret som forventet med tilfredsstillende resultater.

Aktuelle muligheder
De tekniske krav til dimensio­nering og konstruktion af jernbaner er blevet opdateret siden dimensioneringen af højhastighedsjernbanen mellem Kerava og Lahti blev udført. Projektets aktuelle omkostninger og gennemførelse er blevet analyseret ved at dimensionere den udførte letvægtsstruktur i overensstemmelse med de opdaterede krav til sådanne strukturer (figur 2). Ud­gifterne til letfyldskonstruktionen beregnet ud fra den nye metode blev sammenlignet med omkostningerne ved en pælefunderet pladestruktur i tilsvarende jordforhold. Geoteknis­ke beregninger blev udført i overensstemmelse med Eurocode 7 ved anvendelse af partialfaktormetoden anvendt i DA3. Hvad angår belastninger og sporgeometri blev kravene fra det finske transportinfrastrukturagentur fulgt (RATO3). I søjlestabili­seringsberegningerne blev de nyeste retningslinjer for dyb stabilisering, offentliggjort i 2018, anvendt. De væsentligste ændringer i retnings­linjerne er relateret til opdateringen af designprincipper og standarder i henhold til Eurocode 7.

Den opdaterede dimensionering af jernbanen følger nøje den oprindelige dimensionering. I betragtning af, at jernbanestabiliteten var tilstrækkelig uden jordforstærkning, var beregningerne fokuseret på maksimalt tilladte sætninger. Men en kombineret konstruktion bestående af en trykplade (i mindst 6 måneder), letfyld og søjle­stabilisering var resultatet, at de samlede langtidssætninger lå inden for de tilladte grænser (100 mm/100 år).

I modsætning til en løsning med pælefunderet pladestruktur giver den kombinerede struktur mulighed for betydelige omkostningsbesparelser. Resultatet af omkostningsberegningen viste, at omkostningerne til fundamentet for letfyldsstrukturen var ca. en tredjedel (35%) i forhold til en løsning, hvor der laves pælefunderet pladestruktur. Besparelserne anslås at være € 540.000 for en 100 m lang jernbane. Omkostnings-sammenligningen omfattede følgende elementer og strukturer i jernbanen: fyldmateriale, lastdæk, volde og fundamenter. Omkostningsberegningen er baseret på ak­­tuelle enhedspriser og normale Leca® omkostninger (35-40 €/m3).

Opførelsen af nye jernbaneforbindelser fortsætter i det sydlige Finland. Et af de største projekter er en højhastighedstogforbindelse mellem Helsinki og Åbo. Der er store muligheder for også at anvende letfyld til denne strækning.

Leca® letklinker er lette at håndtere og lagre, hvilket gavner projekter med en ambitiøs og udfordrende tidsplan.

 

Figur 1

 Landslide in a railway subgrade occurred along the sliding surface..jpg

Figur 2

 FIGURE 2_Geometric parameters of railway embankment and soil..jpg