NL1009311C2 - Zettingsarme lichtgewicht spoorconstructie. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Zettingsarme lichtgewicht spoorconstructie

Volgens de huidige stand van de techniek kunnen spoorconstructies worden onderverdeeld 5 in spoor in ballast en ballastloos spoor. Beide soorten kunnen in principe worden toegepast op zowel een aardebaan als op kunstwerken, welke doorgaans zettingsvrij worden aangelegd, meestal door onderheien. Het overgrote deel van alle spoorconstructies is aangelegd op een aardebaan. Bij aanleg van nieuwe sporen en bij uitbreiding van bestaande sporen op een aardebaan kunnen relatief grote initiële zettingen optreden, als gevolg van de extra belasting die door 10 de constructie wordt toegevoegd, in de orde van tientallen centimeters. Het zijn met name de zettingsverschillen, welke doorgaans proportioneel zijn met de absolute zettingen, die een directe invloed hebben op de verticale spoorgeometrie. Deze geometrische afwijkingen dienen, afhankelijk van de rijsnelheid, beperkt te blijven tot 5 a 10 mm, als piekwaarde in de golfband van 0 tot 25 m. De initiële zettingen kunnen in de praktijk tot een aanzienlijke verlenging van de aan-15 legtijd leiden en vereisen een substantieel hogere onderhoudsinspanning om de geometrische spoorafwijkingen binnen de normen te houden.' In nog sterkere mate spelen deze problemen bij de overgang van (zettingsvrij)kunstwerk naar aardebaan. Voor ballastloos (platen)spoor zijn de eerder genoemde zettingen absoluut ontoelaatbaar.

De uitvinding voorziet in het toepassen, bij sporen op een aardebaan, van een lichtgewicht 20 laag (5,9), bestaande uit EPS, of vergelijkbare materialen, in combinatie met een buigstijve plaat (4,8) voor het spreiden van de belasting, met als doet een zodanige reductie van het totale gewicht van de spoorconstructie te creëren, dat het gewicht van de aangebrachte constructie nagenoeg gelijk is aan het gewicht van de uitgegraven grond. Hierdoor blijft het bestaande evenwicht in de ondergrond behouden en treden er derhalve geen wezenlijke nieuwe zettingen op, 25 waardoor initiële zettingen en zettingsverschillen bij zowel nieuwbouw, spooruitbreidingen, alsmede overgangsconstructies tussen kunstwerk en aardebaan, beperkt gehouden kunnen worden.

In hoofdlijnen heeft de uitvinding betrekking op de constructietypen volgens de figuren 1 en 2: het klassieke ballastspoor en het ballastloze spoor, ook wel platenspoor genoemd. In het laat-30 ste geval kunnen de buigstijve plaat (8) en de plaat van de spoorconstructie (7) worden geïntegreerd tot een plaat. Als voorbeeld is in figuur 2 de embedded rail constructie afgebeeld, maar in principe zijn alle thans bekende varianten zoals onder andere de Rheda constructie eveneens toepasbaar.

De buigstijve plaat (4,8) van bijvoorbeeld gewapend beton heeft tot doel de belasting te 35 spreiden en de spanningen in het lichtgewicht materiaal zodanig te reduceren dat er onder de gebruiksbelasting geen blijvende rekken ontstaan. De plaatdikte (4) ligt in de orde van 30 cm.

1009^11 2

Bovendien is de buigstijve plaat essentieel tijdens de bouw van het spoor voor transport en ondersteuning van werkmaterieel.

Het thans bewezen lichtgewicht materiaal is EPS. De volumieke massa van EPS-hardschuim, of het hier nu gaat om relatief licht EPS15 (p=15 kg/m3) of het relatief zware EPS45 5 (p=45 kg/m3), is slechts een fractie van de volumieke massa van samendrukbare grondsoorten.

Daarom is het technisch bijna altijd mogelijk om een voldoende gewichtsreductie te realiseren. De dikte van de EPS laag ligt in de orde van 1 m, maar kan enkele meters zijn bij grote ophogingen.

Als een neveneffect draagt de implementatie van een EPS-laag bij tot betere dempings- en 10 veerkarakteristieken van het spoorsysteem. Daardoor heeft de uitvinding eveneens betrekking op een dempende tussenlaag (13) voor het elastisch ondersteunen van de spoorconstructie (12) ten opzichte van lager gelegen lagen van het spoorlichaam. Onder lager gelegen lagen worden de aardebaan of (in het geval van op palen gefundeerde spoorconstructies) de betonlaag (14) of (bij kunstwerken) de beton-/staalplaten verstaan. De genoemde betonlaag (14) bij de op palen 15 (17) gefundeerde spoorconstructies kan ook van een met een ander bindmiddel gebonden mate riaal vervaardigd zijn. Eveneens kan hier sprake zijn van afzonderlijke op palen (17) rustende platen (met allerlei verschillende vormen) die al dan niet onderling verbonden zijn. Door toepassing van EPS (13) kan bij de optredende dynamische belasting de vereiste elasticiteit worden verkregen. Deze conclusie impliceert de mogelijke toepassing van EPS-blokken als een dem-20 pende tussenlaag (13) voor vermindering van geluid en trillingen veroorzaakt door dynamische belasting van de spoorconstructie, zowel aangelegd op een samendrukbare als op een starre ondergrond.

Onder de EPS-laag (5, 9, 13) wordt hier een laag verstaan bestaande uit de blokken van geëxpandeerd polystyreen hardschuim. Het hoofdprobleem bij de aanleg van nieuwe of verbre-25 ding van bestaande spoorconstructies in gebieden met weinig draagkrachtige bodem (6,10, 15) zijn (ongelijkmatige) zettingen. In de praktijk worden verschillende methoden toegepast zoals het aanbrengen van (tijdelijke) voorbelasting met of zonder verticale drains, gebruik van vacuüm (b.v. IWCO methode), diverse types grondstabilisatie, funderen op palen tot vervanging van slecht dragende ondergrond aan toe, die de zettingen na voltooiing van een spoorconstructie 30 moeten voorkomen of minstens minimaliseren. Voor alle genoemde methoden kan de implementatie van zettingsarme lichtgewicht spoorconstructie met EPS-laag (5, 9) voor bepaalde ondergrondse condities een alternatief zijn. In het bijzonder kan het alternatief met EPS-laag een optimale oplossing bieden in veengebieden en ter plaatse van aansluitingen met zettingsvrije (meestal op palen gefundeerde) constructies als bruggen en andere kunstwerken. De toepassing 35 van EPS-blokken kan niet alleen tot kostenbesparing leiden maar tevens aanzienlijke verkorting van nodige bouwtijd mogelijk maken.

1 0093 1 1 3

De uitvinding voorziet door de toepassing van EPS-hardschuim en de daarmee gepaard gaande substantiële gewichtsreductie van spoorconstructies in een principieel nieuwe oplossing voor significante beperking of zelfs eliminering van zettingen bij de aanleg van nieuwe en verbreding van bestaande spoorwegen op samendrukbare ondergrond. De implementatie van een 5 EPS-laag beïnvloedt echter het gedrag van de bovenliggende spoorbaan. Als ophoog-/funderingsmateriaal heeft het EPS-hardschuim een aanzienlijk lagere volumieke massa, elasti-citeitsmodulus en wateropname dan traditionele ophoog-/funderingsmaterialen. De invloed van genoemde materiaaleigenschappen van EPS-blokken op het structureel gedrag van een spoorbaan is de reden voor een afwijkend ontwerpconcept van lichtgewicht in vergelijking met traditio-10 nele spoorconstructies. Gezien, aan de ene kant, relatief hoge aslasten en, aan de andere, de baanonvlakheid-tollerantie van slecht enkele millimeters is op samendrukbare ondergrond het realiseren van een soort starre "aardebaan" noodzakelijk om aan deze vlakheidseis te voldoen. Dit betekent de noodzaak van aanwezigheid van een draagkrachtige gebonden laag (4, 8, 12) boven de EPS-laag, die moet zorgen voor adequate lastspreiding van zowel dynamische als sta-15 tische belastingen binnen de constructie. Een betonlaag met voldoende dikte is de ideale last-spreidende laag boven EPS-blokken maar ook andere cement- en bitumengebonden lagen zijn realistische alternatieven.

De optimale dikte van de EPS-laag wordt bepaald op grond van de evenwichtsbe-rekeningen en de berekening van de veiligheid tegen opdrijven. De evenwichtsberekening dient 20 om de dikte van de EPS-laag vast te stellen die resulteert in voldoende reductie of desgewenst zelfs eliminatie van zettingen. Hierbij moet in ogenschouw worden genomen dat opdrijven niet mag voorkomen bij welke grondwaterstand dan ook. In de berekeningen van de veiligheid tegen opdrijven wordt de volumieke massa van EPS in droge toestand als inputwaarde gebruikt. Daarbij heeft de veiligheidscoëfficiënt bij voorkeur met een minimale waarde van 1.1. De dikte van de 25 EPS-laag is alleen van belang voor het totale gewicht van de spoorconstructie maar heeft verder een marginale invloed op het structureel gedrag van de spoorbaan: de spanningen en rekken in de bovenbouwconstructie zijn nagenoeg onafhankelijk van de dikte van de EPS laag.

De toepassing van EPS-blokken in een spoorconstructie legt geen beperkingen op aan de keuze van bovenbouwconstructietypes. Door adequaat ontwerp zijn spoorconstructies met een 30 EPS-laag realiseerbaar met een ballastbed (Figuur 1) (zogenaamde klassieke bovenconstructie) evenals zonder een ballastbed (Figuur 2). Enkele van de in combinatie met een EPS-laag toepasbare niet-klassieke bovenbouwsystemen zijn platenspoor van gewapend beton, ingegoten rail, asfalt in de spoorbaan, dwarsliggeromhulling en ingegoten dwarsliggers. Verder is er geen belemmering voor toepassen van praktisch alle dwarsliggerstypes (2) zoals zacht- en hardhou-35 ten dwarsliggers en betonnen tweebloks-, monoblok- en monolietdwarsliggers. De spoorbaan en de dikte van de lastspreidende (cement)gebonden (beton)laag (indien nodig bij de bovenbouw zonder ballast) moeten wel zodanig gedimensioneerd zijn dat de rek in de EPS-blokken ten ge- 10093 11 4 volge van maximaal optredende cyclische en statische belasting niet tot permanente deformatie van enige betekenis in de EPS-laag kan leiden.

Indien men lichtgewicht spoorconstructie volgens de onderhavige uitvinding toepast kan men in gebieden met samendrukbare ondergrond ook wat onderhoudskosten op lange termijn 5 betreft economischer te werk gaan. Door bij de aanleg het oorspronkelijke evenwicht zo min mogelijk te verstoren, dwz geen wezenlijke toenamen van de korrelspanningen, worden restzettin-gen zo goed als uitgesloten waardoor toekomstig onderhoud beperkter blijft dan bij spoorwegen aangelegd met gebruik van voorbelasting of versnelde zettingsmethoden. In de laatste twee genoemde methoden treden restzettingen in enige mate praktisch altijd op.

10 De duurzaamheid van het EPS-hardschuim op lange termijn maakt dit materiaal geschikt voor een ophoog-/funderingsmateriaal. Lage temperaturen, wateropname en blootstelling aan ! vries/dooi cycli, afzonderlijk of gecombineerd, hebben geen negatieve invloed op het mecha nisch gedrag van EPS. Met andere woorden de mechanische eigenschappen van EPS worden niet beïnvloed door ondergrondse condities. Wel is hier van essentieel belang dat de EPS-15 blokken, b.v. in bouwfase, niet worden overbelast. Overbelasting van EPS over de elasticiteits-grens heeft als consequentie een afname van de elasticiteitsmodulus van dit materiaal. Als (gesloten) celstructuur van het EPS-hardschuim wordt beschadigd neemt de maximale wateropname in sterke mate toe.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van drie voorbeelden verder verduidelijkt wor- 20 den.

Voorbeeld 1

Spoorconstructie met ballast, cementgebonden (beton)laag en een EPS-laag is geïllustreerd in Figuur 1.

Voorbeeld 2 25 In Figuur 2 is een spoorconstructie zonder ballast met een EPS-laag.

Voorbeeld 3

In Figuur 3 is een op palen gefundeerde spoorconstructie afgebeeld met een dempende tussenlaag van EPS-hardschuim.

1 0093 1 1

Claims (10)

1. Spoorconstructie, omvattende:

2. Spoorconstructie volgens conclusie 1, waarbij de lichtgewicht (funderings)laag althans ten dele is aangebracht in een in de bodem gegraven cunet, en waarbij het gewicht van het uit het cunet verwijderde bodemmateriaal ongeveer gelijk is aan het gewicht van de combinatie van de spoorstaven, de onderlinge verbindingsmiddelen, het eventuele ballastbed, de last-spreidende laag en de lichtgewicht (funderings)laag, onder de voorwaarde dat bij de meest 20 ongunstige grondwaterstand geen opdrijven mag plaatsvinden en de korrelspanning op het grensvlak tussen lichtgewichtsfunderingslaag en ondergrond nagenoeg gelijk is aan de korrelspanning in de oorspronkelijke situatie voor ontgraving.

3. Spoorconstructie volgens conclusie 1 of 2, waarbij de lichtgewicht (funderings)laag een 25 schuimmateriaal omvat met een soortelijke massa in het gebied van 10 tot 600, bij voorkeur in het gebied van 15 tot 100 kg/m3.

4. Spoorconstructie volgens conclusie 3, waarbij het schuimmateriaal een EPS-hardschuim is.

5. Spoorconstructie volgens conclusie 3 of 4, waarbij het schuimmateriaal is aangebracht in de vorm van naast elkaar geplaatste blokken.

5 Spoorstaven (1); en middelen voor het onderling verbinden van genoemde spoorstaven, zoals bijvoorbeeld dwarsliggers (2) en bevestigingsmiddelen; met het kenmerk. dat de spoorconstructie, eventueel onder tussenkomst van een ballastbed (3), rusten op een 10 in de bodem (6,10) aangebrachte onderconstructie, omvattende een lichtgewicht (funde- rings)laag van een materiaal (5, 9,13) waarvan de soortelijke massa significant lager is dan die van de bodem, alsmede een boven de lichtgewicht (funderings)laag aangebrachte last-spreidende laag (4, 8).

6. Spoorconstructie volgens conclusie 1 of 2, waarbij de lichtgewicht (funderings)laag bestaat uit composietmateriaal met ingegoten voorwerpen, zoals bijvoorbeeld flessen. 35

7. Spoorconstructie volgens één der conclusies 1-6, waarbij de lastspreidende laag (4, 8) wordt gevormd door een buigstijve plaat, bijvoorbeeld van beton. 1009311

8. Spoorconstructie volgens één der conclusies 1-7, waarbij de lastspreidende laag een dusdanige dikte heeft, dat een permanente deformatie van de lichtgewicht (funderings)laag (5, 9, 13) wordt vermeden. 1 5

9. Spoorconstructie volgens één der conclusies 1-7, waarbij tussen buigstijve betonplaat (14) en platenspoor (12) een lichtgewicht laag van bijvoorbeeld EPS (13) wordt aangebracht waarmee de stijfheids- en dempingseigenschappen worden aangepast ter verlaging van dynamische responsies, bodemtrillingen en geluidsproductie.

10 * i M fOO93M