Koleje podstawy. Wykład 5 Elementy drogi kolejowej: zastosowanie geosyntetyków, nawierzchnie bezpodsypkowe

Transkrypt

1 Koleje podstawy Wykład 5 Elementy drogi kolejowej: zastosowanie geosyntetyków, nawierzchnie bezpodsypkowe dr hab. inż. Danuta Bryja, prof. nadzw. PWr

2 Zastosowanie geosyntetyków

3 Geosyntetyki Materiały z tworzyw sztucznych stosowane do: a) wzmocnienia (zbrojenia) podtorza, b) zapobiegania mieszaniu się różnych gruntów (separacji warstw), c) jako elementy filtracyjne. Najczęściej stosuje się materiały płaskie (np. geowłóknina, geotkanina, geosiatka, geomata, geokompozyt, geomembrana), rzadziej przestrzenne geokraty, takie jak georuszty lub typu geoweb (geokraty komórkowe).

4 Funkcje geosyntetyków geowłókniny, geotkaniny 1. Oddzielanie (separacja) warstw gruntu o różnym uziarnieniu. Zapobieganie migracji drobnych cząstek gruntu (np. iłów, pyłów, piasku pylastego) w przestrzenie gruntu zawierającego ziarna o większych wymiarach (żwir, tłuczeń). 2. Filtrowanie wody przepływającej w płaszczyźnie poprzecznej do materiału z jednoczesną kontrolą migracji cząstek gruntu. geowłókniny, geotkaniny

5 Funkcje geosyntetyków 3. Filtrowanie wody, jej odprowadzanie, szybkie wyrównywanie ciśnień, oddzielanie drobnych cząstek gruntu w celu zabezpieczenia przed ich migracją w kierunku warstw bardziej porowatych. geowłókniny, geotkaniny geowłókniny, geotkaniny 4. Drenowanie czyli prowadzenie wód wzdłuż materiału w systemach drenażowych oraz oddzielanie elementów prowadzących wodę od innych warstw gruntu.

6 Funkcje geosyntetyków geosiatki, georuszty, geokraty komórkowe 5. Wzmacnianie czyli równomierne rozkładanie naprężeń i ograniczanie odkształceń budowli i podłoża. W budowlach ziemnych materiał taki stanowi swoisty rodzaj zbrojenia gruntu. 6. Zabezpieczanie powierzchniowe przed erozją skarpy, która jest w stanie geotechnicznej stabilności. geomaty, geokraty komórkowe 7. Uszczelnianie podłoża gruntowego przed przenikaniem wód i cieczy. geomembrany, folie

7 Rodzaje geosyntetyków Materiały przepuszczalne (geotekstylia i geokraty) 1. Geotekstylia a) geowłókniny wyroby tekstylne wytwarzane metodą mechaniczną (igłowanie), chemiczną (klejenie) lub termiczną (zgrzewanie) z włókien ciągłych lub ciętych ułożonych w sposób przypadkowy funkcje separacja, filtrowanie, drenowanie b) geotkaniny wyroby tekstylne wytwarzane metodą tkacką z włókien ciągłych, ciętych lub tasiemek splecionych ze sobą prostopadle funkcje separacja, filtrowanie, drenowanie c) geosiatki dwuosiowe o oczkach kwadratowych lub jednoosiowe o oczkach wydłużonych, o węzłach przeplatanych lub sztywnych funkcja wzmacnianie (zbrojenie)

8 Rodzaje geosyntetyków Materiały przepuszczalne (geotekstylia i geokraty) 1. Geotekstylia cd. c) geomaty wyroby o dużej porowatości, płaskie lub trojwymiarowe, składające się z odpowiednio dobranych i powiązanych ze sobą mechanicznie włókien syntetycznych funkcja zabezpieczanie d) geokompozyty - materiały składające się z dwóch i większej liczby różnych warstw geosyntetycznych (np. włóknina + tkanina, włóknina + siatka) funkcja w zależności od kombinacji 2. Geokraty a) georuszty konstrukcje przestrzenne składające się z siatki i żeber wzmacniających (płaskie kratownice), które po zmontowaniu tworzą prostopadłościenne komórki funkcja wzmacnianie podłoży, np. nasypów

9 Rodzaje geosyntetyków Materiały przepuszczalne (geotekstylia i geokraty) 2. Geokraty cd. b) geokraty komórkowe nietkane wyroby typu plaster miodu z polietylenu wysokiej gęstości (PE-HD) funkcje wzmacnianie, zabezpieczanie Materiały nieprzepuszczalne funkcja izolowanie (hydroizolacja) 1. Geomembrany materiały o jednorodnej strukturze, wytwarzane z polimerowych tworzyw sztucznych (np. polietylen wysokiej gęstości PE-HD, PCV) 2. Folie uszczelniające płaskie, cienkie powłoki syntetyczne 3. Geomembrany kompozytowe kompozyty o strukturze wielowarstwowej, złożone z dwu lub wielu warstw różnych materiałów syntetycznych i mineralnych

10 Zasady stosowania geosyntetyków Typowe zastosowanie geosyntetyków 1. Geowłókniny lub geotkaniny rozdzielające układa się na ogół pod warstwami ochronnymi. 2. W przypadku zawilgoconych przekopów zaleca się ułożenie geowłókniny rozdzielająco-filtracyjnej na całej szerokości torowiska (rysunek). 3. Nie zaleca się uwzględniania wzmacniającego działania geowłóknin i geotkanin przy wymiarowaniu wzmocnień torowisk.

11 Zasady stosowania geosyntetyków 4. Zbrojenie (wzmocnienie) warstwy ochronnej geosiatką stosuje się, gdy: a) grubość potrzebnej warstwy ochronnej przekracza 0,40-0,45 m, b) konieczne jest zmniejszenie łącznej grubości podbudowy, np. ze względu na lokalne warunki wodno-gruntowe, c) celowe jest zastosowanie warstwy ochronnej o jednakowej grubości na dłuższym odcinku. 5. Geosiatkę układa się na ogół tylko w strefie obciążeń eksploatacyjnych, tzn. na szerokości 3,80-4,20 m (rysunek). 6. Wymiary oczek geosiatki powinny być dobrane tak, aby występowało klinowanie się w nich ziaren kruszywa, stąd wskazane jest układanie geosiatki w warstwie kruszywa na poziomie 0,05-0,10 m powyżej spodu warstwy.

12 Przykłady zastosowań Wzmacnianie torowisk Izolowanie torowisk Wzmacnianie podłoża nasypów

13 Przykłady zastosowań Zabezpieczanie skarp (ochrona przed erozją powierzchniową) Wzmacnianie skarp

14 Przykłady zastosowań Filtrowanie (odwadnianie podtorza)

15 Nawierzchnie bezpodsypkowe

16 Nawierzchnie bezpodsypkowe Nawierzchnie kolejowe, w których podkłady lub inne podpory szyn nie są ułożone w podsypce (nawierzchnie niekonwencjonalne) System "FF Bögl" System Rheda 2000" Nawierzchnie prefabrykowane Nawierzchnie monolityczne

17 Nawierzchnie bezpodsypkowe Cechy charakterystyczne konstrukcji Podłoże toru jest konstrukcją wielowarstwową, sztywności poszczególnych warstw (mierzone modułami odkształcenia E i ) są różne, maleją wraz z głębokością. Górną warstwą jest na ogół betonowa warstwa nośna.

18 Cechy charakterystyczne konstrukcji Nawierzchnie bezpodsypkowe Tor stanowią dwie szyny z przytwierdzeniami sprężystymi (rzadko śrubowo-sprężystymi), oparte w sposób ciągły bezpośrednio na betonowej płycie nośnej lub za pośrednictwem podkładów lub bloków betonowych. Source:

19 Nawierzchnie bezpodsypkowe Cechy charakterystyczne konstrukcji Warstwy konstrukcyjne są wykonywane z materiałów o takiej wytrzymałości, która zapewnia pracę nawierzchni w zakresie odkształceń sprężystych tzn. bez kumulacji odkształceń trwałych. Rolę podsypki w zakresie tłumienia drgań i ograniczenia emisji akustycznej pełnią: warstwa bitumiczna lub cementowo-bitumiczna, ewentualnie dodatkowa warstwa np. elastomerowa, korkowo-polimerowa, mata gumowa, itp.). Rheda 2000 tunel w węźle berlińskim

20 Nawierzchnie bezpodsypkowe Cechy charakterystyczne konstrukcji Zalety: niewielkie koszty utrzymania, duża trwałość (oceniana na co najmniej 60 lat), możliwość zmniejszenia wymiarów konstrukcji, duże opory boczne, duża dokładność ułożenia szyn, odporność na zanieczyszczenia. Zaletą i wadą równocześnie jest dostępność na rynku wielu (co najmniej kilkunastu) systemów konstrukcyjnych, oferowanych przez różnych producentów.

21 Nawierzchnie bezpodsypkowe Cechy charakterystyczne konstrukcji Wady: duży koszt budowy (średnia europejska ok Euro za metr, nawierzchnie klasyczne ok. 400 Euro za metr), wady ukryte (niewidoczne uszkodzenia), duże wymagania w zakresie osiadań (podtorze musi być wzmocnione, bardzo dobrze zagęszczone i odwodnione), konieczność dokładnego zbadania podłoża, wykonania badań właściwości gruntu i oceny nośności, trudność napraw i długi czas ich wykonania (szczególnie w przypadku napraw związanych z osiadaniem podtorza).

22 Zastosowania: Nawierzchnie bezpodsypkowe w tunelach, na mostach, wiaduktach i estakadach, na odcinkach przejściowych między podtorzem ziemnym i obiektami inżynieryjnymi, na stacjach i przystankach w obrębie aglomeracji miejskich, na szlakach linii kolejowych dużych prędkości, alternatywnie do nawierzchni podsypkowych. Najwcześniej zastosowano nawierzchnie bezpodsypkowe na liniach kolei japońskich Shinkansen. Założenia projektowe new track structure, przyjęte przez Japanese National Railways (JNR) w 1965 roku: koszt budowy nie powinien przekraczać dwukrotnie kosztu budowy nawierzchni klasycznej (podsypkowej), sztywność i wytrzymałość w kierunku pionowym i poziomym (poprzecznym) powinny być większe niż nawierzchni podsypkowej, tempo budowy powinno wynosić przynajmniej 200 m/dzień.

23 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Shinkansen (z prefabrykowanych płyt żelbetowych) czop betonowy śr. 400 mm 3 szyna 2 przytwierdzenie 1 1. Płyta żelbetowa 2. Warstwa cementowoasfaltowa (ew. nad nią dodatkowo mata gumowa) 3. Podbudowa betonowa lub warstwa gruntu stabilizowanego cementem

24 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Böghl (prefabrykowana) System złożony z prefabrykowanych płyt wykonanych z betonu zbrojonego prętami lub włóknami stalowymi lub z betonu sprężonego. Płyty są wyposażone w przytwierdzenia sprężyste. Układa się je w odstępach 5 cm i następnie łączy podłużnymi prętami stalowymi (np. GEWI).

25 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Böghl cd.

26 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Rheda 2000 (monolityczna) System składa się ze zbrojonej monolitycznej płyty betonowej, podkładów dwublokowych z łącznikami kratowymi (podkłady wtopione w płytę), warstwy stabilizowanej hydraulicznie lub wykonanej z chudego betonu.

27 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Rheda 2000 cd. Warstwa elastomeru

28 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Getrac (podkłady na warstwie bitumicznej) Podkłady monoblokowe są ułożone na bitumicznej warstwie nośnej, połączone z nią za pomocą bloczka mocującego, który zapobiega przemieszczeniom bocznym i podłużnym. Pod warstwą bitumiczną o grubości około cm jest ułożona warstwa stabilizowana hydraulicznie (np. grunt stabilizowany cementem, chudy beton). Ze względu na małą wysokość konstrukcyjną nawierzchnie Getrac są często stosowane w tunelach.

29 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Getrac cd. Źródło: Iwona Nowosińska: Problemy wyboru konstrukcji nawierzchni analiza metodą ANKOT, Problemy Kolejnictwa z. 155

30 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Edilon system szyny w otulinie: ERS (Embedded Rail System) Konstrukcję nawierzchni tworzy płyta żelbetowa, prefabrykowana lub wylewana na miejscu, z ukształtowanymi kanałami szynowymi. Szyny są mocowane w kanałach szynowych masą zalewową na bazie żywicy poliuretanowej (podparcie ciągłe). System ERS zastępuje klasyczne przytwierdzenia szyn. Edilon LC-L

31 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Edilon system szyny w otulinie: ERS (Embedded Rail System), cd. Źródło: Iwona Nowosińska: Problemy wyboru konstrukcji nawierzchni analiza metodą ANKOT, Problemy Kolejnictwa z. 155

32 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Nawierzchnia typu Edilon system blokowych podpór szynowych w otulinie: EBS (Embedded Block System) Na podbudowie betonowej układane są pojedyncze betonowe bloki podporowe, wbudowane w prefabrykowane gniazda betonowe lub stalowe przy użyciu masy zalewowej Edilon. Zalecany rozstaw bloków to cm. Pod podbudową, na torowisku lub konstrukcji (np. spąg tunelu, pomost wiaduktu) układana jest zwykle mata wibroizolacyjna. Źródło: materiały reklamowe firmy TINES

33 Podstawowe typy nawierzchni bezpodsypkowych Szynowa podpora blokowa systemu Edilon EBS wariant z prefabrykowanym gniazdem betonowym 1. otulina bloku podporowego masa zalewowa Edilon Corkelast, 2. sprężysta podkładka wibroizolacyjna, 3. prefabrykowane gniazdo betonowe, 4. betonowy blok podporowy, 5. dybel śrubowy, 6. izolacja mocowania szyny, 7. przekładka podszynowa, 8. łapka sprężysta, 9. śruba mocująca,