Nasypy kolejowe – odkształcenia i modernizacja

Celem artykułu jest zwrócenie uwagi na aspekt dynamiczny obciążenia kolejowego, który w kraju obecnie jest bagatelizowany w projektach geotechnicznych związanych z modernizacją nasypów kolejowych.

Fot. stock.adobe.com / Andy Ilmberger

Infrastruktura kolejowa w Polsce

Zarządca narodowej sieci linii kolejowych w planach biznesowych spółki [2] nakreślił główny cel techniczny i handlowy: zapewnienie standardów utrzymania sieci kolejowej, systematyczna likwidacja zaległości utrzymaniowych oraz skrócenie czasu przejazdów pociągów na wszystkich liniach kolejowych przez podniesienie prędkości przejazdu pociągów. Jednocześnie rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2013 r. [3] Polska została zaliczona do krajów, w których mają być wdrożone działania dla realizacji korytarzy Transeuropejskiej Sieci Transportowej TEN-T w celu usprawnienia połączeń międzygranicznych. Na terenie Polski w zakresie kolei projekt ten oprócz modernizacji odcinków istniejących obejmuje nowo budowane odcinki, w tym linię dużych prędkości „Y” Warszawa – Łódź – Poznań (z przedłużeniem do Berlina) i Wrocław (z przedłużeniem do Pragi), linię Katowice – Ostrawa, Kraków – granica polsko-słowacka.

Polecamy: Modernizacja kolei w Polsce – rynek o dużym potencjale
Obecnie w ślad za istniejącymi wytycznymi krajowymi analiza nasypów kolejowych w Polsce sprowadza się zazwyczaj do uproszczonych obliczeń stateczności, bez uwzględnienia wpływu wzrostu prędkości przejazdu czy ryzyka wystąpienia zjawisk dynamicznych. Tymczasem plany PKP PLK i rozpatrywana realizacja sieci TEN-T mówią o zwiększaniu prędkości przejazdu kolei. Bez zmiany utartych schematów projektowych lub wprowadzenia dodatkowych wytycznych dla kolei dużych prędkości w pewnym momencie może się okazać, że stosowane podejście jest zbyt dużym uproszczeniem i nie uwzględnia zagrożeń rzeczywistych.
Zobacz też: Ocena zgodności systemów przytwierdzeń szyn

Wpływ cyklicznego charakteru ruchu kolejowego na podłoże gruntowe

Nasypy kolejowe są narażone na różnego rodzaju odkształcenia. Poza osiadaniami, analizowanymi jak dla podłoża gruntowego poddanego naciskowi statycznemu, powtarzalny, cykliczny ruch dynamiczny skutkuje pojawieniem się postępujących odkształceń ścinających i odkształceń plastycznych w gruntach o niskich parametrach wytrzymałościowych.

W przypadku odkształceń ścinających struktura podłoża gruntowego ulega naruszeniu, pojawia się postępujące wyparcie boczne (rys. 1).

Rys. 1. Postępujące odkształcenia ścinające podłoża gruntowego powstałe na skutek cyklicznych obciążeń taborem kolejowym [8]

Po zainicjowaniu tego procesu mamy do czynienia z wytrzymałością na ścinanie gruntu o naruszonej strukturze, która może być wielokrotnie niższa od wytrzymałości podłoża nienaruszonego, zwłaszcza w przypadku gruntów wrażliwych (rys. 2).

Rys. 2. Przykład naprężeń ścinających gruntu o nienaruszonej (c_fv) oraz naruszonej strukturze
(c_{rem, fv}); badanie sondą krzyżakową ze stałą prędkością ścinania [17]

Jest to zjawisko szczególnie niebezpieczne, gdyż może skutkować utratą stateczności nasypu. Charakterystyczne dla obciążeń cyklicznych jest pojawianie się tzw. skumulowanych odkształceń plastycznych. Każdemu cyklowi obciążenia towarzyszy pojawienie się odkształceń mających w zdecydowanej większości charakter sprężysty, przy częściowym udziale trwałych odkształceń plastycznych (rys. 3).

Rys. 3. Schemat powstawania skumulowanych odkształceń plastycznych z kolejnymi cyklami
obciążenia

Z upływem czasu następuje kumulacja odkształceń, co prowadzić może do osiadań i odkształceń podsypki oraz w konsekwencji samych torów (rys. 4).

Rys. 4. Typowy układ odkształcenia podsypki kolejowej jako efekt obciążeń cyklicznych [7]

Wartość odkształceń ścinających oraz plastycznych może być pomijalnie mała w przypadku zagęszczonych gruntów niespoistych, nabierając znaczenia w gruntach spoistych plastycznych

organicznych. Wpływ na odkształcenia ma także odległość źródła obciążenia od warstwy słabej ze względu na wzrost dewiatora naprężenia. Im mniejsza jest odległość źródła obciążenia od warstwy słabej, tym efekt odkształceń plastycznych jest bardziej prawdopodobny.

Koleje dużych prędkości

Na świecie obserwujemy postępujący trend budowy kolei dużych prędkości. We Francji, Niemczech, Hiszpanii, Włoszech pociągi jeżdżą z prędkością 300 km/h, a w krajach azjatyckich – nawet 350 km/h. Światowy rekord prędkości dla konwencjonalnego pociągu szynowego wynosi 574,8 km/h (TGV, Francja), a dla składu Maglev poruszającego się na poduszce magnetycznej aż 603 km/h. Definicja kolei dużych prędkości jest odmienna w różnych krajach, na przykład Międzynarodowy Związek Kolei UIC podaje, że z kolejami dużych prędkości mamy do czynienia przy prędkościach przekraczających 250 km/h, natomiast Federal Railroad Administration w USA za wartość graniczną uznaje 177 km/h. W Polsce projekt budowy TEN-T zakłada prędkość podróżowania kolei 250-350 km/h.

Rozchodzenie się fal w gruncie

Zwiększaniu prędkości przejazdu towarzyszy intensyfikacja efektów dynamicznych w podłożu gruntowym, w którym następuje rozprzestrzenianie się fal powierzchniowych zwanych falami Rayleigha (typu R) oraz fal wgłębnych, do których zaliczamy fale podłużne (typu P, ściskające) oraz fale poprzeczne (typu S, ścinające) – rys. 5.

Rys. 5. Schemat przedstawiający ruch fal różnego typu odpowiedzialnych za wibracje gruntu [9]

W zależności od warunków gruntowych, przeszkód podziemnych, poziomu wody gruntowej zachodzi wielokierunkowa propagacja fal z interferencjami i odbiciami. W efekcie grunt doznaje wibracji, przekazując drgania na sąsiadujące zabudowania i słupy trakcyjne. Następuje też wibracja samego układu torowego, powodując jego ruchy i odkształcenia. Temat ten stanowi obecnie przedmiot obserwacji, pomiarów i badań w wielu krajach.
Powiązanie nadmiernych odkształceń torów z prędkością podróżowania kolei stwierdzono już 1948 r. raportem dla kolei poruszającej się z prędkością 120 km/h [12]. Nagły wzrost amplitudy odkształceń zaobserwowano też m.in. w Silton Fen w Wielkiej Brytanii przy prędkości pociągu 180 km/h (1993 r.), na linii Goteborg – Malmo w Szwecji przy prędkości 160 km/h (1997), podczas testu kolei TGV przy prędkości 160 km/h na linii Amsterdam – Utrecht [14]. W 1996 r. przed planowaną realizacją dużej inwestycji – linii kolejowej HSL-S w Holandii – powołano zrzeszenie ekspertów z dziedziny geotechniki i kolei pięciu krajów europejskich: Niemiec, Wielkiej Brytanii, Francji, Szwajcarii i Holandii, w celu przeprowadzenia badań wpływu prędkości przejazdu kolei na powstające efekty dynamiczne i ich skutki [14]. Wyniki badań przejazdów testowych na specjalnie do tego celu wybudowanych nasypach kolejowych potwierdziły wcześniej obserwowane wydarzenia rejestrowane na świecie. Sformułowano konkluzję, że po przekroczeniu pewnej prędkości krytycznej pojawia się efekt tzw. boomu wibracji, powodując gwałtowny wzrost amplitudy odkształceń układu torowego i prowadząc do ryzyka wykolejenia pociągu. Profesor Victor Krylov, uznany na świecie specjalista z dziedziny akustyki i wibracji, powiązał ten efekt z prędkością propagacji fali Rayleigha w gruncie. Jego zdaniem efekt boomu wibracji pojawia się w przypadku prędkości przejazdu zbliżonej do prędkości rozprzestrzeniania fali Rayleigha w gruncie [11]. Potwierdzenie tej teorii stanowią wyniki z pomiarów opisanego przykładu linii Malmo – Goteborg. Przy prędkości przejazdu kolei nieprzekraczającej 70 km/h zarejestrowano odkształcenia czysto statyczne, zgodne z kierunkiem działania grawitacji, występujące bezpośrednio pod przyłożonym obciążeniem. Wartość tych osiadań wyniosła około 5 mm. Przy pewnych wyższych prędkościach przejazdu zarejestrowano dodatkowe odkształcenia w kierunku działania grawitacji, a także uniesienia z charakterystycznym opóźnieniem czasowym w stosunku do przejazdu pociągu. Wartość tych odkształceń narastała wraz z prędkością, ulegając intensyfikacji przy prędkości zbliżonej do pomierzonej prędkości własnej rozchodzenia fali Rayleigha w gruncie, tj. 162 km/h (rys. 6) [10].

Rys. 6. Pomierzona amplituda odkształceń toru ze wzrostem prędkości przejazdu kolei na linii Malmo – Goteborg w Szwecji [10]

W omawianym przykładzie, w celu zminimalizowania rozprzestrzeniania się w gruncie fal dynamicznych, zadecydowano o wzmocnieniu podłoża nasypu kolejowego kolumnami. Po ich wykonaniu przeprowadzono kolejne pomiary, testując przydatność zastosowanej metody w eliminacji efektu wibracji. Pomiary wykazały, że przemieszczenia toru uległy ograniczeniu do około 1 mm i tym samym potwierdzono skuteczność zastosowanej metody wzmocnienia podłoża [16].

Zdaniem ekspertów wpływ efektów dynamicznych powinien być weryfikowany w przypadku kolei prędkości równej i wyższej od 160 km/h. W szwedzkim Trafikverket [15] znajdują się zalecenia dotyczące wstępnej weryfikacji prawdopodobieństwa wystąpienia zjawiska boomu wibracji m.in. przez zastosowanie zależności:

gdzie: v_crit – maksymalna prędkość przejazdu kolei, tzw. prędkość krytyczna,
c_s,empiricai – prędkość fali poprzecznej uzyskana z korelacji empirycznej,

c_{s, measured} – prędkość fali poprzecznej uzyskana z pomiarów.

Współczesne techniki badawcze podłoża umożliwiają przeprowadzenie w sposób szybki, łatwy i ogólnodostępny pomiarów prędkości propagacji fal w gruncie. Można ich dokonać za pomocą sondowań statycznych SCPT lub dylatometrycznych SDMT wyposażonych w moduł sejsmiczny.

Na wystąpienie zjawiska boomu wibracji ma wpływ, podobnie jak w przypadku odkształceń plastycznych, usytuowanie źródła obciążenia od warstwy gruntów słabych. Dlatego problem ten dotyczy w szczególności niskich nasypów lub nasypów, które zbudowane są z gruntów słabych.
Zobacz też: Metodyka BIM dla infrastruktury kolejowej

Wzmacnianie nasypów kolejowych w Polsce

W Polsce często występuje konieczność wzmocnienia naprawianych lub modernizowanych nasypów kolejowych. Rekonstrukcja istniejących nasypów jest rzadko spotykana ze względu na pilność zadań oraz wymóg utrzymania ruchu kolejowego na jednym z torów.
Znanym zabiegiem poprawiającym stateczność budowli ziemnej jest wykonanie przypór wzmacniających, wymaga to jednak zajęcia dodatkowego terenu, co na pewnych odcinkach jest bardzo kosztowne lub niemożliwe. Zastosowanie kotew, ścianek stalowych lub pali wzmacniających na skarpie nasypu znakomicie poprawia stateczność nasypu, jednak nie wpływa na redukcję osiadań pionowych ściśliwego podłoża. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie coraz popularniejszych technologii wzmocnienia w postaci kolumn, np. DSM (kolumny cementogruntowe), S.C. (kolumny żwirowe), sztywnych inkluzji (np. betonowych) i innych [1].

Warunkiem prawidłowego zaprojektowania wzmocnienia korpusu nasypu za pomocą kolumn jest: zapewnienie odpowiedniej redukcji osiadań podtorza (SLS), nośności strukturalnej kolumn związanej z jej wewnętrzną wytrzymałością i stanem naprężenia w kolumnie (ULS-STR), nośności zewnętrznej kolumny w powiązaniu z nośnością gruntu, w którym uformowano kolumny (ULS-GEO), a na końcu sprawdzenie stateczności globalnej konstrukcji nasypu zbrojonego elementami wzmacniającymi (ULS-EQU).
Polecamy: Rewitalizacja mostów kolejowych
Dokumentacje projektowe z zakresu wzmacniania podtorza, które pojawiają się w ramach ogłaszanych przetargów publicznych z zakresu infrastruktury kolejowej, w wielu przypadkach mają niską jakość i są niepełne (niżej podano przykłady).

W projektach często ignorowany jest drugi stan graniczny, tj. osiadania i przemieszczenia wzmocnionego podtorza.
W przypadku zagadnienia modernizacji podtorza do wyższych parametrów prędkości przejazdu z formalnego punktu widzenia istnieje możliwość pominięcia analizy drugiego stanu granicznego. Spowodowane jest to brakiem wytycznych dotyczących wpływu prędkości przejazdu pociągu na przyjęty schemat obliczeniowy i obciążenie (w zakresie do 200 km/h) [6]. W projektach brakuje weryfikacji sił wewnętrznych w sztywnych elementach wzmocnienia typu kolumny betonowe, mających znikomą wytrzymałość na rozciąganie (warunek ULS-STR). Zazwyczaj zagadnienie wzmocnienia kolumnami sprowadzane jest do uproszczonego obliczenia stateczności wzmocnionego podtorza. Idąc dalej, często spotykane jest przeprowadzanie analizy na tzw. zhomogenizowanych parametrach, czyli uśrednionych parametrach gruntu oraz elementów wzmocnienia. Takie podejście jest niepełne, zwłaszcza w przypadku kolumn o małych średnicach, rozmieszczonych w dużych rozstawach, które traktować należy jako elementy dyskretne, narażone na utratę nośności wewnętrznej np. z powodu oddziaływania nadmiernych sił poziomych lub pionowych. Homogenizacja parametrów może też skutkować otrzymaniem nierealnych powierzchni poślizgu i uzyskaniem zawyżonego współczynnika stateczności. W projektach brakuje również analizy samej fazy realizacji wzmocnienia i wpływu prowadzonych robót na sąsiadującą linię kolejową, która w przypadku modernizacji bardzo często pozostaje czynna w trakcie prac. Tymczasem ciężki sprzęt budowlany wprowadzony na nasyp kolejowy o niskich parametrach wytrzymałościowych, stanowiąc jego dodatkowe, niemałe obciążenie, pracując często na krawędzi skarpy, prowadzi do ryzyka jej obsunięcia i utraty stateczności. Kolejnym problemem, jaki powinien być w projektach rozpatrzony, jest wpływ stosowania metod wibracyjnych wzmacniania podtorza na zagrożenie bezpieczeństwa przejazdu pociągu. Warto w tym momencie zaznaczyć, że nie każda metoda wzmocnienia podtorza kolejowego jest uniwersalna i ma zastosowanie w każdych warunkach gruntowo-wodnych. Na przykład autorzy chcą zwrócić uwagę na wykorzystanie kolumn żwirowych w nasypach zawierających grunty mineralne spoiste lub organiczne. Technologia ta może powodować powstanie uprzywilejowanych dróg filtracji, które będą doprowadzały infiltrującą wodę opadową w głąb nasypów, powodując pogorszenie ich parametrów mechanicznych i odkształceniowych. Na etapie projektu należy przeprowadzić analizę ryzyka wystąpienia takiego zjawiska i w razie konieczności zastosować inną technologię lub wprowadzić zabiegi modyfikujące. Dostępne w Polsce normy i wytyczne z zakresu projektowania podtorza kolejowego i wzmacniania podłoża są mało szczegółowe i pozostawiają dużą dowolność projektową. Jak wyszczególniono wyżej, wzmocnienie podtorza kolejowego jest zagadnieniem złożonym i może wymagać od projektantów rozszerzenia analizy poza dostępne standardy.
Przedstawione zostały przykłady teorii, obserwacji i badań z zakresu wpływu ruchu kolejowego na podłoże gruntowe, na podstawie których można wnioskować, że jest to zjawisko skomplikowane, wywołujące w gruncie różnego rodzaju następstwa, w tym odkształcenia plastyczne, ścinające, efekty dynamiczne i wibracje. Następstwa te nabierają szczególnego znaczenia i intensyfikacji w gruntach słabych oraz powiązane są z prędkością przejazdu kolei i wysokością nasypu.

Artykuł powstał na podstawie referatu autorów opublikowanego w materiałach do seminarium IBDiM i PZWFS „Wzmacnianie podłoża i fundamentowanie 2019”.

mgr inż. Anna Nowosad
dr inż. Norbert Kurek
mgr inż. Karolina Trybocka
mgr inż. Jakub Saloni
Menard Polska

Piśmiennictwo

1. P Bąbała, M. Jończyk, P Kanty, Aspekty projektowania i realizacji wzmocnienia podłoża modernizowanych nasypów kolejowych, 64. Konferencja Naukowa, Krynica-Zdrój 2018.
2. Raport roczny PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. za 2017 rok.
3. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1315/2013 z dnia 11 grudnia 2013 r. w sprawie unijnych wytycznych dotyczących rozwoju transeuropejskiej sieci transportowej i uchylenia decyzji nr 661/2010/UE.
4. Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego Id-3, PKP PLK S.A., Warszawa 2009.
5. UIC CODE 719 R – Earthworks and track bed for railway lines. International Union of Railways, 2008.
6. PN-EN 1991 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje.
7. D. Li, E.T. Selig, Evaluation of railway subgrade problems, Washington, DC national Academy Press, 1995.
8. D. Li, E.T. Selig, Method forRailroad Track Foundation Design 1: Development, Journal of Geotechnical Geoenvironmental Engineering, 1998.
9. N. Persson, Predicting Railway – Induced Ground Vibrations, Master’s Dissertation, Lund University, Sweden 2016.
10. A.M. Kaynia, C. Madshus, High-speed railway lines on soft ground: dynamic behavior at critical train speed, Journal of sound and vibration, vol. 231(3), 2000.
11. V.V. Krylov, Focusing on Rayleigh waves generated by high-speed trains under the condition of ground vibration boom, Department of Aeronautical and Automotive Engineering, Loughborough Leicestershire, 2015.
12. F.C. de Nie, Undulation of railway embankments on soft sub-soil during passing of trains, Proceedings of the 2-nd Conf. of Soil Mech. And Found. Engineering, vol. II, 1948.
13. B.M. New, R.F. Woldringh, Embankment design for high speed trains on soft soils, Geotechnical Engineering for Transportation Infrastructure, 1999.
14. Swedish Transport Administration, Technical Demands on geotechnical constructions, 2014.
15. Trafikverkets tekniska krav for geokonstruktioner TK Geo 13, Dokument ID TDOK 2013:0667, Dokumentdatum 2014-05-01, Trafikverket.
16. G. Holm, B. Andreasson, PE. Bengtsson, A. Bodare, H. Eriksson, Mittigation of Track and Ground Vibrations by High Speed Trains at Ledsgard, Sweden, Report 10, Swedish Deep Stabilization Research Centre, 2002.
17. Raport z badań na potrzeby realizacji drogi S2 na odcinku POW od Węzła Puławska do Węzła Lubelska, ITB na zlecenie Menard Polska, listopad 2017.