Betonowe podkłady kolejowe z wibroizolacją

Zastosowanie podkładów kolejowych z wibroizolacją stanowi nowoczesną metodę poprawienia parametrów technicznych nawierzchni kolejowej. Badania wibroizolacji podkładów kolejowych przedstawiono na przykładzie badań (polskich modelowych i zagranicznych eksploatacyjnych).

Zastępowanie podkładów drewnianych podkładami betonowymi niesie ze sobą przeciążenia dynamiczne i zwiększone deformacje podsypki i podtorza. Przeciążenia nawierzchni kolejowej spowodowane przez podkłady betonowe wynikają z większej twardości oraz z charakterystyki sprężysto-kruchej betonu, podczas gdy podkłady drewniane są sprężysto-plastyczne. Dzięki temu podkłady drewniane lepiej tłumią drgania i w większym stopniu pochłaniają energię przekazywaną od kół pojazdów na podsypkę i podtorze.

Stosując podkłady betonowe z wibroizolacją, można zbliżyć charakterystykę dynamiczną podkładów betonowych do podkładów drewnianych. Zastosowanie wibroizolacji między podkładem a podsypką przynosi lepsze tłumienie drgań, mniejsze obciążenia dynamiczne podsypki oraz ochronę przed przeciążeniami dynamicznymi podtorza.

Rys. 1. Krzywa przemieszczeń pionowych toru [3]

Badania podkładów z wibroizolacją prowadzone były na Politechnice Wrocławskiej [1] oraz w ośrodkach zagranicznych [2].

Warstwa izolacji antywibracyjnej na powierzchni podstawy podkładu betonowego powinna być sprężysto-plastyczna, zespolona w sposób trwały z dolną powierzchnią podkładu betonowego, odporna na rozerwanie i przebicie przez ziarna podsypki tłuczniowej.

Obecnie w projektowaniu konstrukcji nawierzchni kolejowej przystosowanej do coraz większych obciążeń i prędkości dochodzi do jej przesztywnienia. Przy zwiększeniu sztywności nawierzchni kolejowej następuje wzrost sił dynamicznych na styku kół z szynami oraz zwiększenie obciążeń dynamicznych podsypki i podtorza. Stosując warstwę wibroizolacji, uzyskuje się konstrukcję łagodniej oddziałującą na podsypkę, która w pewnym stopniu ochroni również podtorze przed przeciążeniami i przed nadmiernymi lokalnymi deformacjami. 

Wyniki badań

W Niemczech zostały przeprowadzone badania eksperymentalne podkładów z wibroizolacją. Badano kilka problemów.

1. Deformacje pionowe toru

Do badań wpływu wibroizolacji na osiadanie toru podczas eksploatacji wykorzystano sześć odcinków badawczych. Na czterech zastosowano podkłady bez wibroizolacji, na dwóch – podkłady z wibroizolacją o sztywności 35 kN/mm i 70 kN/mm.

Na rys. 1 pokazano zmiany maksymalnych przemieszczeń pionowych w czasie, zmierzonych w badanym torze. Krzywa kreskowana przedstawia czas stabilizacji toru i prac utrzymaniowych [3].

Odcinki z podkładami z wibroizolacją wykazują deformacje o małym przyroście, dzięki czemu następuje wydłużenie czasu między naprawami toru (rys. 1).

2. Ugięcie nawierzchni

Podkłady z wibroizolacją poddano obciążeniom statycznym 21 ton na pojedynczą oś. Do badań wykorzystano wibroizolacje miękkie o sztywności 35 kN/mm i sztywne o sztywności 70 kN/mm (tab. 1).

Na tej podstawie stwierdzono, że ugięcia szyny powinny być w zakresie od 1,0 do 1,5 mm.

Tab. 1. Ugięcia nawierzchni [2]

3. Opór na przemieszczenia poprzeczne

Zmierzono opór na przemieszczenia poprzeczne zarówno podkładów z wibroizolacją, jak i bez wibroizolacji po dwóch latach od wbudowania w eksploatowany tor (tab. 2).

Z zestawienia wyników pomiarów widać, że opór dla podkładu z wibroizolacją nie zwiększa się znacząco w  porównaniu z podkładami bez wibroizolacji.

Tab. 2. Opór na przesunięcie poprzeczne po dwóch latach eksploatowania podkładów z wibroizolacją i bez wibroizolacji [2]

4. Powierzchnie kontaktowe podstawy podkładu z tłuczniem

Pomiar odcisku ziaren tłucznia w warstwie wibroizolacyjnej pod podkładem pozwala na określenie powierzchni styku podkładu z tłuczniem i obciążeń tłucznia.

Przy miękkiej warstwie wibroizolacji aktywna powierzchnia kontaktu podstawy podkładu z tłuczniem jest dwa razy większa niż przy twardej wibroizolacji.

Twardość warstwy wibroizolacji ma znaczący wpływ na obciążenie tłucznia.

5. Porównanie podkładów

Porównanie modeli badawczych podkładów zostało przeprowadzone na trzech odcinkach badawczych zbudowanych z podkładów B70 i B90, wibroizolacji o różnej sztywności.

Odcinek pierwszy: podkłady typu B70 z wibroizolacją o sztywności 70 kN/mm (twarde), podkłady typu B90 z wibroizolacją o sztywności 80 kN/mm (twarde).

Drugi odcinek: podkłady typu B90 z wibroizolacją o sztywności 57 kN/mm (miękkie), B70 z wibroizolacją o sztywności 50 kN/mm (miękkie).

Trzeci odcinek: podkłady bez wibroizolacji typu B70 i B90.

Porównując odcinki ze sztywną i miękką wibroizolacją oraz bez wibroizolacji, stwierdzono, że przy miękkiej otrzymuje się znacznie mniejsze obciążenie tłucznia w porównaniu z twardą izolacją. W porównaniu z podkładami bez wibroizolacji otrzymano znaczne zmniejszenie nacisków na tłuczeń z wyjątkiem wąskich przedziałów czestotliwości 40–50 Hz i 110–120 Hz (rys. 2).

Rys. 2. Porównanie obciążeń podsypki [5]

W Polsce na  Politechnice Wrocławskiej przeprowadzono badania wpływu izolacji antywibracyjnej na pracę nawierzchni kolejowej. Analizie poddano wpływ wibroizolacji na sztywność nawierzchni kolejowej, przemieszczenia i przyspieszenia drgań.

Badania miały charakter symulacyjno-modelowy z wykorzystaniem modelu fizycznego. Porównywano oddziaływania dynamiczne na torowisko przy podkładach drewnianych, betonowych oraz betonowych z wibroizolacją.

Dla przyjętych modeli fizycznych różnych konstrukcji nawierzchni kolejowej stwierdzono zmniejszenie przemieszczeń i przyspieszeń drgań torowiska od 25% do 40% dzięki zastosowaniu wibroizolacji.

Badania dynamiczne i statyczne obejmowały cztery modele nawierzchni kolejowej:  podkład drewniany, podkład betonowy bez wibroizolacji, podkład betonowy z wibroizolacją z gumy mikroporowatej grubości 12 mm na dolnej powierzchni podkładu, betonowy z wibroizolacją z folii PCV o grubości 0,7 mm na powierzchni podstawy podkładu i na powierzchniach bocznych.

Analiza badań statycznych pokazuje, że podkłady z wibroizolacją z gumy mikroporowatej najkorzystniej przekazują obciążenia na podsypkę kolejową o skuteczności 40% większej niż przy podkładach strunobetonowych bez wibroizolacji.

Tab. 3. Głębokość odcisków tłucznia w warstwie wibroizolacji, wielkości średnie i maksymalne [2]

Badania dynamiczne wykazały, że amplituda drgań przekazywanych przez podkłady z wibroizolacją na podsypkę tłuczniową jest ok. 50% mniejsza niż przy podkładach strunobetonowych bez wibroizolacji.

Zastosowanie podkładów betonowych z wibroizolacją

Podkłady betonowe z wibroizolacją są wbudowywane na kolejach niemieckich na odcinkach torów od 25 m do 200 m [2] na:

– odcinkach o  niekorzystnym lub zmiennym stanie podtorza,

– przejazdach kolejowych,

– krótkich mostach zamiast mat podtłuczniowych,

– odcinkach pod rozjazdami i skrzyżowaniami torów,

– zastępując podkłady drewniane.

Podkłady strunobetonowe z wibroizolacją zmniejszają naciski dynamiczne na nawierzchnię kolejową wytwarzane szczególnie przez przejazd pociągu z prędkością powyżej 160 km/h.

Przez zastosowanie podkładów strunobetonowych z wibroizolacją następuje zmniejszenie deformacji pionowych nawierzchni kolejowej i w konsekwencji wydłużenie okresów międzynaprawczych na liniach kolejowych.

Tab. 4. Aktywna powierzchnia kontaktu podkładu  z wibroizolacją  z ziarnami tłucznia [2] 

Podsumowanie

Zastosowana izolacja wibracyjna podkładów betonowych wskazuje na dużą skuteczność tłumienia drgań przekazywanych przez podsypkę na podtorze. W celu poprawienia skuteczności zastosowanej wibroizolacji należy przeprowadzić rozszerzone badania nad parametrami materiałowymi  warstw izolacyjnych.

Literatura

1. M. Krużyński, Badania izolacji antywibracyjnej w nawierzchni kolejowej, IX Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Drogi kolejowe”, 1997.

2. F.H. Müller-Boruttau, Kleinert, Besohlte Schwellen, „Eisenbahntechnische Rundschau” 3/2001.

3. F.H. Müller-Boruttau, N. Breitsamter, Elastische Elemente verringern die Fahrwegbeanspruchung, „Eisenbahntechnische Rundschau” 49/2000.

4. D. Ebersbach, F.H. Müller-Boruttau, Dynamische Wegmessungen im Gleis- eine unverzichtbare Methode zur Auswahl neuer Oberbau komponenten, „ETR-Eisenbahntechnische Rundschau 45/1996.

5. F.H. Müller-Boruttau, Elastische Gleiskomponenten verringern die dynamische Unterbau- und Untergrundbeanspruchung, El-Eisenbahningenieur” 52/2001.

mgr inż. Ewelina Kwiatkowska

Politechnika Wrocławska

Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Instytut Inżynierii Lądowej