Heavy Transport on Existing Lines: the Assessment of Bearing Capacity of Track-bed based on Track Stiffness Measurements and Theoretical Studies

Transkript

1 19th Nordic Seminar on Railway Technology, September 2016, JVTC, Luleå Heavy Transport on Existing Lines: the Assessment of Bearing Capacity of Track-bed based on Track Stiffness Measurements and Theoretical Studies Martin Li and Alexander Smekal Trafikverket, Underhåll, Teknik och Miljö S Borlänge, Sweden Telefon:

2 TRV FoU-projekt: Tunga Transporter på Befintlig Järnväg, Bärighetskrav och Bärighetsåtgärder Projektets syfte Fastställa erforderlig bärighet för tunga transporter (banöverbyggnad och underbyggnad) Föreslå bärighetsåtgärder för att säkerställa framkomlighet av tunga transporter Interna deltagare Alexander Smekal (Projektledare, geoteknik) Eskander Bashiry (Mark- och geoteknik) Sven-Erik Wall (Spårteknik) Martin Li (Spårteknik), - teoretiska studie Externa resurser: Styvhetsmätning med IMV 100 (InfraNord, EBER Dynamics, Eric Berggren) Mätning av bärighet med fallvikt (Konsult & Utveckling AB) Mätning av nedböjning av spår och laster (Damill, Lars Larsson) Övervakning och hjälparbete (InfraNord) 2

3 Bearing Capacity and/or Bärighet? Bearing capacity is the capacity of soil to support the loads applied to the ground. The bearing capacity of soil is the maximum average contact pressure between the foundation and the soil which should not produce shear failure in the soil. (from Wikipedia, English) Bärighet är ett vägtekniskt begrepp som anger högsta last, enstaka eller ackumulerad, som kan accepteras med hänsyn till risk för sprickor eller deformationer. (från Wikipedia, Svenska) In Sweden, the requirements for bearing capacity are set only for roads In other countries, the requirements for bearing capacity are also set for railways!!! Bearing capacity: good or bad??? 3

4 DB s requirements for Bearing Capacity: Ev2 modulus 4

5 Vehicles considered Shimmns 920 P=22.5 t, V = 120 km/h Q73 Uaai-xxy P = 22.8 t, V = 40 km/h Smmnps 960, P = 25 t, V = 100 km/h Sgmns-w 982 P=25 t, V = 100 km/h Laaps 013 P=25 t, V = 100 km/h Malmvagn Uno P = 30 t, V = 60 km/h 5

6 6 Track considered: bdl 391

7 Zimmermann-Eisenmanns theory w Q 2kL x L x L x / L x e cos sin ; x 0 r DAF,, max r mean 7

8 Improvement 1: Ballast Coefficient Csb Mätvagn IMV 100 Quality of track support Foundation modulus C Unit Poor Good [N/mm3] Esveld: Modern Railway Track, (page 79) Standard method Proposed method in this study 8

9 Track stiffness measured by IMV 100 (EVS-method by EBER) Spårstyvhet för Bdl 391 utvärderas från IMV 100 mätningsresultat blg_fv_data.mat mjukt! 9

10 Improvement 2: DAF DAF 1 t V 60 1 t V V km/h km/h t Application Track condition φ 1 Contact stress, subgrade Very good Lateral load, ballast load Good Rail stresses, fastenings, supports Bad 0.3 Esveld: Modern Railway Track, (page 84) Standard method Proposed method in this study 10

11 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Spårdata för Bdl 391 Frövi-Ställdalen från BIS och OPTRAM Spårläge har försämrats under åren ! 11

12 12 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Simuleringsresultat för Bdl 391: Spänningar och nedböjningar i rälen

13 13 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Simuleringsresultat för Bdl 391: Spänningar och nedböjningar i sliprar

14 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Simuleringsresultat för Bdl 391: Spänningar i ballast och 30 cm under ballast 14

15 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Utvärderingar på sträckan km σ bf max σ bf = 0.006E v logn N mm2 Rail Substructure 30 cm under sleeper 15

16 Bärighetsutvärdering baserat på IMV 100 mätningar Utvärderingar på hela Bdl 391 Frövi-Ställdalen Shimmns 920 Q73 Uaai-xxy Smmnps 960 Laaps 012/013 16

17 Concluding remarks A study on the assessment of bearing capacity of track-bed concerning heavy transport on existing lines has been carried out, based on: Zimmermann/Eisenmann s theory track stiffness measurements by IMV100 OPTRAM-data for track geometry quality BIS-data for track components, STH, curvature and cant The results include: stresses in rail (σ r max ) and displacement of rail (w r max ) stresses between rail and sleeper ( σ rs max ) and displacement of sleeper (w s max ) stresses between sleeper and ballast (σ sb max ) Stresses at the level of 30 cm under sleeper (σ bf max ) The study indicates those sections in Bdl 391 having insufficient bearing capacity due to: track stiffness is too low track geometry quality is not good enough or a combination of both 17

18 Recommendations At the level of 30 cm under sleeper, the requirements on bearing capacity of track-bed are suggested: For stresses in rail to be within limit E v2 min = 50 Mpa For achieving a good bearing capacity E v2 min = 70 Mpa Optimal value E v2 opt = 120 Mpa Other recommendations: RAPPORT: Tunga transporter på befintlig järnväg, bärighetskrav och bärighetsåtgärder, ISBN