Stiffness variations on railway tracks over culvert underpassings - A comparison between rigid concrete culverts with flexible steel-soil composite culverts

Abstract

Overgangen mellom bru og fylling («overgangssone») har over mange år blitt beskrevet som et problemområdet der det er et større behov for vedlikehold enn i et vanlig spor. Problemet er ofte tenkt å være relatert til differansesetninger men også stor variasjon i stivhet sett fra jernbanesporet, en ond sirkel som gradvis forværres av togtrafikk ettersom tiden går som vil forårsake geometriske avvik og økende slitasje på sporkomponentene i dette området.

I dette prosjektet ble problemet med overgang bru-fylling undersøkt for stive og fleksible samvirke kulverter. I Norge stilles det et minimumskrav til at alle nye bruer med unntak for fleksible stålrør skal instrumenteres med over-gangsplate, en kort betongplate som strekker seg ut fra bruen et par meter inn mot fylling. Dette er et fastsatt krav uavhengig av aksellast, brutype eller toghastighet.

Når overgangsplata sammenlignes med internasjonale løsninger stilles det spørsmål til dens relative korte lengde til sammenligning med 20-30 meter lange overgangssoner sett på andre høyhastighetsbaner. I tillegg til dette spørsmålet skapes det desto større forvirring til at det ikke er stilt noen krav til overgangssonene for fleksible samvirkekonstruksjoner.

Fra en omfattende FEM analyse med PLAXIS 2D var det mulig å modellere hele problemet overgangssoner i plan-tøyning fra scratch i et forsøk om å tallfeste problemet. Prosedyren omhandler bygging av kulvert, bygging av jernbanespor og modellering av bevegelige toglaster. Denne metodikken ble benyttet for å analysere fire spesifikke scenarioer laget for dette prosjektet. Den generelle konklusjonen etter disse modellene er at de uregelmessighetene (forskjellene) i forskyvning sett på et jernbanespor som følge av disse stivhets-variasjonene er relativt små til sammenligning med et vanlig jernbanespor.

Den ofte antatte korrelasjonen mellom stivhetsvariasjoner på et jernbanespor og økt nedbrytningsrate i overgangssonene ble også undersøkt med ROGER 1000 data, målevognen som tar rutinemessige målinger over hele jernbanenettverket i Norge for blant annet geometriske vertikal avvik. Det ble generelt ikke funnet noen trend for de seks utvalgte kulvertene mellom de antatte stivhetsvariasjonene som følger dem og geometriske vertikalavvik målt med ROGER 1000, når disse sammenlignes med målingene tatt ved nærtliggende fritt spor.

Konklusjonen fra dette prosjektet er at stivhetsvariasjonene sett over slike kulverter er relativt små, og så lenge gitte betingelser er oppfylt er det ikke funnet noen direkte korrelasjon mellom stivhetsvariasjoner, differansesetninger og økt nedbrytningsrate på jernbanesporet i overgangssonene over disse kulvertunderganger.

Railway transition zones, i.e the transition between embankment and bridge has over many years been reported as a problem area that requires additional maintenance. These problems are often thought to be related to differential settlements but also the sudden change in track stiffness, a deterioration loop which gradually worsens from train traffic as time passes by, which deteriorates the tracks geometry and causes higher rate of wear in all elements of this area.

In this project the bridge transition problem was investigated and compared between rigid and flexible steel-soil composite culverts. In Norway, all new bridges expect for flexible ones are instrumented with transition slabs, a short concrete plate which extends out from the bridge a couple of meters into the fill. This is a fixed requirement independent of axle loads, bridge type or train speed.

When comparing the transition slab to international solutions, questions arise from its relative short lenght compared 20-30 meter long transition zones seen at other high speed lines. In addition to this questionnaire comes the confusion from flexible steel-soil composite bridges which has no requirement set for the transition zones.

From a comprehensive FEM with PLAXIS 2D was it possible model the entire problem in plane-strain from scratch in an attempt to quantify the problem over these culverts. The procedure involves building a culvert, constructing a railway track and modelling moving train loads which was used in the analysis of four specific cases created for this project. The general conclusion is that the irregularities seen at the track over these culverts from the model is relative small compared to a normal track.

The pressumed correlation between stiffness variations and increased deterioration rate at transition zones was also investigated with ROGER 1000 data, a measuring car which rutinely registers vertical track deviations among other things for the entire railway network in Norway. In general, no trend were found for the six preselected culverts between the presumed stiffness variations over them and vertical track geometry deviations measured by ROGER 1000, when comparing them to the measurements at the adjecent free track.

The conclusion from this project is that the stiffness variations seen at these kind of culverts are relative small as long as certain conditions are met, and there is no direct correlation between stiffness varations, differential settlements and increased deterioration in the transition zones of these culvert underpassings.