Armiranje nosilnih plasti železniške proge

Armiranje nosilnih plasti železniške proge

Uporaba geosintetikov na železnici

doc.dr. Stanislav Lenart, univ.dipl.inž.grad.

Armiranje nosilnih plasti železniške proge ...2

Vsebina

• Literatura• Spodnji ustroj železniške proge• Splošno o geosintetikih• Osnove dimenzioniranja geosintetikov za

armiranje• Uporaba geosintetikov pri gradnji železnice• Sklep


Literatura

– R.M. Koerner (1997). Designing with geosynthetics, 4th Edition, Prentice Hall

– NGG (2003). Nordic guidelines for reinforced soils and fills, Nordic Geotechnical Societies

– C.Göbel & K.Lieberenz (2004). Handbuch Erdbauwerke der Bahnen, Eurail press

– DGG (1997). Empfehlungen für Bewehrungen aus Geokunstoffen – EBGEO, Ernst&Sohn

– SIST EN 13250:2001: Geotekstilije in geotekstilijam sorodni izdelki – Značilnosti, ki se zahtevajo pri gradnji železnice

– INNOTRACK (2009): D2.2.6 GL Guideline for subgrade reinforcement with geosynthetics

– SŽ: Osnutek pravilnika o pogojih za projektiranje, gradnjo in vzdrževanje spodnjega ustroja železniških prog


Spodnji ustroj železniške proge

• Planum nasipa/temeljnih tal• Posteljica• Tamponski sloj• Tirna greda


Spodnji ustroj železniške proge• Planum nasipa/temeljnih tal

– Utrjena površina zaključne plasti nasipa ali v naravnem terenu

– Zahteve glede nagiba in ravnosti– Zgoščenost po Proctorju

» 98% (sloj višje kot 0,5 m pod planumom proge)» 95% (sloj 0,5 – 2,0 m pod planumom proge)» 92% (sloj več kot 2,0 m pod planumom proge)

– Deformacijski modul Ev2» 60 MPa, če v>120 km/h (nove proge)» 30 MPa, če v<120 km/h (glavne proge)» 15 MPa (regionalne proge)


Spodnji ustroj železniške proge• Posteljica (debelina do cca 50 cm)

– Nad planumom nasipa/temeljnih tal– Zahteve po vremenski obstojnosti, preprečitvi

kapilarnega dviga, prava zrnavostna sestava – Lahko jo izpustimo (če planum nasipa/temeljnih tal

izpolnjuje zahteve)– Zgoščenost po Proctorju

» 98% (sloj višje kot 0,5 m pod planumom proge)» 95% (sloj 0,5 – 2,0 m pod planumom proge)



Spodnji ustroj železniške proge• Tamponski sloj (30-40 cm)

– Nevezani nosilni sloj (prevzem večine obremen.)– Zahteve po ustrezni nosilnosti, togosti, odpornosti zrn

na drobljenje, drenažnih lastnostih in vremenski obstojnosti

– Zgoščenost po Proctorju» 98%



Spodnji ustroj železniške proge• Tirna/gramozna greda (35 cm)

– “tolčenec”, “balast”, “gramoz”– Odpornost proti drobljenju, obrabi

(praviloma eruptivnega izvora, v SLO ne – neugodno, hitro propadanje)

– Poseben pravilnik določa granulacijo in kvaliteto– Dušenje vibracij nastalih zaradi železniškega prometa– Vzdrževanje = stalno podbijanje (ang. tamping)



temeljna tla/nasip

tamponska plast

tirna/gramozna gredaplanum proge



temeljna tla

tamponskaplast

tirna/gramozna greda

planum proge

ločilni geosintetik,

geomreža (armiranje)


Splošno o geosintetikihFunkcije geosintetikov pri gradnji železnice so lahko:

• Ločevanje• Filtracija• Bočno dreniranje• Armiranje


Splošno o geosintetikih• Ločevanje

• Dveh slojev zemljin različnih lastnosti (zrnavost, gostota, konsistenca ipd.)

– temeljna tla - tampon (novogradnja)– tampon - gramozna greda (novogradnja, odpornost na obrabo!)– zablatena gramozna greda - nov sloj gramoza (obnova)


Splošno o geosintetikih• Filtracija

• Pod vplivom dinamične obtežbe ali spremenjenih hidroloških razmer se porna voda iz tal pod geosintetikom v smeri pravokotno na njegovo ravnino “drenira” v gornje sloje.

• Zadrževanje finih delcev


Splošno o geosintetikih• Bočno dreniranje

• Dreniranje vode izpod in iznad geosintetika v smeri ravnine geosintetika (v bočni smeri) izven železnice


Splošno o geosintetikih• Armiranje

• Prevzemanje horizontalnih strižnih napetosti v gramozni gredi ali tamponskem nosilnem sloju z namenom zmanjševanja horizontalnih deformacij

• Geotekstili, geomreže, geokompoziti• Glede na obliko proizvoda in smer prevzemanja natezne

obremenitve:» trakovi (enodimenzionalni)


Splošno o geosintetikih» mreže, folije, tkanine (dvodimenzionalni)

» celične-sataste strukture (trodimenzionalno)


Splošno o geosintetikih• Materiali za izdelavo:

sintetični polimeri (>95%), steklena vlakna, jeklo, naravni materiali (npr. juta), itd.

• Delež sintetičnih polimerov (Koerner, 1997):

Vrsta polimera Približen delež[%]

polipropileni (PP) ≈ 85

poliestri (PET) ≈ 12

polietileni (HDPE) ≈ 2

poliamidi (PA) ≈ 1

poliamid = najlon

Preizkusno predavanje Armiranje nosilnih plasti železniške proge ... 18

Splošno o geosintetikih

• Osnovne lastnosti sintetičnih polimerov

Vrsta polimera Gostota[g/cm3]

Koeficient temp.raztezka[×10-5/°C]

Temperaturataljenja

[°C]Agresivni vplivi iz okolja

polipropileni (PP) 0.85 – 0.95 6 160 - 170 UV, temperaturne obremenitve, oksidacija

poliestri (PET) 1.22 - 1.38 4-5 250 - 290 hidroliza

polietileni (HDPE) 0.94 – 0.96 13 110 - 140 UV, oksidacija

poliamidi (PA) 1.14 – 1.15 5 -5.5 190 - 260


Splošno o geosintetikih

• Primernost geosintetikov za uporabo pri gradnji železnice– Zakon o gradbenih proizvodih (ZGPro), Ur.l.št. 52, 13.6.2000– Harmoniziran evropski standard EN 12350

Da je izdelek skladen s harmoniziranim standardom dokazujeta:• “Izjava o skladnosti” (proizvajalec)• “Certifikat o skladnosti za sistem kontrole proizvodnje in

nadzora nad njo (certifikacijski organ)


Splošno o geosintetikih• Bistvene lastnosti za geosintetike, ki se uporabijo pri gradnji

železnic (EN 12350):– Natezna trdnost (EN ISO 10319),– Raztezek pri pretrgu (EN ISO 10319),– Prebojna odpornost CBR (EN ISO 12236),– Test s konusom (EN 918) / Dinamični luknjalni preizkus (EN ISO 13433),– UV odpornost (EN 12224),

glede na način uporabe pa še:– Natezna trdnost spojev (EN ISO 10321),– Odpornost na odrgnjenje (EN ISO 13427),– Torne značilnosti (EN ISO 12957-1:2005),– Lezenje v nategu (EN ISO 13431),– Odpornost na poškodbe ob vgradnji (ENV ISO 10722-1) in– Vodoprepustnost pravokotno na ravnino (EN ISO 11058).


Splošno o geosintetikih• Bistvene lastnosti za geosintetike, ki se uporabijo

pri gradnji železnic – potrebne za dimenzioniranje:– ηcreep ... faktor vpliva lezenja– ηinst ... faktor vpliva poškodb pri vgradnji– ηcon ... faktor vpliva stikov/prekrivanj– ηenv ... faktor vpliva okolja (UV, kemični vplivi...)– ηdyn ... faktor vpliva dinamične obtežbe– γm ... materialni varnostni faktor– fGS ... faktor tornih lastnosti stika


Osnove dimenzioniranja geosintetikov za armiranje• Ravnovesje sil• Pogoj:

nosilnost (Rd) ≥ obremenitev (Fd)

• Različna uporaba geosintetikov → različni sistemi sil– Armiranje strmih brežin in podpornih zidov– Armiranje nasipov na slabonosilnih temeljnih tal– Armiranje nasipov na poboljšanih tleh (nad pilotiranjem)– ...


Osnove dimenzioniranja geosintetikov za armiranje

– Armiranje strmih brežin in podpornih zidov



– Armiranje nasipov na slabonosilnih temeljnih tleh



– Armiranje nasipov na poboljšanih tleh (nad pilotiranjem)


Osnove dimenzioniranja geosintetikov za armiranje• Osnovna parametra za izračun sistema sil sta:

– natezna trdnost geosintetika in– torne lastnosti geosintetika glede na tamponski material


Osnove dimenzioniranja geosintetikov za armiranje• Projektna vrednost natezne trdnosti geosintetika

– Tk ... karakteristična vrednost natezne trdnosti

– ηcreep ... faktor vpliva lezenja– ηinst ... faktor vpliva poškodb pri vgradnji– ηcon ... faktor vpliva stikov/prekrivanj– ηenv ... faktor vpliva okolja (UV, kemični vplivi...)– ηdyn ... faktor vpliva dinamične obtežbe– γm ... materialni varnostni faktor

m

dynenvconinstcreepkd

TT



– Dolgotrajno lezenje • ηcreep se določi na osnovi laboratorijskih preiskav (ISO

13431:1999)• Ločimo:

– Mejno stanje nosilnosti (kriterij je pretrg geosintetika)Faktor vpliva lezenja je enak deležu natezne trdnosti v času 106 ur po začetku delovanja obtežbe.

– Mejno stanje uporabnosti (kriterij je deformacija geosintetika v časut)Zanima nas kakšna je natezna trdnost, ko deformacija doseže določeno vrednost.

• Na lezenje najbolj vplivajo temperaturni pogoji, vrsta polimera, način njegove toplotne obdelave ...

• Primer (EBGEO): ηcreep = 0.17 – 0.28 (če ni preiskav)



– Poškodbe pri vgradnji• ηinst se določi na osnovi laboratorijskih preiskav (EN ISO 10722)

(testno polje z realnim načinom vgradnje + lab.preiskave)• Med vgradnjo se na geosintetiku pojavijo različne poškodbe

(pretrg posameznih trakov geomreže, zareze v vlaknih, ipd.), ki povzročijo zmanjšanje natezne trdnosti.

• Na poškodbe pri vgradnji vpliva vrsta geosintetika, tamponskega materiala, tehnika vgradnje in kompaktiranja, ipd.

• Primer (EBGEO):

ηinst = 0.50 – 0. 67 (če ni preiskav)



– Izvedba stikov• ηcon opisuje oslabitev natezne trdnosti geosintetikov zaradi

stikovanja v natezni coni• ηcon = 1.0 (če ni stikovanja)• natezni preizkus



– Vplivi okolja (UV, kemični vplivi)• ηenv se določi na osnovi laboratorijskih preiskav (EN 12350)• Običajno je največji vpliv UV (polimeri)• Primer (EBGEO):

ηenv = 0.30 – 0. 50 (če ni preiskav)



– Vplivi dinamične obtežbe• ηdyn je razmeroma slabo raziskan• EBGEO:

– globina > 1.5 m: Dinamična obtežba nima vpliva. Za faktor vpliva dinamične obtežbe se privzame vrednost ηdyn=1.0.

– 0.5 m < globina < 1.5 m: Prisoten vpliv dinamične obtežbe. Za faktor vpliva dinamične obtežbe se privzame vrednost ηdyn=0.75.

– 0 m < globina < 0.5 m: Potrebna je dinamična analiza.


Osnove dimenzioniranja geosintetikov za armiranje• Torne lastnosti geosintetika glede na tamponski

material– Laboratorijska preiskava SIST EN ISO 12957-1:2005– Direktni strig na tamponskem materialu– Direktni strig na stiku tamponskega materiala in geosintetika

materialtamponski

tetikgeomaterialtamponskiGSf

sin


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Na meji med planumom temeljnih tal in tamponom

(običajen – tradicionalen način uporabe)– Predvsem za izboljšanje nosilnosti


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Na meji med tamponskim slojem in gramozno gredo

(značilno za anglosaksonski svet)– zmanjšanje potrebe po vzdrževanju


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice

geosintetik

tamponski sloj

gramozna greda



Strojna vgradnja geotekstila in geomreže



“Ročna” (slovenska) vgradnja geotekstila in geomreže



Strojna vgradnja tamponske plasti



Strojna vgradnja tamponske plasti



“Ročna” (slovenska) vgradnja tamponske plasti


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Kako deluje armiranje?

Zaklinjanje zrn v odprtine geomreže


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Armiranje z geosintetiki ima podoben učinek, kot

povečanje bočnih napetosti (→ večje efektivne napetosti, večje medzrnsko trenje)


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Dimenzioniranje - analitična metoda

Giroud in Noiray (1981) – analitična zveza med debelino tampona, modulom elastičnosti geosintetika, raztezkom geosintetika in raznosom napetosti.


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Dimenzioniranje - empirični pristop

– Kontrola kakovosti temelji na meritvah:– Zgoščenosti tamponskega sloja (zgoščenost po Proctorju)– Deformacijskega modula Ev2

– Kontrola dinamičnega deformacijskega modula Edin je v primeru armiranja (in tudi sicer) precej nezanesljiva. Armiranje z geosintetiki poveča razmerje Ev2/Edin.

– Za praktično uporabo temelji dimenzioniranje na meritvah deformacijskega modula.


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Dimenzioniranje - empirični pristop (EBGEO,

proizvajalci geosintetikov)


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Empirični pristop je zelo odvisen od vrste materialov

(tampon, geosintetik), ki sodelujejo v konstrukciji→ vsaka vrsta geosintetika ima svoj diagram za dimenzioniranje

• Na trgu geosintetikov krožijo zavajajoče informacije (rezultati raziskav), ki favorizirajo posamezne proizvajalce (npr. vpliv togosti stikov, velikosti odprtin ...)→ potrebna kritična presoja


Uporaba geosintetikov za armiranje pri gradnji železnice• Preskusi na Zavodu za gradbeništvo Slovenije

0

40

80

120

160

0 10 20 30 40 50 60Debelina tampona [cm]

Izm

erje

na v

redn

ost E

v2

[MPa

]

0

10

20

30

40

50

60

Pov

ečan

je E

v2 z

arad

i ar

mira

nja

[%]

brez armature

z armaturo

povečanje Ev2

planum temeljnih tal: Ev2=2.5 MPa



-2000

-1000

0

1000

2000

3000

Čas, t

Def

orm

acija

[10-6

]

PL5

PL1

PL2

PL3

PL4

PL6

PL7

PL7

PL8

PL9

PL10

PL11

PL12

PL13

PL14

PL16

PL17



(meritve deformacij geosintetika na testnem odseku žel.proge)

0

1000

2000

3000

4000

1.9.20

082.1

0.200

82.1

1.200

83.1

2.200

83.1

.2009

3.2.20

096.3

.2009

6.4.20

097.5

.2009

7.6.20

098.7

.2009

Datum

Def

orm

acija

[x10

-6]

vzdolžna smer

prečna smer


Sklep• Vpliv armiranja nosilnih plasti je večji v primeru slabše

nosilnih temeljnih tal• Pri načrtovanju nosilnih slojev železniške proge se

priporoča uporaba geosintetikov za armiranje– na meji med temeljnimi tlemi in nosilnim tamponskim slojem– na dnu gramozne grede (cca 35 cm pod žel.pragovi)

• Pri dimenzioniranju je potrebno izhajati iz napetostne analize in potrebnih nateznih trdnosti, ki naj jih geosintetik za armiranje dosega.

• Računska analiza mora upoštevati dejanske torne lastnosti stika geosintetik - okolni material.


Sklep• Pri armiranju nosilnih plasti železniške proge bo

natezna trdnost geosintetika na meji med temeljnimi tlemi in tamponsko plastjo zelo slabo izkoriščena

• Natezna trdnost, odpornost na prebod itd. so zelo pomembne med vgradnjo geosintetikov (prihaja do poškodb)

• Pri uporabi empiričnih postopkov za dimenzioniranje geosintetikov za armiranje je nujno upoštevati vrsto materialov (izmenjava diagramov za dimenzioniranje med posameznimi geosintetiki je nedopustna!)

Documents

Armiranje nosilnih plasti železniške proge