Georuszty heksagonalne w stabilizacji podtorza

Zapewnienie utrzymania nawierzchni kolejowych w odpowiednim stanie to niezbędny element bezpieczeństwa oraz należytego funkcjonowania modernizowanych i nowo budowanych linii kolejowych. Koszty zabiegów utrzymaniowych zależą w dużej części od częstotliwości ich przeprowadzania [1]. W artykule przedstawiono technologię stabilizacji podtorza, a w szczególności podsypki tłuczniowej, która umożliwia znaczące wydłużenie okresów międzyutrzymaniowych poprzez ograniczenie odkształceń powodujących nierównomierności geometryczne toru.

Wykorzystanie geosyntetyków w budownictwie inżynieryjnym jest obecnie powszechne. Znajdują one zastosowanie w funkcji drenażowej, filtracyjnej, przeciwerozyjnej, zbrojenia oraz stabilizacji. W przypadku nawierzchni kolejowych, funkcja stabilizacji jaką zapewniają georuszty heksagonalne (trójosiowe), ma bezpośredni wpływ na znaczące ograniczenie przemieszczeń podsypki, czego efektem są zredukowane odkształcenia w obszarze podtorza.

Funkcja stabilizacji, zdefiniowana w raporcie Europejskiej Organizacji ds. Aprobat Technicznych (EOTA), oznacza poprawę parametrów wytrzymałościowych kruszywa poprzez ograniczenie przemieszczeń pod obciążeniem [2]. Dzięki zazębieniu się ziaren kruszywa w oczkach georusztu oraz klinowaniu się kolejnych ziaren w skrępowanej warstwie ziaren zazębionych, uzyskiwana jest zwiększona odporność na obciążenia oraz ograniczone jest przemieszczenie warstwy tłucznia (rys. 1).

Rys. 1. Zakres wpływu georusztu na skrępowanie boczne kruszywa.

Zastosowanie georusztu trójosiowego w funkcji stabilizacji, poprzez interakcję z kruszywem (rys. 2) przyczynia się do:

• zwiększenia kąta rozkładu obciążenia: min 45°,
• redukcji grubości warstwy kruszywa: o max 50%,
• zmniejszenia nacisku jednostkowego w płaszczyźnie kontaktu kruszywo – podłoże gruntowe (qv).

Rys. 2 Wpływ georusztów trójsosiowych na rozkład naprężenia w podłożu.

Doświadczenia uzyskane w oparciu o badania modelowe w skali rzeczywistej oraz realizacje dotychczasowych inwestycji, wskazują na skuteczność działania georusztów trójosiowych zarówno w warstwie ochronnej, jak i w warstwie podsypki (rys. 3). W przypadku użycia georusztu w warstwie ochronnej, kluczową funkcją geosyntetyku jest zwiększenie nośności podtorza, natomiast w przypadku użycia georusztu w warstwie podsypki kluczową funkcją jest stabilizacja kruszywa poprzez ograniczenie możliwości wzajemnego przemieszczania się ziaren zaklinowanych w oczkach georusztu.

Rys. 3 Zastosowanie georusztu heksagobalnego do stabilizacji a) warstwy ochronnej b) podsypki tłuczniowej.

Zastosowanie georusztów trójosiowych do stabilizacji podtorza ma znaczący wpływ na wydłużenie okresów pomiędzy kolejnymi zabiegami utrzymaniowymi. Kompleksowe testy w skali rzeczywistej przeprowadzone zostały w pierwszej dekadzie XXI wieku na Uniwersytecie Nottingham oraz przez koleje brytyjskie Network Rail na odcinku testowym o długości 800 m, zbudowanym na linii West Coast Mian Line. Analiza wyników uzyskanych we wspomnianych testach wykazała, że stabilizacja podtorza georusztem tójosiowym powoduje wydłużenie okresów międzyremontowych o ok. 2,5 raza.

Spośród inwestycji kolejowych na terenie Polski, w których zastosowano stabilizację podtorza oraz podsypki tłuczniowej georusztem trójosiowym, warto bliżej zaprezentować trzy interesujące przykłady.

Modernizacja linii E65 zrealizowana został w latach 2012–2014 [2]. Na podstawie ekspertyzy geotechnicznej na obszarze LCS Gdańsk na szlaku Pruszcz Gdański – Gdańsk Południowy pod nasypem kolejowym stwierdzono lokalnie niekorzystne warunki gruntowe w postaci występujących w podłożu torfów o miąższości do 4,5 m. Istniejący nasyp zbudowany był z gruntów piaszczystych z domieszką pyłów. Wymagania odnośnie do warstwy ochronnej zakładały doprowadzenie jej bezpośrednio pod warstwą podsypki tłuczniowej do nośności E₂≥ 120 MPa, podczas gdy istniejące podłoże gruntowe charakteryzowało się wtórnym modułem odkształcenia E₂≥ 25 MPa. W rezultacie przeprowadzonych obliczeń przyjęto konstrukcję (rys. 4) o całkowitej grubości 50 cm, na którą składały się:

• geowłóknina separacyjno filtracyjna,
• georuszt trójosiowy,
• warstwa kruszywa łamanego 0/31,5 o grubości 25 cm,
• georuszt trójosiowy,
• warstwa kruszywa łamanego 0/31,5 o grubości 25 cm.

Rys 4. Zaprojektowana konstrukcja podtorza dla odcinka linii E65 na obszarze LCS Gdańsk.

Rys. 5. Układanie pierwszej warstwy georusztu trójosiowego w trakcie modernizacji linii E65 na obszarze LCS Gdańsk.

Drugi przykład to odcinek LK 273 na odcinku Głogów – Zielona Góra – Rzepin – Dolna Odra, sekcja Zielona Góra-Niedoradz, realizowany w latach 2017-2018. Problemem były zalegające w podłożu pod istniejącą nawierzchnią kolejową grunty spoiste w postaci glin pylastych i piasków gliniastych w stanie plastycznym i miękkoplastycznym. Zastosowanie georusztu heksagonalnego do stabilizacji górnej warstwy ochronnej w postaci niesortu kamiennego o grubości warstwy 35 cm pozwoliło uzyskać w tej sytuacji wymagane wartości nośności określone modułem odkształcenia E₂≥ 110 MPa i zagęszczenie E₂/E₁≤ 2,2 (rys. 6).

Rys. 6 Wzmocnienia podtorza na linii LK273

Ostatnim wartym przedstawienia przykładem jest odcinek testowy o długości około 5 km zrealizowany w roku 2008 na CMK. Było to nowatorskie rozwiązanie polegające na zwiększeniu odporności na dekonsolidację warstwy podsypki w obszarach narażonych na intensywne drgania. Wykonana konstrukcja składała się z kompozytu tłuczniowego w postaci warstwy tłucznia stabilizowanej georusztami i miejscowo stabilizowanej specjalnym spoiwem wykonanym na bazie żywic poliuretanowych (rozwiązanie autorskie opracowane w Zakładzie Infrastruktury Transportu Wydziału Transportu PW [3]) (rys. 7).

Rys. 7. Nawierzchnia z kompozytem tłuczniowym: 1 – warstwa dolna zagęszczonego tłucznia, 2 – warstwa górna zagęszczonego tłucznia, 3 – zagęszczona warstwa tłucznia, w której zatopiona jest rama toru, 3′ – warstwa tłucznia stabilizowanego chemicznie, 4 – georuszty stabilizujące warstwę podsypki.

Wyniki badań i doświadczeń oraz analiza pracy istniejących konstrukcji wskazują, że większa sztywność warstw podtorza stabilizowanych georusztem trójosiowym wpływa bezpośrednio na redukcję ugięcia toru, poddanego cyklicznym obciążeniom dynamicznym od taboru kolejowego. W efekcie zastosowanie georusztu powoduje:

• mniejsze prawdopodobieństwo powstania całkowitej deformacji,
• mniejszą tendencję ziaren tłucznia do ścierania i degradacji warstwy w skutek zwiększonej sztywności warstwy podsypki,
• ograniczenie ilości zabiegów utrzymaniowych (podbijania toru),
• obniżenie kosztów utrzymania.

Bibliografia:

1. Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego Id-3, PKP PLK S.A. Warszawa 2009.
2. Stabilizacja podtorza kolejowego przy użyciu georusztu heksagonalnego (trójosiowego) na przykładzie realizacji przebudowy linii kolejowej E65 na odcinku Warszawa-Gdynia-LCS Gdańsk. M. Gołos, A. Wolaniecki. Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK RP, O. w Krakowie Nr 3 (10) , 2013.
3. Odkształcenie nawierzchni kolejowej z kompozytem tłuczniowym. T. Basiewicz, A. Gołaszewski, J. Kukulski, K. Towpik. Wydział Transportu, Politechnika Warszawska. Problemy Kolejnictwa – Zeszyt 166 (marzec 2015).

dr inż. Remigiusz Duszyński, Politechnika Gdańska

mgr inż. Michał Gołos, Tensar Polska

Zdjęcia: Tensar

Polecamy też:

• Akustyka w pobliżu linii kolejowej
• Nasypy kolejowe – odkształcenia i modernizacja
• Metodyka BIM dla infrastruktury kolejowej