Radan pystysuuntainen jäykkyys ja sen mittaaminen

Transkriptio

1 LIIKENNEVIRASTON tutkimuksia ja selvityksiä OSSI PELTOKANGAS HEIKKI LUOMALA ANTTI NURMIKOLU Radan pystysuuntainen jäykkyys ja sen mittaaminen

2

3 Ossi Peltokangas, Heikki Luomala, Antti Nurmikolu Radan pystysuuntainen jäykkyys ja sen mittaaminen Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 6/2013 Liikennevirasto Helsinki 2013

4 Kannen kuva: Ossi Peltokangas Verkkojulkaisu pdf ( ISSN-L ISSN ISBN Liikennevirasto PL HELSINKI Puhelin

5 3 Ossi Peltokangas, Heikki Luomala, Antti Nurmikolu: Radan pystysuuntainen kokonaisjäykkyys ja sen mittaaminen. Liikennevirasto, rakennuttamisosasto. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 6/ sivua ja 4 liitettä. ISSN-L , ISSN , ISBN Avainsanat: pystysuuntainen radan kokonaisjäykkyys, ratamoduuli, pistemäiset mittausmenetelmät, jatkuvat mittausmenetelmät Tiivistelmä Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kirjallisuuslähteiden avulla selvittää millä suureilla radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä voidaan kuvata, miten kyseiset suureet määritetään, miten radan kokonaisjäykkyys muodostuu radan rakenneosien jäykkyyksien yhteisvaikutuksesta ja mitä kokonaisjäykkyys indikoi koko ratarakenteen tai sen yksittäisten osien toiminnasta ja kunnosta. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin maailmalla radan jäykkyyden mittaamiseen käytettyjä mittausmenetelmiä. Jäykkyyden mittausmenetelmät voidaan jakaa pistemäisiin ja jatkuviin menetelmiin. Näistä pistemäiset menetelmät soveltuvat korkeintaan muutamien kymmenien peräkkäisten ratapölkkyjen mittaisten rataosuuksien mittaamiseen, kun taas jatkuvilla menetelmillä mittauksia voidaan tehdä koko rataverkon laajuudessa. Radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä voidaan kuvata radan jäykkyydellä (track stiffness) tai ratamoduulilla (track modulus). Radan jäykkyys määritetään kiskoa kuormittavan voiman ja kiskon taipuman suhteena, jolloin myös kiskon taivutusjäykkyys tulee huomioiduksi. Ratamoduuli määritetään Winklerin alustan kiskon taipumaa vastustavana voimana radan pituussuuntaista millimetriä kohden, kun kisko taipuu yhden millimetrin. Ratamoduuli ottaa huomioon ainoastaan kiskon alapuoliset radan rakenneosat. Ehdottomasti merkittävin kokonaisjäykkyyteen vaikuttava yksittäinen tekijä on pohjamaa ja sen ominaisuudet. Kohtalaisen merkittävä vaikutus on joustavilla elementeillä, kuten välilevyllä ja mahdollisella pohjaimella sekä karkearakeisten maamateriaalien rakennekerrospaksuuksilla. Näistä radan komponenteista välilevyt ja pohjaimet vaikuttavat potentiaalisimmilta jäykkyyden modifioinnin näkökulmasta. Myös ratapölkkyjen tukeutumistilalla on huomattava merkitys laskennalliseen jäykkyyteen. Maailmalla radan jäykkyystieto on tunnistettu potentiaaliseksi radan kunnon indikaattoriksi sekä keinoksi ongelmakohteiden paikallistamiseen ja kunnossapitotoimenpiteiden tehon todentamiseen. Kirjallisuustutkimuksen perusteella maailmalta löydettiin toistakymmentä erilaista pistemäistä jäykkyyden mittaussovellusta. Tässä tutkimuksessa mitattiin pistemäisesti peräkkäisen ratapölkyn palautuvia painumia kiihtyvyys- ja siirtymäantureilla yhteensä 13 kohteessa eri puolilla rataverkkoa sekä syksyllä 2011 että talvella Mittaus tehtiin tyypillisesti ratapölkyn päästä ja kuormituksena toimi radalla aikataulujen mukaan liikkunut kalusto. Lisäksi testattiin videokamerakuvausta radan taipumien mittaamiseksi. Syksyn mittauksissa palautuvat painumat vaihtelivat välillä 0,3 6,6 mm ja talvella välillä 0,1 1,1 mm. Suurimmat palautuvat painumat mitattiin turvepehmeikkökohteissa ja pienimmät kallioleikkauskohteessa. Talvella ratarakenteen routaannuttua palautuvat painumat olivat siis merkittävästi syksyn painumia pienempiä. Mittaustuloksille määritettiin myös niitä vastaavat jäykkyysarvot kahdella eri laskentamenetelmällä. Jatkuvia jäykkyyden mittalaitteita ei ole maailmanlaajuisestikaan olemassa kovin montaa, eikä mikään niistä suoraan sovellu Suomen rataverkolla käytettäväksi erilaisen raideleveyden takia. Jatkuvista mittausmenetelmistä tehdyn kirjallisuustutkimuksen pohjalta rakennettiin pienimittakaavainen prototyyppi, jolla tehtiin onnistuneita koemittauksia laboratorio-olosuhteissa. Prototyypistä ollaan rakentamassa täyden mittakaavan mittalaitetta.

6 4 Ossi Peltokangas, Heikki Luomala, Antti Nurmikolu: Banans totala vertikala styvhet och mätning av denna. Trafikverket, byggherreverksamhet. Helsingfors Trafikverkets undersökningar och utredningar 6/ sidor och 4 bilagor. ISSN-L , ISSN , ISBN Sammanfattning Målet med denna undersökning var att med hjälp av litteraturkällor utreda med vilka storheter banans totala vertikala styvhet kan beskrivas, hur dessa storheter definieras, hur banans totala styvhet uppkommer till följd av samverkan mellan konstruktionsdelarnas styvhet och vad den totala styvheten indikerar om funktionen och skicket i hela bankonstruktionen eller dess enskilda komponenter. Dessutom studerades mätmetoder som tillämpats på olika håll i världen för att mäta styvheten i banor. Metoderna för att mäta styvhet kan indelas i stillastående och kontinuerliga metoder. Av dessa lämpar sig de stillastående metoderna för mätning av banavsnitt på högst några tiotals efter varandra liggande syllar, medan mätningar med kontinuerliga metoder kan göras i hela bannätets omfattning. Banans totala vertikala styvhet kan beskrivas genom banans styvhet (track stiffness) eller banmodul (track modulus). Banans styvhet definieras som förhållandet mellan den kraft som belastar rälsen och rälsens böjning, varvid även rälsens böjningsstyvhet tas i beaktande. Banmodul definieras som den kraft som motstår rälsens böjning på Winkler-underlag per längsgående millimeter i banan, då rälsen böjs en millimeter. Banmodulen beaktar endast strukturella komponenter under rälsen. Den absolut mest betydande enskilda faktorn som påverkar den totala styvheten är undergrunden och dess egenskaper. En måttligt betydande effekt har elastiska element, som dämpare och eventuella slipermattor, samt tjockleken i konstruktionslagren grovkorniga jordmaterial. Av dessa bankomponenter verkar dämpare och slipermattor vara de mest potentiella ur styvhetsmodifieringssynpunkt. Även syllarnas stöd har en betydande effekt på den kalkylmässiga styvheten. I världen har uppgifter om banans styvhet identifierats som en potentiell indikator för banans skick samt som en metod för att lokalisera problem och för att verifiera underhållsåtgärdernas effekt. Utifrån litteraturundersökningen hittades över tio tillämpningar för stillastående mätning av styvhet. I denna undersökning mättes återhämtbara sättningar i syllar med stillastående metod i sammanlagt 13 objekt på olika håll i bannätet på både hösten 2011 och vintern Mätningen gjordes typiskt från syllens ände och materielen som rördes på banan enligt tidtabell fungerade som belastning. Utöver detta testades inspelning med videokamera för att mäta böjningar i banan. Vid höstens mätningar varierade de återhämtbara sättningarna mellan 0,3 och 6,6 mm och på vintern mellan 0,1 och 1,1 mm. De största återhämtbara sättningarna mättes på ställen med svag undergrund med torv och de minsta sättningarna vid bergskärningar. På vintern, efter bankonstruktionens tjälning, var de återhämtbara sättningarna således avsevärt mindre än sättningarna på hösten. För mätresultaten fastställdes även motsvarande styvhetsvärden genom två olika beräkningsmetoder. Det finns inte särskilt många mätanordningar för kontinuerlig styvhetsmätning i världen, och ingen av dem lämpar sig direkt för användning i Finlands bannät på grund av olika spårvidder. Utifrån litteraturundersökningen om kontinuerliga mätmetoder byggdes en småskalig prototyp med vilken lyckade provmätningar genomfördes i laboratorieförhållanden. En fullskalig mätanordning håller på att byggas utifrån prototypen.

7 5 Ossi Peltokangas, Heikki Luomala, Antti Nurmikolu: Vertical track stiffness and measurement techniques. Finnish Transport Agency, Construction Management. Helsinki Research reports of the Finnish Transport Agency 6/ pages and 4 appendices. ISSN-L , ISSN , ISBN Summary The aim of this study was to perform a literature review on parameters that represent the vertical stiffness of a railway track and how those parameters can be determined. This study also considers the effect of single track component stiffnesses on the total track stiffness and the applicability of track stiffness as an indicator of track condition. In addition, this study includes a literature survey on both standstill and rolling measurement techniques used worldwide. Vertical track stiffness can be defined in two ways: track stiffness and track modulus. Track stiffness is the ratio between applied load and rail deflection, whereas track modulus is defined as the applied force per unit length of rail per unit deflection. The difference between these is that track stiffness includes the effect of the rail bending stiffness. Track modulus represents only the remainder of the superstructure, without rail, and the substructure. Subgrade properties are the most important factors influencing track stiffness. Elastic track components, like rail pads and under sleeper pads, and the thickness of granular materials also have some effect on track stiffness. Under sleeper voids, if present, are also significant. Several researchers worldwide have claimed that track stiffness is an important parameter in the complex train-track interaction and that it can link track condition problems and their causes. According to the literature survey, there are over a dozen different types of standstill measurement applications. In this study, the recoverable vertical displacements of 15 to 20 consecutive sleepers were measured with accelerometers and potentiometers at 13 test sites both in autumn 2011 and in winter The test sites were located throughout the Finnish railway network. Typically, the measurements were performed at the ends of the sleepers, and rolling stock was used to produce the loading. In addition, video camera recording was evaluated as an alternative approach for measuring track deflections. In autumn 2011 recoverable vertical displacements of sleeper ends between 0,3 6,6 mm were measured at the test sites. In winter, the frost had a remarkable effect on the railway embankment stiffness, as displacements decreased to between 0,1 1,1 mm. Track stiffness values based on measured displacements were also calculated with two different calculation methods. There are only a few rolling measurement devices worldwide and because of the different gauge none of them can directly be used on Finnish railway network. Based on the findings in the literature survey, a small-scale prototype was constructed and successfully tested in laboratory conditions. The prototype will be developed towards full-scale dimensions and measurements on actual railway track.

8 6 Esipuhe Tämä radan pystysuuntaista jäykkyyttä ja sen mittaamista käsittelevä tutkimus on tehty Liikenneviraston toimeksiannosta Tampereen teknillisen yliopiston Maa- ja pohjarakenteiden yksikössä osana Tutkimusohjelmaa Elinkaaritehokas RAta (TERA). Tämän raportin ovat laatineet dipl.ins. Ossi Peltokangas ja dipl.ins. Heikki Luomala ja työtä on ohjannut tekn. tri Antti Nurmikolu Tampereen teknillisestä yliopistosta. Työn ohjaajina tilaajan puolelta toimivat Erkki Mäkelä Liikennevirastosta ja Jaakko Heikkilä Arcus Oy:stä. Helsingissä helmikuussa 2013 Liikennevirasto Rakennuttamisosasto

9 7 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO RADAN KOKONAISJÄYKKYYDEN JA RAKENNEOSIEN VUOROVAIKUTUS Radan jäykkyys käsitteenä Ratamoduuli u ja radan kokonaisjäykkyys K Staattinen ja dynaaminen jäykkyys Radan rakenneosat kokonaisjäykkyyden muodostajina Radan rakenneosat Kisko Kiskon kiinnitysosat Ratapölkky Ratapölkyn alapuolinen tyhjätila Pohjain Tukikerros Tukikerroksen alusmatto Väli- ja eristyskerros Routalevy Pohjamaa Yhteenveto radan rakenneosien vaikutuksesta radan jäykkyyteen Radan epälineaarinen kuormituskäyttäytyminen Kokonaisjäykkyys radan toiminnan indikaattorina Radan kokonaisjäykkyyden suuruus Radan pituussuunnassa vaihteleva kokonaisjäykkyys Melu ja tärinä Yhteenveto kokonaisjäykkyydestä radan toiminnassa RADAN KOKONAISJÄYKKYYDEN HYÖDYNTÄMINEN JA MÄÄRITTÄMINEN Radan jäykkyystiedon hyödyntäminen rasitustarkasteluissa Palkki kimmoisalla alustalla Useamman akselikuorman yhteisvaikutus Kiskon ja ratapölkyn välinen voima Fiktiivinen pölkky ja tehokas pinta-ala Ratapölkyn ja tukikerroksen välinen jännitys Raidealustaluku Radan tietokonemallintamiseen perustuvat laskelmat Radan jäykkyyden määritysmenetelmät Taipumamuotoon perustuva testi Yksittäisen pisteen tai akselin kuormitustesti Moniakselikuormitustesti Jäykkyyden määritysmenetelmien vertailu RADAN JÄYKKYYDEN PISTEMÄISET MITTAUSMENETELMÄT Pudotuspainolaite Mittausvaunut Lasersovellukset Lasersäteen sijainnin mittaamiseen perustuvat menetelmät Lasersäteen heijastumiseen perustuvat menetelmät Geofonit Kiihtyvyysanturit... 88

10 8 4.6 Siirtymäanturit Kamerasovellukset Iskuvasaratesti Yhteenveto pistemäisistä mittausmenetelmistä JATKUVAT MITTAUSMENETELMÄT Radantarkastusvaunut Korkeuspoikkeaman mittaaminen radantarkastuksessa Radantarkastustulosten hyödyntäminen jäykkyystarkasteluissa Oskilloivaan massaan perustuvat menetelmät RSMV Portancemetre Geometrian mittaamiseen perustuvat menetelmät Track Loading Vehicle (TLV) CARS UNL SKMT SBB Kiihtyvyysantureihin perustuva mittaus HSD Prototyyppi KOEMITTAUSKOHTEET JA MITTAUSJÄRJESTELYT Koemittauskohteet ja mittausajankohdat Koemittauksiin valitut mittausmenetelmät Kiihtyvyysanturit Siirtymäanturit Videokamerakuvaus Mäntsälä Sipilä Kesälahti Puhos Varkaus Heinävesi Airaksela Kurkimäki Kangas Oulainen Liminka Kempele Kivesjärvi Paltamo Viiala Mattila Suoniemi Karkku Vihanti Tuomioja Hirvineva Liminka Koemittauskohteiden ja -järjestelyiden yhteenveto KOEMITTAUSTULOKSET Mäntsälä Sipilä Kesälahti Puhos Varkaus Heinävesi Airaksela Kurkimäki Kangas Oulainen Liminka Kempele Kivesjärvi Paltamo Viiala Mattila Suoniemi Karkku Vihanti Tuomioja

11 Hirvineva Liminka Koemittaustulosten yhteenveto Videokamerakuvaus radan taipumatarkasteluissa JÄYKKYYDEN LASKEMINEN KOEMITTAUSTULOKSISTA Kuormitusten suuruus koemittauksissa Laskentamenetelmät Yksittäisestä ratapölkystä mitattu radan jäykkyys Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuva ratamoduuli Jäykkyys- ja ratamoduulitulokset Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit Tulosten analysointi PÄÄTELMÄT Radan pystysuuntainen kokonaisjäykkyys Koemittausmenetelmät ja -tulokset Jatkotutkimus LIITTEET Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Koemittauskohteissa 1-4 ja 6-9 tehtyjen maatutkaluotausten rakennetulkinnat 11/2011 (Roadscanners Oy). 4 sivua. Koemittauskohteiden ominaisuuksien yhteenvetotaulukko. 1 sivu. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyysprofiilit koemittauskohteittain. 6 sivua. Eri kalustotyyppien aiheuttamat ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat ja painumia vastaavat yksittäisestä ratapölkystä mitatut radan jäykkyydet sekä keskimääräisen yksittäisistä ratapölkyistä mitatun radan jäykkyyden ja ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvan ratamoduulin välinen korrelaatio talven 2012 mittaustulosten perusteella kohteissa sivu.

12 10 1 Johdanto Radan pystysuuntainen kokonaisjäykkyys muodostuu radan yksittäisten rakenneosien jäykkyyksistä. Alhaisen kokonaisjäykkyyden omaavalla radalla liikkuva kalusto aiheuttaa radassa huomattavan suuren taipuman, jonka myötä kasvavat taivutusrasitukset voivat ilmetä esimerkiksi korostuneena kiskon väsymisenä tai voimakkaana raidesepelin jauhaantumisena. Toisaalta hyvin jäykällä radalla kaluston aiheuttamat kuormitukset saattavat välittyä vain muutaman kuormituskohdan lähellä sijaitsevan ratapölkyn kautta, mikä johtaa kyseisten ratapölkkyjen kohdilla suuriin jännitystasoihin tukikerroksessa ja ratapölkyssä kiskon tukipinnalla. Kokonaisjäykkyyden äkillinen vaihtelu radan pituussuunnassa voi johtaa radan geometrian heikkenemiseen sekä suuriin dynaamisiin pystysuuntaisiin kuormituksiin. Maailmalla radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä on varsinkin viimeisten vuosikymmenten aikana tutkittu kohtuullisen paljon, sillä kokonaisjäykkyys on nähty potentiaalisena parametrina radan kunnon ja rakenneosien rasitusten arvioimisessa sekä kunnossapidon toimenpiteitä ohjaavana työkaluna. Jotta olemassa olevan rataverkoston jäykkyyttä voitaisiin arvioida, pitäisi radan kokonaisjäykkyyttä pystyä mittaamaan ja maailmalla onkin kehitetty sekä lukuisia pistemäisiä että joitain radalla kaluston mukana liikkuvia jatkuvasti mittaavia sovelluksia. Suomessa radan kokonaisjäykkyyttä ei nykyisellään juuri ole otettu huomioon radan suunnittelussa, mutta pitkällä aikavälillä tavoitteena olisi mitoittaa rata roudan ohella myös kuormituskestävyyden suhteen. Tällä hetkellä kokonaisjäykkyyden mittausmenetelmiä ei ole Suomessa yleisesti käytössä eikä jäykkyyttä käytännössä mitata lainkaan. Kuitenkin esimerkiksi radan kokonaisjäykkyyden muutoskohtiin, kuten sillan päätyihin sekä keväisin kantavuusongelmista kärsiviin kohteisiin liittyvien jäykkyystarkastelujen vaikeus on ollut usein esillä sopivan mittausmenetelmän puuttuessa. Yleisemmällä tasolla kyseinen ongelma tulee vastaan Euroopan laajuisen tavanomaisen rautatiejärjestelmän infrastruktuuriosaa koskevan yhteentoimivuuden teknisen eritelmän [1] mukaisessa YTE-ratatyypin arvioinnissa, jossa radan jäykkyys ja sen määrittely on jätetty avoimeksi ja siten kansallisesti käsiteltäväksi kokonaisuudeksi. Suomessa ensimmäinen askel radan kokonaisjäykkyyden huomioimisessa radan suunnittelussa on otettu TTY:n Maa- ja pohjarakenteiden yksikön ratapenkereen leveyteen ja luiskakaltevuuteen liittyvän tutkimuksen myötä, minkä tuloksena pengerleveys suositellaan määritettäväksi radan jäykkyyden perusteella. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on aiheeseen liittyvän teorian lisäksi selvittää kirjallisuuslähteiden ja koemittausten perusteella, mitä vaihtoehtoja radan kokonaisjäykkyyden pistemäiseen ja jatkuvaan mittaamiseen on olemassa ja mitkä menetelmistä soveltuvat parhaiten käytettäväksi Suomessa. Tutkimuksessa selvitetään, miten jäykkyys olemassa olevissa eri mittaussovelluksissa määritetään ja mitä suuretta tulisi mitata. Lisäksi tarkastellaan myös alun perin muihin tarkoituksiin kehitettyjen mittausmenetelmien sovellettavuutta radan jäykkyyden mittaamiseen. Lupaavimmiksi nähdyillä pistemäisillä mittausmenetelmillä tehdään koemittauksia ominaisuuksiltaan erilaisissa koemittauskohteissa rataverkon eri osissa. Tässä tutkimuksessa keskitytään jäykkyystutkimukseen rataverkon linjaosuuksilla eli tyypillisten jäykkyyden epäjatkuvuuskohtien, kuten vaihteiden ja siltojen, sekä harvinaisempien ratarakenneratkaisuiden, kuten kiintoraiteen, jäykkyystarkastelut jäte-

13 11 tään tässä tutkimuksessa enintään maininnan tasolle. Lisäksi, vaikka joissain olosuhteissa radan sivuttais- tai pituussuuntainen jäykkyys saattaa muodostua ongelmaksi, tämän tutkimuksen puitteissa pitäydytään pystysuuntaisen jäykkyyden tutkimuksessa. Tutkimuksen kirjallisuusselvitysosuuden luvussa 2 esitellään ensin radan pystysuuntaiseen jäykkyyteen liittyvät peruskäsitteet, minkä jälkeen paneudutaan radan rakenneosien ja kokonaisjäykkyyden vuorovaikutukseen. Erityisesti tarkastelussa pyritään tunnistamaan radan pystysuuntaisen kokonaisjäykkyyden muodostumisen kannalta merkittävimmät rakenneosat sekä arvioimaan radan jäykkyystiedon käytettävyyttä radan toiminnan indikaattorina. Luvussa 3 käsitellään BOEF-mallin kautta jäykkyystiedon hyödyntämistä radan rasitustarkasteluissa sekä esitellään radan jäykkyyssuureiden laskennallista määrittämistä. Luvussa 4 esitellään kattavasti maailmalla jäykkyyden mittaamiseen käytettyjä pistemäisiä mittaussovelluksia sekä arvioidaan niiden käytettävyyttä Suomessa. Luvussa 5 esitellään maailmalla käytettyjä jatkuvia jäykkyyden mittauslaitteita sekä niiden perusteella tehtyjen havaintojen pohjalta TTY:llä kehitetty jatkuvan mittalaitteen pienimittakaavainen prototyyppi. Kokeellisen osuuden aluksi luvussa 6 esitellään koemittauksiin valitut pistemäiset mittausmenetelmät ja koemittauskohteiden ominaisuudet sekä koemittausjärjestelyt yksityiskohtaisesti kohde kerrallaan. Koemittausten tavoitteena on selvittää vallitseva jäykkyystaso Suomen rataverkon ominaisuuksiltaan erilaisissa osissa. Lisäksi tekemällä mittauksia sekä sulan maan aikana että talvella voidaan arvioida ratarakenteen routaantumisen vaikutuksia radan pystysuuntaiseen kokonaisjäykkyyteen. Luku 7 koostuu koemittaustulosten esittelystä kohteittain. Luvussa 8 määritetään koemittaustulosten perusteella laskennalliset jäykkyysarvot. Määritettyjä jäykkyysarvoja sekä koemittauskohteiden ominaisuuksia vertailemalla pyritään selvittämään millaista tietoa radan kunnosta tai ominaisuuksista jäykkyysmittauksilla on mahdollista saavuttaa.

14 12 2 Radan kokonaisjäykkyyden ja rakenneosienn vuorovaikutus Tämän luvun aluksi esitellään radan kokonaisjäykkyyteen liittyviää käsitteitä, jotta lu- kijan on helpompi ymmärtäää myöhemmin luvussa esiteltyjä asioita. Radan jäykkyy- den määrittämistä laskennallisesti käsitellään tarkemmin luvussaa 3. Jäykkyyskäsittei- kokonaisjäykkyyden muodostumisessa tarkastellaan rakenneosaa kerrallaan. Käsitte- den jälkeen esitellään radan rakenneosat, joiden merkitystä radan pystysuuntaisen lyssä pyritään erityisesti tunnistamaan jäykkyyden kannalta kriittisimmät rakenne- sekä tarkastellaan kokonaisjäykkyyden merkitystä radan toiminnassa ja radan raken- osat. Luvun loppupuolella esitellään radan kuormituskäyttäytymisen ominaispiirteitä neosien kunnon sekä kulumisen indikaattorina. 2.1 Radan jäykkyys käsitteenä Kuten jo johdannossa mainittiin, tämänn tutkimuksen puitteissaa pitäydytään radan pystysuuntaisen jäykkyyden käsittelyssä eli radan sivuttais- ja pituussuuntaisen jäyk- kyyden käsittely on rajattu tutkimuksen ulkopuolelle Ratamoduuli u ja radan kokonaisjäykkyys K Radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä käsittelevässä kirjallisuudessa esiintyy usein termi track modulus, josta tässä tutkimuksessa käytetään suomenkieliss stä nimi- Winklerin alustan kiskon liikettä vastustavaksi voimaksi radan pituussuuntaista mil- tystä ratamoduuli ja ratamoduulista symbolia u. Ratamoduuli i voidaan määrittää limetriä kohden, kun kisko taipuu yhden millimetrin [2]. Winklerin alustaaa käytetään klassisessa BOEF-mallissa (Beam Onn Elastic Foundation), joka perustuu jatkuvan Euler-Bernoullin palkin mallintamiseen Winklerin alustalla. Hieman yksinkertaistettuna malli perustuu kiskon kuvaamiseen Euler-Bernoullin palkkina ja kiskon alapuolisen rakenteen kuvaamiseen äärettömän pitkänää jonona kimmoisia, toisiinsa kytkemättömiä jousia. BOEF-mallia käsitellään tarkemmin luvussa 3.1. Kuvassa 2.1 on esitetty periaatekuva BOEF-mallista. Kuvassa termi Qd kuvaa junann pyörän aiheuttamaa pystysuuntaista kuormitusta. Kuva 2.1. BOEF-malli. [2]

15 13 Winklerin alustaa kuvaava yhtälö voidaan johtaa yhtälön 2.1 muotoon. [3] missä p( x) u (2.1) y( x) u (x) x (x) on ratamoduuli [N/mm/mm] p on kiskoa kannatteleva viivakuorma kohdassa x [N/mm] on kiskon suuntainen pituuskoordinaatti [mm] y on kiskon pystysuuntainen taipuma kohdassa x [mm] Miinusmerkki yhtälöön 2.1 tulee siitä, että p(x) on vastakkaissuuntainen kuin y-akseli, joka on tässä tapauksessa positiivinen alaspäin. Junan pyöräkuorman ja sen alaisen kiskon pystysuuntaisen siirtymän eli taipuman suhdetta nimitetään radan pystysuuntaiseksi jäykkyydeksi (track stiffness, global vertical track stiffness), josta käytetään tässä raportissa symbolia K. Jäykkyys voidaan ilmaista yhtälönä: [2] missä Q K (2.2) y max K on radan (pystysuuntainen) jäykkyys [N/mm] Q on pyöräkuorma [N] y max on kiskon maksimitaipuma suoraan pyörän alla [mm] Yhtälön 2.2 avulla voidaan ratkaista maksimitaipuma, joka syntyy kohdassa x = 0. Maksimitaipuma saadaan sijoittamalla x = 0 kiskon taipuman yhtälöön 3.3, joka voidaan edelleen johtaa yhtälön 2.3 muotoon: [4] missä y max Q (2.3) 2u y max ja Q ovat kuten yhtälössä 2.2 u = on ratamoduuli [N/mm/mm] 4 u EI 1 4 Termin β nimittäjässä oleva EI kuvaa kiskon taivutusjäykkyyttä siten, että E on kiskoteräksen kimmomoduuli ja I on kiskon jäyhyysmomentti. Sijoittamalla yhtälö 2.2 ja β yhtälöön 2.3, saadaan yhteys ratamoduulin u ja radan jäykkyyden K välille: [4] u 4 4 K 3 K 3 (2.4) 1 64EI 3 64EI tai toisinpäin esitettynä

16 14 K 4 64EI u 3 (2.5)) Perusero ratamoduulin ja radan jäykkyyden välillä on se, että kokonaisjäykkyys K si- kis- sältäää myös kiskon taivutusjäykkyyden EI, kun ratamoduuli u edustaa ainoastaan kon alapuolista päällysrakennetta (kiskon kiinnitysjärjestelmä, ratapölkyt ja tuki- kerros), alusrakennetta ja pohjamaata. [4] Toisin sanoen ratamoduulia tarkasteltaes- yhtä- sa kiskoprofiilien erojen vaikutus häviää, mutta ratamoduulin suora laskeminen löstä 2.1 ei ole mahdollista, mikäli ei tunneta termiä p(x) kyseisellä kohdalla Staattinen ja dynaaminen jäykkyys Radalla liikkuvan kaluston rataan aiheuttamat kuormitukset voidaan jakaa staattisiin ja dynaamisiin kuormituksiin. Junan ollessa paikallaan on pyöristä rataan kohdistuva kuormitus staattinen ja suorassa suhteessa junan painoon. Junan ollessa liikkeessä voidaan kuormitus jakaa kvasistaattiseenn ja dynaamiseen osaan. Dynaamisia kuormi- epä- tuksia aiheuttavat liikkeen, pyörä-kisko-kontaktipinnan ja radan geometrian tasaisuudet, jotka voivat olla joko lyhyitä tai pitkiä aiheuttaen junaan ja rataan mata- la- tai korkeataajuisia kuormituksia junann nopeudesta riippuen. Dynaaminen D kuormi- nähden. [5] tuslisäys saattaa olla hetkellisesti jopa ylii kolminkertainen staattiseen kuormitukseen Kuvan 2.2 vasemmanpuoleisessa kuvaajassa on esitetty Banverketin Ruotsissa tekemien mittausten perusteella saatu kiskonn kuormitus-taipuma-kuvaaja kyseisessä mittauksessa hitaasti, jolloin 150 knn maksi- mikuormituksella. Kuormitusta on kasvatettu saavutetaan lähes staattinenn kuormitus. Kuvaajasta nähdään, että taipuma ei kasva lineaarisesti kuormituksen kasvaessa. Kuvaajasta havaitaan myös, että kuormituksen poistuessa taipuma ei palaa lähtötilaansaa samaa polkua pitkin. Tämän T hystereesisil- mukan voidaan katsoa ilmentävän systeemin vaimennustekijää. [6] Kuva 2.2. Vasemmalla pystysuuntainen kiskon kuormitus-taipuma-kuvaajaa kvasi- käänteisluvun (reseptanssin( n) suuruus savisella pohjamaalla taajuuden funktiona. [6] staattisessa kuormituksessaa ja oikealla radan dynaamisen jäykkyyden Dynaamisen jäykkyyden analysoinnin helpottamiseksi jäykkyyden on oletettava ke- osuuksia kuvaajasta. Tarkasteltaessa radan jäykkyyttä erisuuruisilla dynaamisilla kuormitustaajuuksilla, käytetään radan dynaamisenn jäykkyydenn sijaan tyypillisesti mieluummin sen käänteislukua, josta käytetään termiä radan reseptanssi α ( (track re- hittyvän lineaarisesti, mikä pitääkin likimäärin paikkansa tarkasteltaessa pienempiä ceptance). Radan reseptanssii on kuormitustaajuudesta riippuva suure. s Termiä käyte- tään dynaamisenn jäykkyyden sijasta siksi, että ensisijaisen tarkastelun kohteena on

17 15 useimmiten voimaohjattu systeemi ja näin resonanssi-ilmiö voidaan tulkita suuriksi taipumiksi. Reseptanssi α voidaan esittää yhtälönä 2.6. [6] missä y( f ) ( f ) (2.6) Q( f ) y ( f ) on radan taipuma taajuuden funktiona [mm] ( f ) Q on rataan kohdistuva kuormitus taajuuden funktiona [N] Kuvassa 2.2 oikeanpuoleisessa kuvaajassa on esitetty reseptanssi-taajuus-kuvaaja mittauksesta, jossa savisella pohjamaalla olevaa rataa kuormitettiin 90 kn staattisella kuormalla ja samanaikaisesti 10 kn dynaamisella kuormalla Tässä tapauksessa kuvaajasta on löydettävissä resonanssi taajuusvälillä 5 8 Hz ja antiresonanssi taajuudella 9 Hz. Kuvaajasta nähdään myös radan olevan jäykempi korkeampia taajuuksia vastaan ainakin 50 Hz saakka, mikä Berggrenin [6] mukaan on tavanomaista lähes kaikille radoille. Pohdittaessa staattisen ja dynaamisen jäykkyyden eroja jäykkyysmittauksien kannalta, voidaan todeta staattisen jäykkyyden mittaamisen olevan huomattavan yksinkertaista verrattuna dynaamisen jäykkyyden mittaamiseen. Toisaalta radalla liikennöivän kaluston rataan kohdistaman kuormituksen ollessa useimmiten sekä kvasistaattista että dynaamista, voidaan pohtia, saavutetaanko ainoastaan staattisen tai yksittäisen taajuuden omaavan kuormituksen alaisella mittauksella riittävän hyvin radan todellista toimintaa kuvaavia tuloksia. Vastaavasti voidaan pohtia, saavutetaanko huomattavasti monimutkaisemmalla laajemman taajuusvälin kattavalla dynaamisella mittauksella merkittäviä etuja verrattuna staattiseen mittaukseen. Vaikka radan jäykkyyden ja kuormitustaajuuden välillä vallitsee hyvin mielenkiintoinen suhde, ei dynaamista jäykkyyttä tarkastella tämän tutkimuksen puitteissa tämän syvällisemmin. 2.2 Radan rakenneosat kokonaisjäykkyyden muodostajina Radan kokonaisjäykkyys muodostuu radan kaikkien rakenneosien ja pohjamaan ominaisuuksien summana tiettyjen osien vaikuttaessa jäykkyyteen enemmän ja toisten roolin ollessa vähemmän merkittävä. Jotta radan kokonaisjäykkyyttä voitaisiin modifioida tai säädellä, on ymmärrettävä radan yksittäisten rakenneosien rooli radan kokonaisjäykkyyden muodostumisessa Radan rakenneosat Perinteinen tukikerroksellinen ratarakenne voidaan jakaa päällysrakenteeseen ja alusrakenteeseen. Päällysrakenteeseen kuuluvat tukikerroksen lisäksi kiskot, kiinnitysosat välilevyineen, ratapölkyt sekä mahdolliset pohjaimet. Alusrakenne koostuu väli- ja eristyskerroksesta sekä mahdollisesta suodatinkerroksesta ja routalevystä. Ratarakenteen rakenneosia on havainnollistettu kuvassa 2.3. [7]

18 16 Kuva 2.3. Radan rakenneosien nimityksiä. Kuvassa 2.3 ei ole selkeyden vuoksi esitetty joitain harvoin Suomen ratarakentami- kuvassa sessa käytettyjä ratkaisuja kuten tukikerroksen alusmattoa. Tosin esimerkiksi esitetty pohjainkin on Suomessa vain harvoin käytetty erikoisratkaisu. Radan raken- tar- neosat ja niiden jäykkyyden kannalta merkittävimmät ominaisuudet on esitelty kemmin luvuissa Kisko Kisko (rail) on jatkuva, tietyn poikkileikkausprofiilin omaava teräsrakenne, jonka ensi- osat sijainen tehtävä on ohjata radalla liikkuvaa kalustoa tasaisesti eteenpäin. Kiskon ovat hamara (head), varsi (web) ja jalka (foot) kuvan 2.4 mukaisesti. Kiskon on oltava riittävän jäykkä pystyäkseen välittämään liikennettä taipumatta kohtuuttomak asti ratapölkkyjen välillä. Kiskoja liitetään toisiinsa pääasiassa hitsatullaa jatkoksella.. Jatkok- kuin set ovat tyypillisesti kiskojen ongelmallisin kohta niin rakentamisen, toiminnan kunnossapidon kannalta. [8] Kuva 2.4. Kiskon osien nimityksiä. [9]] Kiskon jäykkyys riippuu kiskoteräksen kimmomoduulista E sekä kiskon poikkileik- tuloa EI kutsutaan kiskon taivutusjäykkyydeksi. kausmitoista, jotka vaikuttavat jäyhyysmomentin I suuruuteen. Näiden parametrien [3]

19 17 Kiskoteräksen kimmomoduulin eli Younginn moduulin arvo a on tyypillisesti MPa [9]. Jäyhyysmomenttien arvot ovat Suomessa nykyisin enitenn käytetyille 54 E1 kiskolle ja 60 E1 kiskolle mm 4 ja mmm 4 [7]. Kisko on yksittäisistä radan osista ehdottomasti jäykin Kiskon kiinnitysosat Kiskon kiinnityksessä (rail fastener) ratapölkkyyn on useita u vaihtoehtoja, jotka voi- daan karkeasti jakaa puuratapölkkyyn kiinnittämiseen ja j betoniratapölkkyyn kiinnit- tämiseen. Kiinnityksen tarkoituksena on tukea kisko ratapölkkyä vasten sekä vastus- taa pyörä- ja lämpövoimista johtuvaa kiskon pysty-, vaaka- ja pituussuuntaista liiket- mahdollistaa kuvan 2.27 yhteydessä tarkemmin esitellyn ratapölkynn nousun ja iskey- tä sekä kiskon kaatumista. [8] Toisaalta kiskon kiinnitys saattaa tietyissä tilanteissa tymisen tukikerrokseen kiskon taivutusmomentista johtuvan nostavan voiman seura-s aluslevyn, jonka tarkoituksena on asettaaa kisko oikeaan kallistukseen ratapölkyn päällä sekä jakaa kuormat laajemmalle osalle ratapölkkyä pitäen näin tukipaineen kohtuullisena. Selig & Watersin [8] mukaan puuratapölkkyjen kohdalla ei käytetä eril- uksena. Kiinnitys puuratapölkkyyn vaatii useimmiten kiskon allee kuvan 2.5 mukaisen erillisen lisiä joustavia välilevyjä (rail pad), sillä puu on jo sinällään melko kimmoinen materi- aali. Suomessa välilevyjä kuitenkin käytetään puuratapölkyille joidenkin kiinnitysjär- jestelmien kanssa esimerkiksi lisäämään kiskon ja aluslevyn välistä kitkaa [7]. Kuva 2.5. Esimerkkikuva Suomessa käytössä olevasta Hey Back -kiinnityksestä puuratapölkkyyn. Betoniratapölkkyjen kohdalla eii useimmiten tarvita erillisiä aluslevyjä, mutta jousta- ominaisuuksien saavuttamiseksi: vien välilevyjen käyttö kuvan 2..6 mukaisesti kiskon jalan alla on tarpeen seuraavien [8] Kimmoisuuss kiskon jalan ja ratapölkyn rajapinnassa Kaluston pyöristä syntyvän värähtelyn vaimentaminen Kiskon jalan ja ratapölkyn välisen kontaktipinnan kulumisenn vähentäminen Riittävä sähköneristys

20 18 Kiskon ja betoniratapölkyn väliin asennettavan välilevyn materiaalina voivat olla esi- etyyli- merkiksi luonnonkumi, korkkikumi eli korkin ja kumin yhdistelmä, polyeteeni, vinyyliasetaatti ( EVA) tai elastomeerit [10], [11]. Levyt voivat olla pinnoiltaan sileitä tai esimerkiksi nasta- tai urakuvioituja [10]. Kuva 2.6. Esimerkkikuva Suomessa käytössä olevasta Vossloh Skl 14 -kiinnityksestä betoniratapölkkyyn. Välilevyn jäykkyyttä voidaan käsitellä sekä staattisena että dynaamisena jäykkyytenä. Staattisen jäykkyyden kohdalla tarkastellaan välilevyn jäykkyyttä pysyvän taii hitaasti kehittyvän kuormituksen alaisena. Käytännössä tämän kuormituksen aiheuttaa radalla liikennöivä kalusto sekä kiskoista ja kiinnityksistä välittyvät voimat. Staattisia kuormia voidaan pitää ikään kuin esikuormana tarkasteltaessa dynaamista d jäykkyyt- tä. Dynaamisella jäykkyydellää tarkoitetaan välilevyn jäykkyyttä nopeiden n kuormitus- siten, tapahtumien aikana. [12] Välilevyjen staattisen jäykkyyden on havaittu olevan kuormitustasoriippuvaista että kuormitusten kasvaessaa myös staattinen jäykkyys kasvaa. Jäykkyyden kasvu vaihtelee materiaaleittain ollen esimerkiksi luonnonkumilla huomattavaa ja poly- tu- eteenillä vähäisempää. [12], [ 13] Kuvassa 2.7 on esitetty Vosslohin Zw 900 NT -välilevylle tehdynn kuormitustestin lokset (yhtenäinen viiva). Kyseinen välilevytyyppi tyypillisesti sisältyy Suomessa ylei- on sesti käytössä olevaan Vosslohin Skl 14 -kiinnitysjärjestelmään [7]. Kuormitustesti tehty DB:n kuormitusmenettelyn TL mukaisesti ja esikuormituksenaa on käy- tetty 10 kn. [14]

21 19 Kuva 2.7. Staattisen kuormitustestin kuormitus-kokoonpuristumaa -kuvaaja (yhte- näinen viiva) Vosslohin Zw 900 NT -välilevylle. [14] Kuvassaa 2.8 on esitetty Pandrolin nimellispaksuudeltaan 10 mm nastapinnoitetulle luonnonkumivälilevylle tehtyjenn mittausten perusteella määritetty kokoonpuristuman ja staattisen jäykkyyden kehittyminen kuormituksen kasvaessa. k Oikeanpuoleisesta kuvaajasta voidaan havaita välilevyn jäykkyyden pysyvän kuormitusvälillä 0 30 kn lähes vakiona, mutta kasvavan sen jälkeen nopeasti kuormituksen kasvaessa. Välile- vyjen jäykkyyden yksikkönä käytetään useimmiten joko kn/mm tai MN/m johtuen siinäiden jousien jousivakioita. tä, että välilevyt tyypillisesti mallinnetaan jousina ja jäykkyydelläj ä kuvataan Kuva 2.8. Staattinen kuormitus-kokoonpuristuma- (vas.) ja kuormitus-jäykkyys - kuvaaja (oik.) Pandrolin nastapinnoitetullee luonnonkumivälilevylle (ni- mellispaksuus 10 mm). [12] Pandrolin nimellispaksuudeltaan 10 mm nastapinnoit etulle luonnonkumivälilevylle tehdyissä mittauksissa dynaamisen jäykkyyden on havaittu olevan riippuvainenn sekä staattisesta esikuormasta että dynaamisenn kuormituksen taajuudesta. Dynaamisen jäykkyyden havaittiin kasvavan sekä esikuorman kasvaessa että taajuuden kasvaessa dynaamisen jäykkyyden ollessaa noin 3 4 kertaa staattisen jäykkyyden suuruinen.

22 20 Taulukossa 2.1 on esitetty mittauksissa saatuja dynaamisen jäykkyyden arvojaa erisuue luon- ruisten esikuormien ja kuormitustaajuuksien yhdistelmillä. [12] Taulukko 2.1. Staattinen ja dynaaminen jäykkyys Pandrolin nastapinnoitetulle nonkumivälilevylle (nimellispaksuus 10 mm). Muokattu lähteestää [12] Esikuorman ja dynaamisen kuormituksen n taajuuden lisäksi muita välilevyn jäykkyy- lasku teen vaikuttavia tekijöitä ovatt esimerkiksi lämpötila ja välilevyn ikä. Lämpötilan tyypillisesti kasvattaa välilevyn jäykkyyttä. Kumulatiivisen kuormituskertamäärän kasvaessa välilevyn elinkaaren aikana senn jäykkyys alenee jonkin verran. v [10], [15] Tyypillisesti kiskon jalan ja betoniratapölkyn välissää käytetään suhteellisenn jäykkiä välilevyjä, vaikka ne eivät ole esimerkiksi meluvaimennusominaisuuksiltaan optimaa- rasi- lisia. Tällä pyritään tehokkaasti vähentämään ratapölkkyihin kohdistuvia suuria tuksia ja pidentämään näin ratapölkkyjen käyttöikää. [10] Pehmeän ja jäykän välilevyn välille ei kirjallisuudessa ole juuri annettu selviä rajaarvoja jäykkyyksien vaihteluvälin, MN/m, ollessa melkoo laaja [16]. Suomen Standardisoimisliiton betonisten ratapölkkyjen kiinnitysjärjestelmiä koskevassa osassa, jossa välilevyn dynaaminen jäykkyys määritetään 4 Hz:n taajuudella kuormi- huo- tusväliltä kn, annetaan alla esitetty jäykkyysluokitus. Samalla kuitenkin mautetaan luokituksen palvelevan vain testauskäyttöä, eikä sitä tule t käyttää ohjeelli- sena luokituksena radan suunnittelussa. [17] Pehmeä: Normaali: Jäykkä: < 100 MN/m MN/m > 200 MN/m Riippumatta välilevyn näennäisestä pehmeydestä tai jäykkyydestä, on sen jäykkyy- dellä merkittävä rooli radan kokonaisjäyk kkyyden muodostumisessa ja sen laskennas- kokoonpuristuminen olla jopa millimetrien luokkaa. Mikäli halutaan ymmärtää radan sa. Kuten kuvasta 2.8 voidaan havaita, saattaa kuormituksen aiheuttama a välilevyn kokonaisjäykkyyden muodostumista radan eri rakenneosien summana, on ehdotto- monimutkaista kuormitus-muodonmuutos-käyttäytymistä. Etenkin radan kokonais- jäykkyyden modifioinnin kannalta välilevyt vaikuttavat potentiaaliselta tulevaisuuden tutkimuskohteelta, sillä niiden jäykkyysskaala on laaja ja verrattuna alempiin radan masti pyrittävä ymmärtämään myös kiskon jalan ja betoniratapölkyn välisen välilevyn rakenneosiin ne ovat kohtuullisen helposti vaihdettavissa/asennettavissa ratapölk- koko- kyihin. Selig & Li [4] ovat tutkineet kiskon kiinnityksen jäykkyyden vaikutusta radan naisjäykkyyteen GEOTRACK-mallinnusten radalla riippuvan hyvin pitkälti välilevyn jäykkyydestä. avulla. Kiinnityksen jäykkyyden voidaan olettaa betoniratapölkyllisellä

23 21 Muutettaessa välilevy hyvin pehmeästä (26 MN/m) hyvinn jäykkään (350 MN/m), radan jäykkyys kasvoi jopa 70 %. Myös tämä tulos kertoo osaltaan välilevyn potentiaalista radan jäykkyyden modifioinniss sa. Samalla tulee kuitenkin muistaa, ettei liian pehme- vaikka sillä saavutettaisiinkin haluttu radan kokonaisjäykkyys. än tai jäykän välilevyn käyttäminen ole välttämättä kaikilta osin suositeltavaa, Ratapölkky Ratapölkyn (sleeper, tie) merkittävimmät tehtävät ja vaatimukset ovat: [7] kerroksen välillä. Kuormien jakaminen tukikerrokseen eli kuormitettavan pinta-alan laajenta- minen Raideleveyden säilyttäminen yhdessä kiskon kiinnityksen kanssa Kiskon liikkeiden rajoittaminen yhdessä tukikerroksen kanssa Mekaanisten rasitusten kestäminen lyhyellä ja pitkällä p aikavälillä Riittävän sähköisen eristyksen tuottaminen kiskojen sekä kiskon ja tuki- Ratapölkyt ovat materiaaliltaann tyypillisestii joko puisia tai betonisia, mutta myös te- yksi- räksisiää ratapölkkyjä on kehitetty. Betoniratapölkkytyyppejä ovat esimerkiksii osainenn (monoblock) ja kaksiosainen (twin-block) Betonisenn ratapölkynn etuina ovat suuri omapaino sekä pitkä käyttöikää ja rajoituksina alttius kiskon korrugaation syntymiselle ja lovi- betoniratapölkky, leveä ratapölkky sekä kehäpölkky (frame sleeper). pyörien synnyttämien iskujen aiheuttamillee vaurioille. [10] Kuvassa 2.9 on esitetty etummaisina kaksi Parman BP89-betoniratapölkkyä ja taaempana kaksi Lujabetonin B97-betoniratapölkkyä. Kuva 2.9. Etummaisena kaksi BP89- ja taaempana kaksi k B97-betoniratapölkkyä. Suomessa betoniratapölkkyjä käytetään 60 E1-kiskoisilla pää- ja sivuraiteillaa sekä mahdollisuuksien mukaan myös 54 E1-kiskoisilla raiteilla erikoistapauksia lukuun ottamatta. Valtaosaa käytössä olevista betoniratapölkyistä on yksiosaisia ja esijänni- vä- tettyjä. Jatkuvakiskoraidetta rakennettaessaa ratapölkkyvälin on Suomessa oltava lillä mm nimellismitan ollessa 610 mm. [7] Suomeen S uusina hankittavien esijännitettyjen betoniratapölkkyjen pituuden tulee ollaa 2600 mm, suurimman leveyden 3000 mm (sallittu vaihteluväli mm) ja suurimman korkeuden 220 ±3 mm kiskon keskilinjalla [18].

24 22 Betoninen ratapölkky on sinällään melko jäykkä. Puisilla ratapölkyillä radan jäykkyys on pienempi johtuen puun joustavuudesta. Selig & Li [4] ovat tekemiensä GEOTRACK-mallinnusten perusteella maininneet puuratapölkyllisen radan jäykkyyden olevan 16 % pienempi kuin vastaavan betoniratapölkyllisen radan, mikäli huomioidaan myös kummallekin ratapölkkymateriaalille tyypillisten kiinnitysten vaikutus jäykkyyteen. Mikäli todellisuudesta poiketen käytetään kummankin ratapölkkymateriaalin kiinnityksille samaa jäykkyyttä, on betoniratapölkyllisen radan jäykkyys enää noin 5 % suurempi kuin vastaavan puuratapölkyllisen radan. [16] Ratapölkkyvälin pienentäminen kasvattaa radan kokonaisjäykkyyttä riippumatta siitä onko kyse puu- vai betoniratapölkyistä. Ratapölkkyvälin vaihtelun merkitys on kuitenkin Seligin & Lin [4] mukaan suhteellisen vähäinen. Muuttamalla ratapölkkyväliä 0,76 metristä 0,46 metriin, havaittiin radan kokonaisjäykkyyden kasvavan noin 10 %. Tämän perusteella radan jäykkyyden kasvattaminen ratapölkkyväliä pienentämällä ei ole ainakaan pelkästään tästä näkökulmasta taloudellisesti kannattavaa kasvavien ratapölkkykustannusten ollessa huomattavia suhteessa saatavaan hyötyyn Ratapölkyn alapuolinen tyhjätila Radan suunnittelussa on tyypillisesti oletettu, että ratapölkky ja tukikerros ovat jatkuvassa kontaktissa keskenään. Toistuvien junakuormien vaikutuksesta ratapölkyn alle, erityisesti ratapölkyn päiden alueelle, saattaa kiviaineksen hienonemisen ja palautumattomien muodonmuutosten johdosta syntyä tyhjätila (sleeper void, under sleeper void). Samanaikaisesti ratapölkky on keskiosastaan kontaktissa tukikerrokseen. Tämän seurauksena ratapölkky joutuu huomattavan taivutusrasituksen alaiseksi ratapölkyn päiden painumien kasvaessa, jolloin jopa halkeaman muodostuminen on mahdollista. Lisäksi tyhjätilasta seuraa ratapölkyn toistuva iskeytyminen tukikerrokseen, mikä edelleen lisää tukikerroksen kiviaineksen hienonemista sekä kiskon taivutusrasituksia. [19] Yllämainitun tilanteen jatkuessa ja kuormituskertamäärän kasvaessa, tai esimerkiksi ratapenkereen epätasaisten pysyvien muodonmuutosten vuoksi, ratapölkyn alapuolinen tyhjätila saattaa edetä tilanteeseen, jossa ratapölkky ei ole lainkaan kontaktissa tukikerrokseen ja jää roikkumaan kiskojen varaan. Tällainen tukeutumaton ratapölkky (unsupported/hanging sleeper) ei anna kiskoille odotetun mukaista tukea vaan aiheuttaa jäykkyyspoikkeaman radan pituussuunnassa ja kuormituslisän ympärillään oleviin ratapölkkyihin. Suurin kuormitus kohdistuu tukeutumattoman ratapölkyn jälkeiseen ratapölkkyyn, sillä tukeutumattoman ratapölkyn kohdalla junan pyörä on kiihtyvässä liikkeessä alaspäin. Junan pyörän lähestyessä seuraavaa ratapölkkyä, kiihtyvyys muuttaa nopeasti suuntaa ja aiheuttaa kuormituslisän tähän ratapölkkyyn. Kyseisessä tilanteessa tukeutumattoman ratapölkyn jälkeiseen ratapölkkyyn kiskon lepopinnalle kohdistuvat jännitykset kasvavat jopa 70 % verrattuna perustilanteeseen ja ratapölkyn siirtymä kasvaa jopa 40 %. Radalla liikkuvan kaluston nopeuden kasvaminen kasvattaa myös syntyviä kuormituslisiä. [20], [21] Ruotsissa Banverketin vuonna 1999 tekemissä mittauksissa havaittiin, että pölkyn alapuoliset tyhjätilat ovat verrattain yleisiä. Tyhjätilat olivat pääasiassa pieniä, alle 0,2 mm suuruisia ja niiden suuruus vaihteli saman ratapölkyn päiden välillä. Mittauksissa havaittiin kuitenkin myös suurempia, noin 0,4 mm suuruisia tyhjätiloja, jotka edelleen alle vuoden päästä tehdyssä toisessa mittauksessa olivat kasvaneet jopa 1 mm suuruisiksi. [20]

25 23 Ratapölkyn alapuolinen tyhjätila ja tukeutumattomat ratapölkyt alentavat radan ko- konaisjäykkyyttä paikallisesti merkittävästi. Tällöin kyseisen tukeutumattoman rata- sen pölkyn kohdalla taipumamittaustulokset eivät luotettavasti edusta tukikerroksen, alapuolisten rakennekerrosten ja pohjamaan jäykkyyttä. Tämän tukeutumisongelman vuoksi on syytä mitata aina useampien eri ratapölkkyjen siirtymiää samanaikaisesti samaltaa rataosuudelta. Mikäli taipumamittauksissa havaitaan esimerkiksi kertaluok- syytä kaa rataosuuden keskimääräistä taipumaaa suurempiaa yksittäisiä arvoja, on epäillä kyseisiä suuria arvoja edustavien ratapölkkyjenn tuennan olevan ainakinn osin puutteellinen. Näin ollen ratapölkyn alapuolisen tyhjätilan tunnistaminen eri rata- Ratapölkyn alapuolisen tyhjätilan huomioiminen jäykkyyden laskemisessa vaatii tie- pölkyistä saatavia taipumamittaustuloksia vertailemalla saattaa ollaa mahdollista. don siitä, mikä osa taipumasta syntyy tyhjätilan takia jaa mikä koko ratarakenteen tai- pumisen takia. Tämän jakaumann luotettava määrittäminen vaatii taipumamittaukses- rataosuuden keskimääräiseen taipumaan saadaan suuntaa-antavia tuloksia. sa käytetyn kuormituksen säätelymahdollisuutta, mutta myös karkealla vertailulla Pohjain Pohjain (under sleeper pad (USP), sleeper soffit pad) onn ratapölkynn alapintaan asen- nettava joustava levy, jonka materiaalina voi olla esimerkiksi polyuretaani, luonnon- kumi tai etyyli-vinyyliasetaatti (EVA). Pohjain voidaan kiinnittää k joko valmiin ratapöl- valmistuksen yhteydessä lukuisin eri tavoin. Pohjain on tyypillisestii mmm pak- kyn pintaan esimerkiksi suihkuttamalla, maalaamalla tai liimaamallaa tai jo ratapölkyn suinen ja siinä on usein kaksi kerrosta, joista ulommaisen on tarkoitus suojataa pohjainta tukikerroksen kiviaineksen hankaavalta kulutukselta. [22], [23] Kuvassa 2.10 on esitetty periaatekuva pohjaimesta. Kuva Periaatekuva pohjaimen (esitetty punaisella) käytöstä.. [24] Maailmalla pohjainten käyttöä on perusteltuu ainakin seuraavilla tavoitteilla: [22] Jäykkyyserojen tasoittaminen esimerkiksi siltojen kohdilla Tukikerroksen ohentaminen ainakinn paikallisesti Kiskon ja ratapölkyn jännitysten pienentäminen Tärinän ja runkomelun vähentäminen Korrugaation vähentäminen pienisäteisissä kaarteissa Kunnossapitotarpeen vähentäminenn Keski-Euroopassa, varsinkin Saksassa ja Itävallassa, on melko runsaasti kokemusta pohjainten käytöstää eri tarkoituksiin. Suomessa pohjaimia on käytetty ainakin kol- messa kohteessa ja lisäksi niiden käyttöä on tutkittu ainakin kehäradan kiinto- raideselvityksen yhteydessä vuonna 2008 [25].

26 24 Keväällä 2009 Getznerin Sylomer SLS 1010G -pohjainten vaikutuksia tutkittiin Vantaankosken radalla Kilterinmäen läheisyydessä toteutetulla 55 metrin pituisella koeosuudella. Tutkimus tehtiin ensisijaisesti pohjainten runkomelueristysominaisuuksien todentamiseksi, joten pohjainten vaikutuksia radan jäykkyyteen ei ole tarkasteltu. Runkomelun osalta pohjainten voitiin todeta vaimentaneen lähijunaliikenteen (Sm1, Sm2 ja Sm4) aiheuttamaa runkomelua 2 7 db hieman kalustotyypistä riippuen. [26] Vantaankosken radan lisäksi pohjaimia on käytetty myös Kauhavan liikennepaikan tulovaihteen vaihdepölkyissä. Vuonna 2011 Tampereen henkilöratapihan alittavan Rongankadun alikäytävän yhteydessä on käytetty pohjaimia tukikerroksen ohentamiseksi alikäytävän kohdalla ainakin itäisimpien raiteiden alueella. Samassa kohteessa läntisimmällä raiteella eli autojunien lastausraiteella käytettiin hieman pohjainten tavoin toimivaa joustomassaa siltakannen ja ratapölkkyjen päiden välissä. Pohjainten jäykkyyden kuvaamiseen käytetään alustalukua (bedding modulus), joka yksinkertaistettuna kuvaa sitä kuinka suuren paineen yhden millimetrin painuma saa aikaan. Tyypillisesti käytetään yksikköä N/mm3, vaikka oikeampi muoto on N/mm/mm2. [27] Pohjainten jäykkyyden mittaamiseen ei ole nykyisellään olemassa kansainvälistä standardia, mutta ainakin Saksassa on kehitetty pienimittakaavainen, Deutsche Bahnin teknisten toimitusehtojen BN mukaan toteutettava väsytyskoejärjestely. Lisäksi Ranskassa täyden mittakaavan koelaitteistoa (VIBROGIR) on sovellettu pohjaintutkimuksissa. UIC:n tutkimusprojektissa kolmen eri pohjaimen jäykkyys on määritetty sekä uutena että miljoonien kuormitussyklien jälkeen molemmilla koejärjestelyillä ja vertailtu koejärjestelyiden antamia tuloksia. Välilevyn tapaan (vrt. luku 2.2.3) jäykkyyttä on tarkasteltu sekä staattisena että dynaamisena. Mittauksilla saadut jäykkyysarvot uusille pohjaimille olivat näiden kahden menetelmän välillä samansuuntaisia. VIBROGIR:n havaittiin kuitenkin kuluttavan pohjainta enemmän kuormituksen aikana, joten menetelmät eivät ole täysin vertailukelpoisia. [22] Kuten välilevyjen kohdalla, pohjaintenkaan jäykkyysluokittelulle ei löydetty kirjallisuudesta absoluuttisia raja-arvoja, mutta suuntaa-antava luokitus on seuraava: [28] Pehmeä: 0,15 N/mm3 Normaali: 0,15 0,25 N/mm3 Jäykkä: 0,25 N/mm3 UIC:n tutkimusprojektin yhteydessä vuosina toteutetussa koekohteessa käytettiin viittä erilaista pohjaintyyppiä. Kuvassa 2.11 on esitetty kahden eri pohjaintyypillä varustetun rataosuuden (USP4 ja USP5) sekä pohjaimettoman vertailuosuuden osalta harmaalla viivalla kiskon taipumat ennen pohjainten asennusta ja rataosuuden parantamista, punaisella viivalla kiskon taipumat pohjainten asennuksen jälkeen ja sinisellä viivalla taipumat noin puolen vuoden kuluttua pohjainten asennuksesta. Mittauksessa käytettiin SBB:n mittausvaunua ja rataa kuormitettiin 20 tonnin akselikuormalla. Pohjaintyyppi USP5 oli melko pehmeä, mistä johtuu taipumien jyrkkä kasvu siirryttäessä pohjaintyypin USP4 alueelta tyypin USP5 alueelle. [22]

27 25 Kuva UIC:n pohjainkoekohteen kiskon taipumamittaustulokset pohjaintyypeil- lä USP4 ja USP5 varustetuilta rataosuuksilta sekä vertailuosuudelta. [22] Keskiarvoina 10 metrin osuuksittain tarkasteltuna vertailuosuuden kiskon taipuma oli noin 0,70 mm ja pohjaintyypp ien USP1 USP4 alueillaa taipumat olivat keskimäärin noin 0,80 0,85 mm. Pehmeämmän pohjaintyypin USP5 alueella taipuma oli keski- pää- määrin 1,70 mm. Pohjaintyypp pien USP1 USP4 alueillaa kiskon taipumat olivatt sääntöisesti pienempiä kuin ennen pohjainten asennusta, mikä todennäköisesti joh- Tä- tuu vuoden 2005 mittausten jälkeen rataosuudelle tehdystä perusparannuksesta. ten on vaikeaa varmuudella arvioida pohjainten osuuttaa taipumien muutoksessa. Sen sijaan tarkastelemalla kuvan 2.11 käyriä, voidaan pohjainten käytön todeta jonkin ver- ran säännöllistäneen radan taipumakäyttäytymistä. [22] Pohjainten on mallinnusten ja mittausten perusteella havaittu alentavan sekä tuki- ja kerrokseen että alusrakenteeseen kohdistuvaa kuormitusta, vaimentavan tärinää runkomelua sekä tasoittavan t radan taipumakäyttäytymistä. Toisaalta pohjaimen käyttö johtaa suurempiin taipumiin ja kiihtyvyyksiin kiskossa k ja ratapölkyssä sekä junasta suoraan ilmaan säteilevän melun vähäiseen kasvamiseen. [22] Radan kokonaisjäykkyyden modifioinnin kannalta pohjaimet vaikuttavat potentiaali- selta tulevaisuuden tutkimuskohteelta. Pohjaimet on helppo asentaa uusiin ratapölk- koh- kyihin ja myös jälkiasennus olemassa oleville radoille saattaa olla mahdollistaa tuullisen helposti. Jäykkyyden modifioinnin lisäksi pohjainten osaltaa mielenkiintoista on niiden, mahdollisesti huomattavastikin, tukikerroksen kulumistaa vähentävä vaiku- tus.

28 Tukikerros Tukikerroksen (ballast layer) tehtävänä t on: [7] pitää raide geometrisesti oikeassaa asemassa ja asennossaa jakaa ratapölkyistä välittyvät kuormat alusrakenteelle muodostaa raiteelle tasainen t ja kantava alusta Tyypillisesti Suomessa tukikerrosmateriaalina käytetäänn rakeisuudeltaan 31,5 63 mm raidesepeliä. Tukikerrokse en paksuus vaihtelee raide- ja ratapölkky- tyypin mukaan välillä mm ollen jatkuvakiskoisessa betoniratapölkkyrai- mitata. teessa tyypillisesti 550 mm mitattuna kiskon alapinnasta. [7], [29] Tukikerroksen jäykkyydelle ei Suomessa ole vaatimuksia ja sitä ei näin ollenn Tukikerros mitoitetaan sallitun nopeuden, kiskonpituuden, tukikerrosmateriaalin ja ratapölkkytyypin perusteella.. Tukikerrosmateriaalillee asetetaan vaatimuksia v esimer on kiksi rakeisuusjakauman, muotoarvon ja lujuuden kautta. [7], [29] Kuvassaa esitetty esimerkki Oikoradan liikennepaikkavälin Mäntsälä Sip pilä tukikerroksesta. Tukikerroksen raidesepelin erottaa kuvassa hyvin välikerrosma teriaalista sen tummemman värin perusteella. Kuva Esimerkkikuva tukikerroksesta Oikoradalla liikennepaikkavälillä Mäntsä- lä Sipilä. Selig & Li [4] ovat tutkineet tukikerroksenn vaikutusta radan kokonaisjäykkyyteen tuki- ratapölkyn alapinnasta lukien käytettiin 0,30 metriä ja tiheytenä 1760 kg/m3. Käyte- kerroksen muodonmuutosmoduulin osalta. Mallinnuksessa tukikerroksen paksuutena tyn tukikerrosmateriaalin rakeisuusjakauma ei ilmenee tutkimuksesta. Vaihtamalla tu- arvoon kikerroksen jäykkyyttä kuvaava muodonmuutosmoduuli arvosta 138 MPaa 551 MPa, saatiin aikaan noin 20 % kasvu radan kokonaisjäykkyydessä. Radan jäykkyyden kannalta tukikerrosta t voidaan pitää kohtuullisen merkittävänä ra- kaut- kenneosana. Uusilla radoilla määräystenn mukaiseen raidesepelitukikerrokseen taaltaan tukeutuvien ratapölkkyjen kohdalla jäykkyysongelmia ei pitäisi ilmetä, mutta esimerkiksi tukeutumistilanteen epätäydellisyys tai raidesepelin hienoneminen edesauttavat jo aiemmin mainitun ratapölkyn alaisen tyhjätilan muodostumista. Olemassa olevilla radoilla edellä mainituista syistä johtuvat jäykkyyden äkkinäiset

29 Tukikerroksen alusmatto muutokset saattavat olla paikoin hyvinkin yleisiä. On huomioitavah, että vaikkaa tuki- kerroksen hienonemisen kautta muodostuva ratapölkynn alapuolinenn tyhjätila tyypilli- sesti kasvattaa radan kokonaistaipumaa ja näin ollen alentaa laskennallista kokonais- lu- jäykkyyttä, niin tukikerroksen jäykkyys ei välttämättä hienonemiseh en alkuvaihetta kuun ottamatta kovin oleellisesti muutu. Nurmikolu & Kolisoja K [30] havaitsivat eri ra- että resilient-moduuli (ks. luku 2.2.9) pienenee aluksi nopeasti rakeisuusluvun kasva- essa, mutta rakeisuusluvun edelleen kasvaessa resilient-moduulinn alentuminen hi- keisuuslukuihin hienonnetuilla raidesepeleillä tekemissään kolmiaksiaalikokeissa, dastuu. Kuten jo aiemmin kävi ilmi, ratapölkyn alapuolinen tyhjätila aiheuttaa ratapölkyn is- raidesepelin hienonemista ja tyhjätilan kasvua. Tämä ilmiö on esimerkiksi tukikerrok- sen routivuuden ja raiteen r geometrian pysyvyyden kannalta erittäin epätoivottava. keytymisen tukikerrokseen, mikä ratapölkyn ylityskertamäärän kasvaessa kiihdyttää Tukikerroksen alusmaton tai sepelinalusmaton (ballast mat) pääasiallisia käyttö- ta- kohteita ovat kiintoraiteet ja sillat. Kiintoraiteiden kohdalla alusmattojen käytöllä voitellaan useimmiten runkomelueristystä asutetuilla alueilla ja siltojen kohdalla edellisen lisäksi radan jäykkyyden alentamista. Alusmattojen materiaalina voivat olla esimerkiksi luonnonkumi, polyuretaani tai polyeteeni, joiden lisäksi myös mineraali- on villapohjaisia materiaaleja on käytetty runkomelueristyksissä. Alusmaton paksuus tyypillisesti noin mm lukuun ottamatta mineraalivillapohjaisia alusmattoja, jotka voivat olla lähes 100 mm paksuisia. Kuvassa 2.13 on o havainnollistettu punaisella värillä alusmaton sijaintia ratarakenteessa. [10], [31], [32] Kuva Periaatekuva tukikerroksen alusmaton käytöstä. [33] Alusmaton jäykkyys ilmoitetaan pohjainten tapaan alustaluvun a avulla yksikössä N/mm3. Kuvassa on esitetty 35 mm paksuisen Getznerin Sylodyn DN 335 alus- on 0,03 N/mm3, joka on määritetty kuormitusväliltä 0,02 0,100 N/ /mm2. Kuvaajasta voidaan havaita alusmaton kuormitus-kokoonpuristumiskäyttäytymisen olevan aina- maton kuormitus-kokoonpuristuma-kuvaaja. Alusmaton staattinenn ominaisjäykkyys kin kuormituksessa käytetyllä jännitysalueella lähes lineaarista. [32]]

30 28 Kuva Getznerin Sylodyn DN 335 alusmaton kuormitus-kokoonpuristuma - kuvaaja. [32] Runkomelueristyksen kannalta staattista jäykkyyttä tärkeämpiä ovat o alusmaton omi- Sy- naisuudet dynaamisen kuormituksen alaisena. Kuvassa 2.15 on esitetty samaisen lodyn DN 335 alusmaton dynaamisen jäykkyyden riippuvuus kuormituksestaa ja taa- kasvaessa. Lisäksi voidaan havaita, että staattisen ja dynaamisen jäykkyyden välillä ei juudesta. Kuvastaa nähdään, että dynaaminen jäykkyys kasvaa jonkin verran taajuuden ainakaan matalammilla taajuuksilla ole huomattavaa eroa. [32] Kuva Getznerin Sylodyn DN 335 alusmaton dynaamisen jäykkyyden riippu- vuus kuormituksesta ja taajuudesta. [32] Alusmattotyyppi valitaan käyttökohteen mukaan. Yksinkertaistettuna pienillä nope- alusmattoja, kun taas suurilla nopeuksilla liikennöitäessä alusmatot ovat ohuempia, alle 20 mm paksuisia ja jäykempiä. Pehmeälle ja jäykälle alusmatolle ei kirjallisuudes- ta löydetty selkeitä raja-arvoja. Voidaan kuitenkin todeta, että alusmattojen jäykkyy- den vaihteluväli on suunnilleen 0,01 0,15 N/mm3. Kirjallisuusselvityksen perusteella näyttäisi siltä, että Deutschee Bahnin ohje DB-TL on standardinoms maisessa uksilla voidaan käyttää paksumpia ja staattiselta ominaisjäykkyydeltään pehmeämpiä asemassa alusmattojen jäykkyyden mittaamisessa. [32]

31 29 Sepelinalusmatot eivät soveltune kovin laajaan käyttöön hankalahkon vaihdettavuu- radan tensa vuoksi. Lisäksi jäykkyysnäkökulmasta alusmatott tyypillisesti alentavat jäykkyyttä, mikä ei aina ole toivottava vaikutus. Tämänn vuoksi alusmatot soveltuvat nimenomaan erikoisratkaisuiksii runkomelueristyksiin jaa silloille, mutta laajempii käyt- tö rataverkolla tuskin on tarkoituksenmukaista tai kannattavaa Väli- ja eristyskerros Välikerroksen tehtävänä on muodostaa tukikerrokselle tasainen t ja kantava alusta se- toi- kä estäää tukikerroksen ja alempien rakennekerrosten materiaaleja m sekoittumasta siinsa. [34] Eristyskerroksen tehtävänä on: [34] estää tai vähentää eristyskerroksen alla olevan pohjamaan p routimista muodostaa välikerrokselle tasainen ja kantava alusta siirtää ja jakaa ylemmiltä rakennekerroksilta tulevat kuormat pohjamaalle pysäyttää kapillaarinen n vedennousu ja toimia suodatinkerroksena, ellei sel- laista rakenneta erikseen Suomessa väli- ja eristyskerros (subballast layers) voidaan rakentaaa routimattomasta hiekasta, sorasta tai kalliomurskeesta. Sora- ja hiekkavarojen vähentymisen ja maa- yhä ainestenn ottorajoitusten takia väli- ja eristyskerrosten kohdalla ollaan siirtymässä enenevässä määrin käyttämään kalliomursketta [19]. Mikäli eristyskerroksessa käyte- tään kalliomursketta, on välikerros rakennettava samasta murskeesta samanaikaises- ti kuvan 2.16 mukaisesti. Välikerroksen paksuus on tyypillisesti 3000 mm ja se raken-r netaan yhtenä kerroksena. Eristyskerroksen paksuus voi vaihdella muutamasta sadas-s ta millimetristä noinn kahteen metriin kohteesta riippuen. [34], [35] Kuva Kalliomurskeesta rakennettu yhdistetty väli- ja eristyskerros tiivistettynä Seinäjoki Ruha -kaksoisraidetyömaalla. Maamateriaaleista rakennettujer en kerrosten kokonaisjäykkyyttä kuvataan usein käsit- tai pudotuspainolaitteella. Kentällä mitattujen kantavuusarvojen suuruuteen vaikut- tavat myös itse mitattavasta materiaalista riippumattomat tekijät, kuten kerrospak- suus ja mitattavan kerroksen alapuolisten kerrosten jäykkyys. Kentällä mitatun teellä kantavuus, joka voidaan määrittää kentällä esimerkiksi levykuormituskokeella jäyk-

32 30 kyyden parametrina käytetään muodonmuutosmoduulia E. Muodonmuutosmoduulin laskeminen perustuu Boussinesq n esittämään yhtälön 2.7 mukaiseen ympyrämuotoisen kuormitetun levyn keskipisteen painuman laskentamalliin, josta on edelleen muodostettu yhtälö levykuormituskokeen muodonmuutosmoduulin laskemiseksi. [36] missä 2 p a p a E r 1 v k (2.7) s s E on kimmomoduuli / muodonmuutosmoduuli [MPa] r on kerroin, joka jäykällä levyllä on / 2 ja taipuisalla levyllä 2 v on Poissonin luku p on kosketuspaine [kn/m2] a on kuormituslevyn säde [m] s on kuormituslevyn painuma [mm] Kertoimen k arvo riippuu kuormituslevyn jäykkyydestä ja Poisson-luvusta. Tyypillisesti käytännön mittauksissa kertoimelle käytetään likimääräistä arvoa 1,5. [36] Maamateriaalin palautuvaa muodonmuutoskäyttäytymistä kuvataan usein yhtälön 2.8 mukaisella resilient-moduulilla. Resilient-moduulia kutsutaan myös jäykkyysmoduuliksi [36]. [37] missä M r k1 0 0 (2.8) k 2 M r on jäykkyysmoduuli [kpa] on pääjännitysten summa [kpa] 0 on vertailujännitys [kpa] k 1 ja k 2 ovat materiaaliparametreja Jäykkyyteen vaikuttavat jännitystila, maamateriaalin tiiviysaste ja raekokojakauma sekä rakeiden pinnankarkeus. Lisäksi ympäristötekijöillä, kuten vedellä ja roudalla, voi olla huomattavia vaikutuksia jäykkyyteen. Näistä merkittävin vaikutus on sulan maan aikana jännitystilalla ja talvella routaantumisella. [36], [37] Suomessa kalliomurskeesta rakennettujen väli- ja eristyskerroksien kantavuusvaatimukset on annettu levykuormituskokeen toisen kuormituskerran muodonmuutosmoduulille E2. Välikerroksella muodonmuutosmoduulin E2 tulee olla keskimäärin vähintään 180 MPa ja eristyskerroksella keskimäärin vähintään 160 MPa. Muodonmuutosmoduulit on määritettävä % jännitysväliltä InfraRYL 2010 liitteen K7 mukaisesti. Luonnonmateriaaleista rakennetuille eristyskerroksille ei ole annettu kantavuusvaatimuksia, vaan niiden kelpoisuus todetaan parannetun Proctor-kokeen ja kentällä tehtävän tiiviysmittauksen perusteella määritettävän tiiviysasteen kautta. Luonnonmateriaaleista tehtyjen välikerrosten kelpoisuus voidaan osoittaa joko kalliomurskerakenteen tavoin kantavuuden kautta samoin vaatimuksin tai tiiviysasteeseen perustuen. Vertailun vuoksi esimerkiksi Saksassa eristyskerroksen kantavuusvaati-

33 31 mus uusilla pääradoilla on vähintään 120 MPa eli hieman alhaisempi kuin Suomessa [36]. [35], [38], [39]] Selig & Li [4] ovat tutkineet t välikerroksen jäykkyyden vaikutusta radan kokonaisjäyk- kyyteen välikerroksen muodonmuutosmoduulin perusteella. Mallinnuksessa väliker- roksen paksuutena käytettiin 0, 15 m ja tiheytenä 1920 kg/m3. k Käytetyn välikerrosma- teriaalin rakeisuusjakauma ei ilmene tutkimuksesta. Vaihtamalla välikerroksen jäyk- ai- kyyttä kuvaava muodonmuutosmoduuli arvosta 69 MPaa arvoon 2766 MPa, saatiin kaan vajaan 10 % kasvu radan kokonaisjäykkyydessä. Tästä tutkimustuloksesta ei voi vetää suoria johtopäätöksiä Suomen rataverkkoon liittyen, sillä Suomessa välikerrok- sen paksuus on tyypillisesti kaksinkertainen Seligin & Lin [4] tutkimuksessa käytet- tyyn paksuuteen verrattuna ja lisäksi Suomen radoilla alusrakenteea essa välikerroksen alla on tyypillisesti eristyskerros s, joka voi olla hyvinkin paksu. p Selig & Li [4] tutkivat samassaa yhteydessä myös tukikerroksen jaa välikerroksen eli käytännössä karkearakeisten rakennekerrosten yhteenlasketun paksuuden vaikutusta radan jäykkyyteen. Mallinnuksessa oletettiin tukikerroksen ja välikerroksen muodon- 0,30 1,07 m paksuisia kerroksia. Kuvassa on esitetty kerrospaksuuden ja materi- aalin muodonmuutosmoduulin vaikutus radan kokonaisjäykkyyttää kuvaavaan rata- muutosmoduulien olevan yhtä suuria. Tutkimuksessa vertailtiin kerrospaksuudeltaan moduuliin. Kuvassaa esitettyjen pisteryhmien ylimmät pisteet on saatu käyttämällä muodonmuutosmoduulina 551 MPa, keskimmäiset pisteet muodonmuutosmoduulilla 276 MPa ja alimmatt pisteet muodonmuutosmoduulilla 1381 MPa. Kuvasta 2.17 voidaan havaita, että kerrospaksuuden kasvattaminen yleisesti ottaen kasvattaa radan koko- naisjäykkyyttä. Alemmilla muodonmuutosmoduulin arvoilla kokonaisjäykkyyden riip- puvuus kerrospaksuudesta on vähäisempäää kuin korkeilla muodonmuutosmoduuleil- la. Toisin sanoen radan kokonaisjäykkyyden vaihtelu muodonmuutosmoduulin vaihte- lun takia on ohuilla kerroksilla huomattavasti paksuja rakennekerroksia vähäisempää. Kyseinen kerrospaksuuden, rakennekerrosten muodonmuutosmoduulien ja kokonais- kuormituskestävyysmitoituksessa käytettävä Odemarkinn kaava hyödyntää kerrospak- suutta ja muodonmuutosmoduulia laskentaparametreina jäykkyyden yhteys on tiedostettu jo pitkään, esimerkiksi Suomessa tierakenteen [40]. Kuva Karkearakeisen maamateriaalin kerrospaksuuden ja muodonmuutos- moduulin vaikutus radan kokonaisjäykkyyttä kuvaavaan ratamoduuliin. [4]

34 32 Suomessa uudehkoilla radoilla routamitoituksen mukainen suuri rakennekerrospaksuus on edesauttanut myös riittävän kuormituskestävyyden saavuttamisessa, mikä ilmenee todennäköisesti myös hyvänä kokonaisjäykkyytenä kyseisillä rataosilla. Sen sijaan olemassa olevilla radoilla voi rakennekerrosten ominaisuuksissa olla puutteita kuormituskestävyyden näkökulmasta, mikä saattaa olla mahdollista havaita myös riittämättömänä kokonaisjäykkyytenä. Radan kokonaisjäykkyyden modifioinnin kannalta alusrakennekerrokset eivät ole kovin potentiaalinen muuttuja. Huolellisella tiivistämisellä pystytään välttämään löyhässä rakenteessa syntyvät pysyvät muodonmuutokset, mutta jäykkyyden kasvattaminen tiivistämisen kautta ei ole mahdollista kuin tiettyyn rajaan asti. Ennemmin modifiointikeinoina kyseeseen voisivat tulla kerrospaksuuden sääteleminen, alusrakennekerrosmateriaalin vaihtaminen sekä erilaiset injektoinnit tai stabiloinnit, jotka ovat kuitenkin olemassa olevien ratojen kohdalla melko työläitä toteuttaa Routalevy Routalevyjä käytetään ratarakenteessa estämään tai hidastamaan roudan etenemistä radan rakennekerroksissa siten, että rakennekerrosten alapuolinen pohjamaa tai penger ei routaannu. Routalevyjä tarvitaan, kun radan rakennekerrosten yhteispaksuus ei ole riittävä estämään roudan tunkeutumista routivaan materiaaliin. Routalevyjen vaikutus perustuu niiden huomattavan alhaiseen lämmönjohtavuuteen. Levyjen materiaalina Suomessa käytetään nykyään suulakepuristettua polystyreeniä eli XPS:ää (extruded PolyStyrene). [34], [41] XPS-levyeristyksen paksuus voi olla 40, 60, 80, 100 tai 120 mm ja se määräytyy routamitoituksen mukaan. Routalevyjen asentaminen uusille radoille vaatii aina Liikenneviraston luvan. Uusien ratojen kohdalla routalevyä voidaan pitää erikoistapauksena eli niitä asennetaan melko vähän. Olemassa olevilla radoilla ensisijaisena vaihtoehtona on korvata routivat rakennekerrosmateriaalit routimattomilla eli routalevyn käyttö on vasta toissijainen vaihtoehto. Routalevy voidaan asentaa kuvan 2.18 mukaisesti kahdella tavalla: välikerroksen alapuolelle (a) tai välikerroksen päälle tukikerroksen alapuolelle (b). Ensisijainen tapa on asentaa routalevy välikerroksen alapuolelle, jolloin se on suojassa särmikkäiltä raidesepelirakeilta. Pääosa levyistä asennetaan kuitenkin tukikerroksen puhdistuksen yhteydessä, jolloin asentaminen tapahtuu välikerroksen yläpuolelle. [34], [41]

35 33 Kuva Routalevyjen asennustavat: a) välikerroksen alapuolelle ja b) välikerrok- sen päälle. [41] Routalevyihin kohdistuu sekä yläpuolisten rakenteiden painosta p aiheutuvaa staattista kuormitusta että junaliikenteestä aiheutuvaa syklistä kuormitusta. k. Jäykkyyden kan- levyn kokoonpuristumiseen junaliikenteen aiheuttamien kuormitusten alaisena. Pu- nalta routalevyjen mielenkiintoi inen ominaisuus on puristuslujuus, koska se vaikuttaa ristuslujuuden lisäksi routalevyn kestävyyttä ratarakenteessa voidaan arvioida sykli kn akselipainoilla routalevyyn kohdistuu noin kpa kuormituksia. Mallinnuksessa oletettiin routalevyn sijaitsevan 0,3 metrin syvyydellä ratapölkyn ala- sen rasituksen kestävyyden perusteella. Ruotsissa tehdyn mallinnuksen perusteella pinnasta kiskotyypiltään UIC 60 betoniratapölkkyraiteessa. Lisäksi mallinnuksessa oletettiin jännitysten jakautuvann tukikerroksessa suhteella 2:1, mikää saattaa olla ole- se- tuksena ylioptimistinen, sillä todellisuudessa jännitys jakaantuu j ainakin osittain pelirakeiden välisiä ketjuja pitkin. Tällöin kuormitustasoo levyn pinnalla on ketjun koh- sel- dalla paikallisesti oletettua tasaista kuormitusta suurempi. [41] XPS-routalevyjen eknisten toimitusehtojen [42] mukaan levyn puristuslujuus tai vän murtokohdan puuttuessa 10 % kokoonpuristumaa vastaavaa puristusjännitys määritetään standardin SFS-ENN 826 mukaisesti. Koetuloksen tulee olla vähintään 500 kpa. Syklisen rasituksen r kestävyys määritetään menetelmän m SP-method 2687 mukaisesti. Siinä käytettävä maksimikuorm on 200 kpa k ja minimikuorma 10 kpa. Rasituskokeessa kahden miljoonan kuormitussyklin aikana levyyn muodostuvan ko- joita on varastoitu vähintään 45 vuorokauttaa valmistuksesta lukien. koonpuristuman tulee olla pienempi kuin 5,0 %. Molemmat kokeett tehdään levyille, Kuvassaa 2.19 on esitetty Nurmikolun & Kolisojan [41] vuonna käyttämättömille XPS-levyille tekemien puristuskokeiden tuloksia. Näytelevyt olivat kooltaan 130 x 130 mmm ja näytteitää kuormitettiin tasaisellaa 2,0 mm/minn nopeudella. Muilta osin koe- järjestely vastasi standardia SFS-EN 826. Kuvasta nähdään lähes kaikkien näytelevy- pu- jen täyttäneen silloisen puristuslujuuden vaatimuksen 4504 kpa. Solimate-levyjen ristuslujuuden alhaisuus verrattuna kahteen muuhun levytyyppiin johtuu ainakinn osit- tain siitä, että se oli kuormitettaessa ainoastaan noin kuukauden k ikäinen muiden ol-

36 34 tua vähintään kuuden kuukauden ikäisiä. Puristuslujuuden kasvaminen varastoitaessa johtuu levyjen valmistuksessa ponneaineena käytetyn hiilidioksidin poistumisesta levyn solukosta. Tämä levyn kypsyminen n on nopeampaa ohuilla levyillä. Kuva Eri XPS-routalevytyypeille ominaisia jännitys-kokoonpuristumakäyriä puristuskokeessa. [41] XPS-levylujuuden omaaviaa levyjä on nykyään saatavilla useilta eri valmistajilta. Valmistajien tuotekatalogeissaa ratarakenteessa routalevynä käytettäviksi soveltuvien eristelevyjen kimmomoduulit ovat tyypillisesti noin MPa valmistajasta a ja levytyypistä riip- puristuslujuusvaatimuksen täyttäviä routalevyjä ja jopa 700 kpa puristus- puen [43], [44]. Kuvassa 2.19 esitettyjen jännitys-kokoonpuristumakäyrien lineaaris- kaikilla ten osuuksien kulmakerrointen perusteella määritetyt kimmomoduulit olivatt levytyypeillä suunnilleen 50 MPa. Puristuslujuuden lisäksi Nurmikolu & Kolisoja [41] testasivat saman tutkimuksen yh- eli vä- teydessä myös edellä esiteltyjen levytyyppien syklisen rasituksen kestävyyttä symiskestävyyttä. Levyjen kokoonpuristuma 200 kpa kuormitustasolla ja kahdella miljoonalla kuormitussyklillä oli levytyypistä riippuen noin 1 2 % eli kaikki levyt täyt- tivät rasituskokeen 5 % vaatimuksen. Puristuslujuuden ja väsymiskokeessa muodos- nykyään tuvan kokoonpuristuman välillä havaittiinn suuntaa antava korrelaatio. Vaikka EPS- eli muottipaisutettujen polystyreeniroutalevyjen käyttö ei enää ole sallittua ratarakentamisessa niiden huonon kosteudenvastustuskyvyn takia, niin ehdittiin EPS-levyjä asentaa 1970-luvulla 1 noin 200 ratakilometrille. Lisäksi EPS-levyjä käytetään edelleen esimerkiksi tierakentamisessa. Huonon kosteudenvastustuskyvyn vuoksi EPS-levyjen lämmönjohtavuuden on todettu ajan myötä kasvavan rakenteessa huomattavasti alkuperäisestä. [41] Nurmikolu & Kolisoja [45], [46] ovat vuosina 2001 ja 2003 tehneet laboratoriokokeita ratarakenteesta otetuille, mm paksuisille EPS-routalevynäytteille. Kuivatuille näytteille tehtyjen puristuskokeiden koejärjestelyt olivat samat kuin edellä esiteltyjen XPS-levyjepuristumakäyrien lineaaristen osuuksien kulmakerrointen perusteella määritetyt kimmomoduulit olivat pääosin välillä 2 5 MPa. Standardin SFS-EN 826 mukaiset puristuskokeiden kohdalla. Tehtyjen puristuskokeiden jännitys-kokoon-

37 35 10 % kokoonpuristumaa vastaavat puristusjännitykset olivat enintään noin puolet nykyisestä 500 kpa puristuslujuusvaatimuksesta. Jäykkyysnäkökulmasta routalevyjen toinen mielenkiintoinen ominaisuus on niiden vaikutus ratarakenteen dynaamiseen käyttäytymiseen nopean junaliikenteen alla. Tarkasteltaessa XPS-levyn kokoonpuristumaa ratarakenteessa esimerkiksi aikaisemmin mainitun 100 kpa kuormituksella ja XPS-levyä vastaavalla kimmomoduulilla 50 MPa, voidaan todeta levyn kokoonpuristuman olevan mm levypaksuuksilla välillä 0,08 0,24 mm. On kuitenkin huomioitava, että varsinkin välikerroksen yläpuolelle asennetussa routalevyssä kuormitus ei jakaudu tasaisesti levyn koko pinnalle, vaan ainakin osittain raidesepelirakeiden välisiä ketjuja pitkin. Suuremman kuormitustason lisäksi tämä aiheuttaa raidesepelirakeiden painautumista routalevyihin. [41] Lisäksi on huomioitava, että kuvan 2.19 käyrien alkupäiden mukaan esimerkiksi jo 50 kpa kuormituksella XPS-levyjen kokoonpuristumat ovat suuruusluokaltaan noin 0,5 1,0 %, kun huomioidaan myös pienellä kuormituksella tapahtuva suhteellisen suuri kokoonpuristuma. Routalevyn yläpuolella oleva ratarakenne toimii käytännössä esikuormituksena, mutta varsinkaan välikerroksen yläpuolelle asennettujen levyjen kohdalla esikuormitusvaikutus ei ole kovin suuri. Nurmikolu & Kolisoja [45] arvioivat normaalisyvyydelle asennettuun EPS-routalevyyn vaikuttavan 100 kpa kuormituksen aiheuttavan jäykkyydestä riippuen suuruusluokaltaan jopa 2 5 % kimmoisen kokoonpuristuman. Näin ollen esimerkiksi 100 mm EPSroutalevy voi periaatteessa aiheuttaa raiteessa suuruudeltaan 2 5 mm palautuvan painuman, joka on huomattavasti suurempi kuin vastaavan kuormituksen samanpaksuiselle XPS-routalevylle aiheuttama kimmoinen kokoonpuristuma Pohjamaa Pohjamaalla (subgrade, subsoil) tarkoitetaan ratapenkereen alla olevaa luonnontilaista tai eri tavoin lujitettua maata. Pohjamaa voi koostua useista eri maalajeista alueesta riippuen. Pohjamaan koostumus ja ominaisuudet selvitetään tyypillisesti kairauksin ja niiden yhteydessä otetuille näytteille tehtävin laboratoriokokein. [34] Radalla liikkuvan kaluston kuormitusvaikutus ulottuu useimmiten pohjamaahan saakka. Lisäksi pohjamaan päälle rakennetut radan rakennekerrokset aiheuttavat pysyvän kuormituksen pohjamaalle. Selig & Waters [8] nostavat pohjamaan tärkeimmäksi alusrakenteen raiteelle antamaan tukeen vaikuttavaksi tekijäksi. Pohjamaan ominaisuuksilla on erittäin suuri merkitys radan taipumiin junakuormien alla sekä koko ratapenkereen stabiliteettiin, painumiin ja painumaeroihin. Perinteisesti pohjamaata on arvioitu ratarakentamisen yhteydessä sen stabiliteetin ja painumapotentiaalin kautta. Stabiliteetiltaan heikkojen ratapenkereiden vahvistamiseen ja liian suurien painumien ehkäisyyn on olemassa useita eri menetelmiä. Menetelmien käyttömahdollisuudet vaihtelevat paljon esimerkiksi olemassa olevan ja uuden radan välillä. Olemassa oleville ratapenkereille tyypillisin stabiliteetin parantamisratkaisu ovat vastapenkereet, mutta myös massanvaihtoja ja erilaisia stabilointeja käytetään. Uuden ratapenkereen kohdalla on edellisten lisäksi paremmat mahdollisuudet hyödyntää esimerkiksi esikuormituspenkereitä tai rakentaa paalulaatta ratapenkereen alle. Vahvistusmenetelmistä esimerkiksi massanvaihdot ja paalulaatta kasvattavat merkittävästi pohjamaan tai radan perustuksen jäykkyyttä. Parhaiten ku-

38 36 hunkin kohteeseen soveltuvan menetelmän valinta edellyttää kattavia pohjatutkimus- ja laboratoriokoetietoja sekä ennakkosuunnittelua ja -laskelmia. [ 47] Suomessa erilaiset pohjaolosuhteet luokitellaan tyypillisesti maalajiin m perustuen. Paikoin luokittelun tarkennuksina käytetään esimerkiksi kosteusolosuhteita tai hieliitteessä noainespitoisuutta. Taulukossa 2.2 on esitetty pääpiirteittäin InfraRYL 2010 T1 käytetty luokittelu. Pohjamaan kantavuuden, joka voidaan käsittää myös jäykkyy- vaihtelu eli pohjamaan muuttuminen esimerkiksi turpeesta kallioksi on mahdollista radan pituussuunnassa lyhyenkin matkann sisällä. [39] deksi, vaihteluväli on siis laaja. Luonnossa tämänkaltainen, yli kymmenkertainen Taulukko 2.2. Pohjamaan kantavuusluokitus InfraRYL 2010 mukaan. Muokattuu läh- teestä [39] Selig & Li [4] ovat tutkineett sekä pohjamaan muodonmuutosmoduulin ettää pohja- maakerroksen paksuuden vaikutusta radan jäykkyyteen. Pohjamaan muodonmuutos- moduulilla havaittiin olevan erittäin merkittävä vaikutus radan jäykkyyteen. Vaihdet- arvoon taessa pohjamaan jäykkyyttä kuvaava muodonmuutosmoduuli arvosta 14 MPaa 138 MPa, radan jäykkyyttä kuvaava ratamoduuli kasvoi noin kahdeksankertaiseksi. Pohjamaan tiheytenä käytettiin 1920 kg/m3 ja Poissonin lukuna 0,35. 0 Mallinnuksessa pohjamaakerros oletettiin paksuudeltaan äärettömäksi, mikä osaltaan, yhdessä melko ohuiden tukikerroksen ja välikerroksen kanssa, kasvattaa pohjamaan muodonmuu- vaikutusta radan jäykkyyteen. Tarkastelussa pohjamaakerroksenn paksuutta vaihdel- tosmoduulin merkitystä. Samaisen tutkimuksen yhteydessä tarkasteltiin myös pohjamaakerroksen paksuuden tiin 1,22 metristä äärettömään. Kuvassa 2.20 on esitetty pohjamaan kerrospaksuuden ja muodonmuutosmoduulin vaikutus radan jäykkyyttä kuvaavaann ratamoduuliin. Ku- muodonmuutosmoduulina 138 MPa, keskimmäiset pisteet muodonmuutosmoduulilla 41 MPa ja alimmat pisteet muodonmuutosmoduulilla 14 MPa. Kuvasta voidaan havai- vassaa esitettyjen pisteryhmien ylimmätt pisteet on saatu käyttämällä pohjamaan ta, että pohjamaakerroksen paksuuden kasvattaminen pienentää radan kokonaisjäyk-

39 37 kyyttä. Kokonaisjäykkyyden pieneneminenn ei kuitenkaan ole lineaarista, vaan on ohuilla, suunnilleenn 0 5 m paksuisilla pohjamaakerroksilla nopeampaa ja hidastuu pohjamaan kerrospaksuuden edelleen kasvaessa. Kutenn jo aiemminn kävi ilmi, pohja- maan muodonmuutosmoduulilla on kerrospaksuuden lisäksi erittäin merkittävä vai- 1,22 m ja 16,5 m paksuisten pohjamaakerrosten kohdilla, havaitaan, että radan koko- kutus radan kokonaisjäykkyyteen. Vertailtaessa ratamoduulin arvoja esimerkiksi naisjäykkyyden suhteellinen muutos on suuren muodonmuutosmoduulin omaavilla pohjamailla vähäisempi. Muodonmuutosmoduulin 138 MPa omaava pohjamaaa pienentää ratamoduulia noin 30 % kerrospaksuuden kasvaessa 1,22 metristä 16,5 met- riin, kun taas muodonmuutosmoduulin 14 MPa omaavann pohjamaann kohdalla vastaa- va muutos on noin %. Kuva Pohjamaakerroksen kerrospaksuuden ja muodonmuutom osmoduulin vaiku- tus radan kokonaisjäykkyyttä kuvaavaan ratamoduuliin. [4] Kuvassaa 2.21 on havainnollistettu hieman eri näkökulmasta erilaisten pohjaolosuhtei- kerrospaksuudella 1,221 m saadut arvot ja mustilla pisteillä äärettömän paksullaa poh- den vaikutusta ratamoduuliin u. Kuvassa on esitetty valkoisilla pisteillä pohjamaan jamaakerroksella saadut arvot. Kuva Pohjamaan muodonmuutosmoduulin vaikutus radan kokonaisjäykkyyttä kuvaavaan ratamoduuliin u pohjamaakerroksen paksuudella 1,22 m ja äärettömän paksulla pohjamaakerroksella. [4]

40 38 Kuvasta 2.21 voidaan havaita, että sama ratamoduulin arvo voidaan saavuttaa useilla erilaisilla pohjamaan kerrospaksuuden jaa muodonmuutosmoduulin yhdistelmillä. Li- vaikutus ratamoduuliin on paksuja pohjamaakerroksia merkittävämpi. Äärettömän paksulla pohjamaakerroksella muodonmuutosmoduulin vaikutus on lähes lineaari- säksi on huomionarvoista, että ohuella pohjamaakerroksella muodonmuutosmoduulin nen Yhteenveto radan rakenneosienr n vaikutuksesta radan jäykkyyteen Luvuissa esiteltiin radan pystysuuntaisenn jäykkyydenn kannalta merkittä- vimpiä radan rakenneosia ja niiden jäykkyysominaisuuksia. Tehdyn kirjallisuustutki- ra- muksen perusteella radan kokonaisjäykkyyden kannalta merkittävimmät radan kenneosat tai niihin liittyvät tekijät t ovat joustavat elementit, kuten välilevy ja pohjain, karkearakeisten rakennekerrosmateriaalien kerrospaksuudet sekä pohjamaan muo- donmuutosmoduuli ja kerrospaksuus. Selig & Li [4] toteavat pohjamaan ominaisuuk- hyvin silla olevan yllä mainituista tekijöistä t ehdottomasti suurin vaikutus, mikä käy ilmi myös kuvasta Kuvassa on esitelty kootusti Seligin ja Lin mallinnuksessa käyttämien rakenneosien jäykkyysominaisuudet ja niiden vaihtelun vaikutus ratamo- kuvaa- duuliin. Kuvassa esitettyä perustapausta (nominal case) sekä ylä- ja alarajojaa vat parametrit on esitetty taulukossa 2.3. Kuva Yhteenveto radan rakenneosien jäykkyyden vaikutuksesta ratamoduu- liin. [4]

41 39 Taulukko 2.3. Mallinnuksessa käytetyt parametrit. [4] Kuvaa 2.22 tarkasteltaessa on kuitenkin huomattava, ettei edellä mainitussa tutki- varsinkaan rakennekerrosten paksuuden osalta. Näin ollen eri rakenneosien suhteelli- nen vaikutus radan kokonaisjäykkyyteen ei välttämättää absoluuttisesti vastaa tilan- muksessa käytetty ratarakenne vastaa täysin perinteistä suomalaista ratarakennetta netta suomalaisten ratarakenteiden kohdalla, mutta vaikutusten v voitaneen olettaa olevan hyvin samansuuntaisia jaa -suuruisia. 2.3 Radan epälineaarinen kuormitus- käyttäytyminen Pyrittäessä arvioimaan radan toimintaa mitatun kokonaisjäykkyyden perusteella, on ensin ymmärrettävä, mistä kokonaisjäykkyyden muodostava radan kokonaistaipuma kuormitettaessa muodostuu. Tällä radan kuormitus-taipuma-käyttäytymisellä tulisi pyrkiä p mittamaan ja millaisia ominaisuuksia jäykkyyden mittausmenetelmältä vaaditaan. Sussmannin et al. [48][ mukaann ideaalitapauksessa, elii radan ollessa erinomaisessa kunnossa, radan kuormitus-taipuma-käyttäytyminen onn kuvan käyrän a mukai- sesti lineaarista tai radan rakenneosien epälineaarisesta kuormituskäyttäytymisestä johtuen lievästi epälineaarista.. Käytännössä tällainen tilanne voi toteutua lähinnä hiljattain rakennetuilla tai tuetuilla radoilla, joilla ratapölkyt tukeutuvat optimaalises- ti tukikerrokseen. Mittausnäkök kulmasta käyrän a tapauksessa riittää kokonaistaipu- man mittaaminen täydellä, esimerkiksi todellista liikennettä vastaavalla, kuormituk- sella. Ratapölkyn alaisesta tyhjätilasta ja radan rakenneosien kuormituskäyttäytymi- sen epälineaarisuudesta johtuen kuvan 2.23 käyrän b mukainen m kuormitus-taipuma- käyttäytyminen kuvaa paremmin todellisuutta. Tällöin mitattu kokonaistaipuma täy- on merkittävä vaikutuss myös siihen, mitä suureita dellä kuormituksella kuvaa ainoastaan kyseisillä huippuarvoilla syntyvää tilannetta, eikä kerro mitään taipuman suhteellisesta kasvusta kuormituksen lisääntyessä.

42 40 Kuva Radan tyypillinen kuormitus-taipuma-käyttäytyminen. Muokattuu läh- teestä [48] Tarkasteltaessa kuvan 2.23 käyrän b alkuosaa nähdään, että oletetusta ratapölkkyjen alaisesta tyhjätilasta johtuen taipuma kasvaa verrattain nopeasti alhaisellakin kuor- on mitustasolla. Kuormituksen edelleen kasvaessa saavutetaan tilanne, jossa taipuma ylittänyt tyhjätilan suuruuden ja ratapölkky on kauttaaltaan kontaktissa tukikerrok- Rata- seen. Tätä tilannetta vastaavaa kuormitusta kutsutaan tukeutumiskuormaksi. pölkyn ollessa kontaktissa tukikerrokseet en, on radan kuormitus-taipuma-käyttäyty- minen lähes lineaarista. Tätää kuvaa käyrän a ja käyrän b loppuosan sama kulmaker- radan taipumakäyttäytymisen epälineaarisuuteen ja se voidaan määrittää käyrän b roin. Sussmanninn et al. [48] mukaan tyhjätila myötävaikuttaa erittäin e merkittävästi lineaarisen loppuosan jatkeen ja taipuma-akselin leikkauskohdann avulla. Tällä tavoin määriteltynä tyhjätila kuvaa taipumaosuutta, jolla ei teoriassa ole o lainkaan kuormi- siis tuksen vastustuskykyä. Kokonaisjäykkyyden mittaamisen näkökulmasta käyrän a tapauksessa riittäisi vain kokonaistaipuman mittaaminen täydellä kuormituksella olettaen samalla taipu- se, man kasvavan lineaarisesti kuormituksen n kasvaessa. Ongelmalliseksi asian tekee että kuormituskäyttäytymisen lineaarisuus tulisi todeta jotenkin, jotta kyseinen oletäydellä tus voitaisiin tehdä. Käyrän b tapauksessa kokonaistaipuman mittaaminen m kuormituksella ei taas oletettavasti anna todellista kuvaa radan taipuman t kehittymi- mitta- sestä kuormituksen kasvaessa. Yllä mainitun perusteella kokonaisjäykkyyden usmenetelmän tulisi siis molemmissa tapauksissa mahdollistaa kuormitustask son sää- selvit- tely siten, että voidaan joko todentaa kuormituskäyttäytymisen lineaarisuus tai tää epälineaarisen kuormitus-taipuma-käyrän muoto. Toinen mielenkiintoinen radan kuormituskäyttäytymiseen liittyvä kysymys onn se, mitä kuormitusta tai kuormitusväliä käyttäen radan kokonaisjäykkyys tulisi määrittää. Jos esimerkiksi käyrän b tapauksessa kokonaisjäykkyys määritetään nollakuormitn tuksen ja täyden kuormituksen väliltä, voidaan saatavan kokonaisjäykkyyden toki todeta edus- missä tavan kyseisen rataosuuden kokonaistaipumaa, mutta on hankalaa arvioida osassa ratarakennetta merkittävimmät taipumat syntyvät. Erään ajatusmallin a mukaan

43 41 radan taipuma voidaan mitata kahdelta kuormitusväliltä. Ensimmäisellä kuormitusvälillä taipuma mitataan nollakuormituksen ja kevyen kuormituksen välillä. Näin toimimalla saadaan ensisijaisesti selville mahdollisen ratapölkyn alaisen tyhjätilan suuruus eli käytännössä tieto tuentatilanteesta. Toisella kuormitusvälillä radan taipuma määritetään kevyen ja täyden kuormituksen välillä. Tällä kuormitusvälillä syntyvä taipuma kuvaa ensisijaisesti rakennekerrosten ja pohjamaan jäykkyyttä. Näin ollen jakamalla kuormitus kahteen kuormitusväliin, voidaan ainakin jollain tarkkuudella arvioida päällysrakenteessa ja alusrakenteessa sekä pohjamaassa syntyviä taipumia erikseen, mikä taas saattaa mahdollistaa esimerkiksi heikompien rakenneosien likimääräisen paikallistamisen rakenteessa. Yllä esiteltyä kuormitusväliasiaa käsitellään myös luvussa 3.2, missä annetaan myös joitain esimerkkejä kuormitusvälien lukuarvoista. 2.4 Kokonaisjäykkyys radan toiminnan indikaattorina Edellisissä luvuissa esiteltiin radan rakenneosien jäykkyysominaisuuksia ja todettiin radan kokonaisjäykkyyden muodostuvan radan kaikkien rakenneosien jäykkyyksien yhteisvaikutuksesta toisten osien vaikutuksen ollessa merkittävämpi ja toisten vähäisempi. Käytännössä radasta mitattu jäykkyys kuvaa siis kaikkien rakenneosien yhdessä muodostamaa kokonaisjäykkyyttä. Erityisesti radan elinkaaren näkökulmasta on mielenkiintoista, voidaanko mitatun kokonaisjäykkyyden perusteella päätellä jotain yksittäisen radan rakenneosan kunnosta tai sen kokemista rasituksista. Lähtökohtaisesti yksittäisen rakenneosan kokemien rasitusten tarkasteleminen radan kokonaisjäykkyyden avulla on erittäin haasteellista rakenneosien yhteistoiminnan monimutkaisten syy-seuraussuhteiden takia. Radan kokonaisjäykkyyden perusteella saattaa kuitenkin olla mahdollista saada vähintään yleispiirteinen kuva radan kuormituskestävyydestä ja joihinkin rakenneosiin kohdistuvista rasituksista. Luvuissa pyritään avaamaan radan kokonaisjäykkyyden roolia radan toiminnan indikaattorina. Radan rakenneosien lukuisten vuorovaikutussuhteiden monimutkaisuudesta johtuen esittely nähtiin parhaaksi tehdä näkökulmasta, jossa oletetaan radan kokonaisjäykkyyden jo olevan mitatun ja tietyn suuruuden tai luonteen omaava. Raportin tässä vaiheessa ei varsinaisesti oteta kantaa siihen, mikä on lukuarvoltaan suuri tai alhainen kokonaisjäykkyys. Käsittelyssä edetään ratarakenteen pystysuunnassa kiskoista alkaen aina pohjamaahan saakka ja pyritään samalla havainnollistamaan mitä oletettu radan kokonaisjäykkyys voisi indikoida kuhunkin rakenneosaan kohdistuvista rasituksista. Selkeyden vuoksi tekstissä on myös tiivistetysti esitelty joitain radan rakenneosille ominaisia vaurioitumis-/kulumismekanismeja. Lopuksi tarkastellaan radan kokonaisjäykkyyden suhdetta radalla liikennöinnin ympäristövaikutuksiin, kuten meluun ja tärinään Radan kokonaisjäykkyyden suuruus Kisko Suuren kokonaisjäykkyyden omaavalla radalla kuormituksen aiheuttama taipuma tai kokoonpuristuma kaikissa radan rakenneosissa on huomattavan vähäistä. Näin ollen myös kiskon taipuma jää pieneksi. Selig & Li [4] ovat tutkineet ratamoduulin suhdetta kiskon taivutusrasituksiin. Kuvassa 2.24 on vasemmanpuoleisessa kuvaajassa esitetty

44 42 radan kokonaisjäykkyyden funktiona GEOTRACK -mallinnuksella saatu kuormituksen suhteen suhteellistettu kiskon taipuma ja oikeanpuoleisessa kuvaajassa k taivutus- momentti. Kuva Ratamoduulin u suhde kiskon taipumaan (vas.) ja taivutusmomenttiin (oik.) kuormituksen suhteen. Muokattu lähteestä [4] Kuvasta 2.24 nähdään, että suuren kokonaisjäykkyyden omaavalla radalla kiskon tai- arvoilla vutusrasitukset ovat pieniä. Huomattavaa a on myös, että suurilla ratamoduulinn ratamoduulin muutoksen merkitys kiskonn taivutusrasituksiin on vähäisempi. Vaikka jäykällä radalla kiskon taivutusrasitukset jäävät pieniksi, Berggrenin [6] mu- Myös kaan kiskon ja pyörän väliset kontaktivoimat voivat kasvaa hyvinkin suuriksi. Chaar & Berg [49] ovat mallinnusten perusteella todenneet rataan kohdistuvien pys- vah- ty- ja vaakasuuntaisten voimien olevan jäykällä radalla suurempia sekä lisäksi vasti tiettyihin taajuuksiin keskittyneitä. Yleisesti ottaen jäykällää radalla pitkän kor- RCF) rugaation (long pitch corrugation) ja vierintäväsymisen (rolling contact c fatigue, kaltaisten kiskon pintavikojenn todennäköisyys on suurempi johtuen jäykän radan riitja isku- tämättömistä jousto-/vaimennusominaisuuksista dynaamisia kuormituksia voimia vastaan [50]. Korrugaatio ilmenee kiskon kulkupinnass sa suhteellisen jaksottaisena aaltoiluna, joka voidaan jakaa lyhyeen ja pitkään korrugaatioon kyseisen aaltoilun aallonpituuden mukaan. Kiskoon muodostunut korrugaatio lisää rataan kohdistuvia dynaamisia kuormituksia ja melua. Korrugaatio voidaan poistaa kiskonhionna an avulla, mutta elin- tekijät. Vierintäväsyminen käsittää joukonn vikoja, jotka ovat seurausta kaluston pyöri- kaaritaloudellisesti on kannattavampaa pyrkiä poistamaan korrugaatiota aiheuttavat en aiheuttamastaa kiskon materiaalin toistuvasta ylikuormituksesta. Toistuva ylikuor- voi- mitus johtaa materiaalin muokkautumiseen ja lopulta säröjen syntymiseen. Säröt vat muodostua kiskon eri osiin ja pahimmillaan johtaa kiskon murtumiseen. Vierintä- muun muassa kasvaneita akselipainoja jaa nopeuksia. Kiskovioista ja niiden muodos- tumisesta on kerrottu tarkemmin esimerkiksi Liikenneviraston tutkimuksia t ja selvi- väsyminen on lisääntynyt yleisesti viimee vuosikymmeninä ja syinä tähän pidetään tyksiä -sarjan julkaisussa 01/2011 Ratakiskon elinkaari. [9] Kuvan 2.24 perusteella alhainen radan kokonaisjäykkyys ennakoi suurehkoja taivutus- kiskolle. rasituksia kiskossa. Jatkuvat huomattavan suuret taipumat ovatt haitallisia Toisaalta taas alhaisen kokonaisjäykkyyden omaavalla radalla ainakin tiettyjen kiskody- vikojen todennäköisyys pienenee, sillä radan jousto-/vaimennusominaisuudet naamisia kuormituksia ja iskuvoimia vastaan ovat paremmat. [4], [50]

45 43 Ratapölkky ja tukikerros Radan kokonaisjäykkyys vaikuttaa merkittävästi kuormituksen jakautumiseen peräk- käisten ratapölkkyjen kesken radan pituussuunnassa. Hyvin H jäykällä radalla kuormi- tus välittyy vain lähellä kuormituspistettä olevien ratapölkkyjen kautta, jolloin yksit- täiseen ratapölkkyyn ja tukikerrokseen kohdistuvat voimat kasvavat suuriksi [6]. Be- toniratapölkyissä liikennekuormituksen aiheuttamat halkeamat h sijaitsevat toden-t ratapölkyn keskellä. Kiskon kohdalla ratapölkyn alapinnassa esiintyvät halkeamat ovat yleisiä ja johtuvat useimmiten suurista ratapölkkyyn kohdistuneista isku- näköisesti joko ratapölkyn alapinnassa kiskon lepopinnan kohdalla tai yläpinnassa kuormista. Nämä halkeamat eivät välittömästi estä ratapölkkyä täyttämästä sen ensi- kes- sijaista tehtävää, mutta voivat silti lyhentää ratapölkyn käyttöikää. k [51] Hyvin yleisesti käytettyjä yleistyksiä kuormituksen jakautumisesta ratapölkkyjen ken ovat esittäneet Raymond [52] ja Riessberger [53]. Raymond R [52] on esittänyt yk- vä- sinkertaistuksen, jonka mukaann välittömästi pyöräkuorman alla oleva ratapölkky littää kokonaiskuormasta 50 % ja viereiset ratapölkyt 25 % kumpikin kuvan 2.25 b- kohdan mukaisesti. Riessbergerin [53] mukaan pyöräkuorma jakautuu kuorman alla olevallee ja sen viereisille ratapölkyille suhteessa 5 % % - 50 % - 20 % - 5 % ku- mo- van 2.25 a-kohdan mukaisesti.. Maksimikuormituksen kannalta tilanne on siiss lemmilla malleilla sama. [2] Kuva Pyöräkuorman jakautuminen (a) Riessbergerin ja (b) Raymondin esit- tämillä likimääräisillä menetelmillä. [2] Skoglundin [3] mukaan kuormituksen jakautuminen pyöräkuorman alla olevan ja j sen viereisten ratapölkkyjen keskenn riippuu ratamoduulistaa taulukon 2..4 mukaisesti. Tu- 154 kn ratapölkyn nro 0 päällä jaa ratapölkkyväliä 600 mm. lokset on saatu käyttämällä BOEF -mallinnustarkastelussa laskentapyöräkuormaa

46 44 Taulukko 2.4. BOEF -mallinnustarkastelunn mukainen kuormituksen n jakautuminen raä tapölkkyjen kesken ratamoduulista riippuen. Muokattu lähteestä [19] Taulukosta 2.4 huomataan, että jäykkää ratarakenne johtaa suurempiin maksimi- taulu- kuormiin suoraan kuormituksen alla olevan ratapölkyn kohdalla. Vastaavasti kosta 2.4 on havaittavissa, että alhaisen kokonaisjäykkyyden omaavalla radalla pyö- pyö- räkuorma jakautuu radan pituussuunnassa useammalle ratapölkylle ja suoraan räkuorman alapuolella olevan ratapölkynn kohdalla maksimikuor rmitus on pienempi. Tämää oletus ei kuitenkaan toteudu silloin, kun kiskon taivutusjäykkyys on hyvin pieni. Skoglund [3] on mallintanut myös ratapölkystä tukikerrokseen välittyvän kuormituk- arvoilla sen jakautumista yksittäisen ratapölkyn pituussuunnassa ratamoduulin 30 N/ /mm2 (soft) ja 90 N/mm2 (medium).. Kuvasta 2.26 nähdään, että joustavassa ra- tarakenteessa ratapölkystä välittyvä kuormitus jakautuu tasaisemmin kuin jäykem- osalle. Mallinnuksessa on käytetty laskentapyöräkuormaa 154 knn ja kuormituksen on mässä ratarakenteessa, jossa kuormituss keskittyy kiskojen alla olevalle ratapölkyn oletettu jakautuvan ratapölkkyjen kesken taulukon 2.4 mukaisesti. Kuva Betoniratapölkystä välittyvän kuormituksen jakautuminen ratapölkyn pituussuunnassa radan jäykkyydestä riippuen. [3] Kuvan 2.26 havaintoihin liittyen, raidesepelin hienonemisen kannalta ei olee saman- mukainen kuormitus vai lähes puolitoistakertainen jäykemmän ratapenkereenn mukai- tekevää, kohdistuuko tukikerrokseen kiskon alapuolella joustavamman ratapenkereen nen kuormitus, sillä raidesepelin hienonemisen kannalta olennaista on keskimääräi- sen jännityksen sijaan maksimikuormituksen suuruus. [19]

47 45 Lähtökohtaisesti ratapölkyn oletetaan kantavan päistään, jolloin myös tukikerrokseen kohdistuvat kuormitukset keskittyvät ratapölkyn päiden alueelle. Tämän voidaan olettaa toteutuvan rataosuudella, jolta on mitattu hyvin suuri kokonaisjäykkyys, sillä ratapölkyn päiden alapuolinen tyhjätila kasvattaa huomattavasti radan kokonaistaipumaa ja näin ollen alentaa radan kokonaisjäykkyyttä. Suuren mitatun kokonaisjäykkyyden voidaan siis nähdä ratapölkkyjen tukeutumisen osalta ilmaisevan vähintään kohtuullista tukeutumistilannetta. Vaikka ratapölkyt tukeutuisivat tukikerrokseen mittaushetkellä lähes optimaalisesti, näin ei välttämättä ole jatkossa, sillä mikäli tukikerros tai ratarakenteen alemmat osat eivät kestä keskittynyttä kuormitusta, syntyy tälle alueelle toistokuormituksessa pysyviä muodonmuutoksia muun muassa tukikerroksen raidesepelin hienonemisen myötä. Näiden muodonmuutosten myötä ratapölkyn päiden tuenta heikkenee ja siirtyy enenevässä määrin ratapölkyn keskelle. Ratapölkyn päiden alueelle saattaa pysyvien muodonmuutosten seurauksena muodostua tyhjätila, jonka merkitystä radan kokonaisjäykkyyden muodostumisessa käsiteltiin aiemmin luvuissa ja 2.3. [54] Alhainen kokonaisjäykkyys saattaa indikoida ratapölkkyjen heikosta tukeutumistilanteesta, jolloin ratapölkyt iskeytyvät tukikerroksen yläpintaan jokaisen akselin ylityksen kohdalla. Toisaalta tukeutumistilanteen ollessa hyvä, alhainen radan kokonaisjäykkyys indikoi mitä todennäköisimmin suurta pohjamaan taipumaa ja näin ollen suurta taipumaa myös tukikerroksessa. Tukikerroksen suuri taipuma lisää raidesepelin rakeiden välistä hieroutumista toisiaan vasten. Kumpikin yllämainittu ilmiö on raidesepelin hienonemisen kannalta epäedullinen. Yllä esitellyn kuormituksen epäsuotuisan jakautumisen lisäksi raidesepelin hienonemiselle mahdollisesti hyvinkin määräävä ilmiö saattaa olla kiskon taivutusmomentista aiheutuva raiteen nousu tietyllä etäisyydellä pyörän ja kiskon kontaktikohdasta. Tämä ilmiö, jota on havainnollistettu kuvassa 2.27, on todennettu useissa kenttämittauksissa ja mallinnuksissa. Taivutusmomentin seurauksena ratapölkyn alapinnan ja tukikerroksen kontakti häviää hetkellisesti, mikäli nostava voima ylittää raiteen kokonaispainon ja ratapölkyn sivuihin tukikerroksesta kohdistuvat pystysuuntaiset voimat. [19]

48 46 Kuva Periaatekuva kiskon taivutusmomentin tietylle etäisyydelle kuormitus- kohdasta aiheuttamasta raidetta nostavasta voimasta. [8] Kuvan 2.27 kaltaisessa tilanteessa toistuvat akselinylitykset aiheuttavat ratapölkyn toistuvaa iskeytymistä tukikerrokseen, mikä luonnollisesti lisää raidesepelinn hieno- täs- nemisen todennäköisyyttä sekä muiden radan osien kulumista. Kuten jo aiemmin sä luvussa kävi ilmi, jäykällää radalla kiskon taipumaa ja sitä myöten myös taivutus- on jäy- momentti jäävät pienemmiksi. Tällöin myös raidetta nostavan voiman suuruuss källä radalla joustavaa rataa pienempi. Näin ollen suuren kokonaisjäykkyyden omaa- voita- valla rataosuudella raidesepelin hienonemisen kannalta määrääväksi ilmiöksi neen nostaa kuormituksen epäsuotuisa jakaantuminen ja sen haitalliset vaikutukset sekä riittämätön jousto dynaamisia kuormituksia vastaan. Alhaisen kokonaisjäykkyy- taivu- den alueella kiskon taipuma on suurempi ja näin ollen myös raidetta nostava tusmomentti kasvaa, jolloin ratapölkyn alapinnan ja tukikerroksen välisen kontaktin häviäminen hetkellisesti on todennäköisempää kuin jäykällä radalla. Yleisesti ottaen ratapölkkyjen kokemienn rasitusten ja tukikerroksen hienonemisen kannalta ei ole samantekevää, missä ratarakenteen osissa jäykkyys tai vastaavasti suuret taipumat syntyvät. Periaatteessa äärimmäisen jäykkä kiskoo jakaa kuormituksia tehokkaammin, jolloin myös ratapölkyn ja tukikerroksen kokemat rasitukset jäävät pienemmiksi suoraan kuormituskohdan alapuolella. Käytännössä on kuitenkin huo- rooli eli mioitava pohjamaan ominaisuuksien kokonaisjäykkyyden kannalta määräävää voitaneen olettaa, että hyvin heikon pohjamaan vaikutusta ei voida v kumotaa kiskon taivutusjäykkyyttä kasvattamalla. Jo aiemmin todettiin esimerkiks heikon pohjamaan aiheuttaman suuren ratarakenteen kokonaistaipumann indikoivan suurta taipumaa ko- vasten. ko tukikerroksessa ja kasvavaa raidesepelirakeiden hieroutumista toisiaann Jäykän pohjamaan alueella, esimerkiksi kallioleikkauksessa, koko tukikerroksen taitoisiaan puma jää pieneksi, jolloin edellä mainittua raidesepelirakeiden hieroutumista vasten ei pääse ainakaan samassa mittakaavassa tapahtumaan. Tällöin T tukikerroksen kokemat rasitukset ovat riippuvaisia yläpuolisten päällysrakenneosien ominaisuuk- sista; esimerkiksi jäykkä kisko jakaa kuormituksia joustavaa kiskoa tehokkaammin

49 47 useamman ratapölkyn kautta välittyväksi ja pienentää siten tukikerrokseen kohdistuvaa maksimikuormitusta. Alusrakennekerrokset ja pohjamaa Kuten jo aiemmin mainittiin, alhainen kokonaisjäykkyys indikoi suuresta taipumasta koko ratapenkereessä, millä saattaa olla tietyissä tapauksissa merkittävä vaikutus radan geometrian heikkenemiseen. Radan geometrian heikkenemisellä (track geometry deterioration) tarkoitetaan tyypillisesti raiteessa ilmenevien epätasaisuuksien syntyä. Pysyvät epätasaisuudet johtuvat useimmiten jonkun rakennekerroksen tai pohjamaan pysyvistä muodonmuutoksista. Yksinkertaistettuna syklisen kuormituksen aiheuttamasta, pääosin palautuvasta taipumasta pieni osa jää pysyväksi. Pysyvät muodonmuutokset kumuloituvat kuormituskertamäärän kasvaessa. Pysyväksi muodonmuutokseksi jäävän osan ollessa riippuvainen alkuperäisen taipuman suuruudesta, indikoi alhainen kokonaisjäykkyys näin myös suuremmista pysyvistä muodonmuutoksista rakennekerroksissa ja pohjamaassa mikä ilmenee muun muassa ratapenkereen levenemisenä. Rakennekerrosmateriaaleilla, pohjamaan maalajilla ja muilla ominaisuuksilla sekä vallitsevalla jännitys- ja tiiviystilalla on merkitystä pysyväksi jäävän osan suuruuteen. Toisaalta myös routiminen saattaa roudan sulamisesta johtuvan heikentyneen kuormituskestävyyden kautta aiheuttaa rakenteessa pysyviä muodonmuutoksia ja epätasaisuutta raiteessa. Rakennekerrosten kohdalla tiiviystilan voidaan jo valmiiksi olettaa olevan melko suuri, jolloin myös syntyvät pysyvät muodonmuutokset ovat yleensä huomattavasti pohjamaassa syntyviä muodonmuutoksia pienempiä. Tämä ei kuitenkaan välttämättä toteudu kaikkien, varsinkaan olemassa olevien tai routivien ratarakenteiden kohdalla. Muodonmuutoksia tarkasteltaessa on huomioitava, että radan kokonaisjäykkyys ei juuri indikoi ratapenkereen painon vaikutuksesta varsinkin heikossa pohjamaassa pidemmän ajan kuluessa syntyviä painumia. Tosin, kuten aiemmin on käynyt ilmi, pohjamaan laadulla on merkittävä vaikutus radan kokonaisjäykkyyteen. Näin ollen heikolla pohjamaalla olevan radan, joka on siis alttiimpi painumille, kokonaisjäykkyys on todennäköisesti alhaisempi kuin vähemmän painumaherkillä pohjamailla sijaitsevan radan. Berggren [6] on huomauttanut, että vaikka kahden erilaisen pohjamaakerroksen jäykkyys voi olla sama, voi mahdollisuus pysyvien muodonmuutosten syntymiseen olla hyvinkin erilainen. Kuitenkin hyvin pehmeillä pohjamailla, kuten savella tai turpeella, on vahva korrelaatio kyseisen kerroksen jäykkyyden ja pysyvien muodonmuutosten välillä. Sussmannin et al. [48] mukaan alhainen radan kokonaisjäykkyys indikoi mitä todennäköisimmin heikosta pohjamaasta, sillä pohjamaan ominaisuudet ovat kokonaisjäykkyyden muodostumisen kannalta merkityksellisimmät. Toisaalta pohjamaan ominaisuuksilla, kuten myös alusrakennekerrosten ominaisuuksilla, on merkittävä vaikutus kyseisten kerrosten kykyyn vastustaa muodonmuutoksia. Selig & Li [4] ovat tutkineet radan kokonaisjäykkyyden ja pohjamaan suhdetta GEOTRACK-mallilla, jossa betoniratapölkkyisen radan kokonaisjäykkyyttä on varioitu muuttamalla mallinnetun pohjamaakerroksen paksuutta 1,22 metristä äärettömään ja muodonmuutosmoduulia välillä MPa. Kuvassa 2.28 on esitetty mallinnuksella saatu pohjamaan yläpinnan taipuma, pystysuuntainen maksimijännitys pohjamaan pinnalla ja suurin pääjännitysero pohjamaan pinnalla kuormituksen suhteen. Kuvassa mustat pisteet kuvaavat arvoja äärettömän paksulla pohjamaakerroksella ja valkoiset pisteet arvoja pohjamaakerroksen paksuudella 1,22 m. Tarkasteltaessa kuvaajia on

50 48 muistettava, että ratamoduulin u suuruus on huomattavassa määrin seurausta poh- jamaan ominaisuuksista. Kuva Radan kokonaisjäykkyyttä kuvaavan ratamoduulin u suhde pohjamaan pinnan taipumaan (vas.), pystysuuntaiseen maksimijännitykseenn poh- pinnalla (oik.) kuormituksen n suhteen. Muokattu lähteestä jamaan pinnalla (kesk.) ja suurimpaan pääjännityse eroon pohjamaan [4] Kuvan 2.28 vasemmanpuoleisen kuvaajan perusteella suuren kokonaisjäykkyyden voidaan nähdä indikoivan pienempiä taipumia pohjamaassa. Tarkasteltaessaa pohja- suuri maan maksimipystyjännitystä ja suurinta pääjännityseroa näyttäisi siltä, että kokonaisjäykkyyss indikoi suurempia jännityksiä pohjamaassa. Pohjamaan ja siten radan toiminta ei kuitenkaann riipu pelkästään jännityksistä, vaan myös pohjamaan lujuudesta ja jäykkyydestä. Ratamoduuli on osaltaan myös pohjamaan lujuuden funk- on tio ja siten suuri ratamoduuli indikoi jäykempää pohjamaata, jolla j tyypillisesti myös suurempi lujuus. Selig & Li [4] toteavat pohjamaan lujuuden kasvavan nopeasti ratamoduulin kasvaessa, joten vaikka jäykkä rata tuottaa suurempia jännityksiä poh- jänni- jamaahan, on jäykällä pohjamaalla paremmat edellytykset vastustaa kyseisiä tyksiä. Yleisesti jäykän pohjamaan kohdalla on oletettavissa, että lujuuden kasvu on nopeampaa kuin jännitysten kasvu. Suuren ratamoduulin ja pohjamaan jännitysten suhde riippuu myös osin siitä, missä osissa ratarakennetta suuren ratamoduulin edustama suuri jäykkyys muodostuu. Mikäli pohjamaan päällä on o esimerkiksi hyvin jäykät ja paksut alusrakennekerrokset, tasaavat ne pohjamaaker rrokseen kohdistuvia jännityksiä Radan pituussuunnassa vaihteleva kokonaisjäykkyys Radan kokonaisjäykkyys voi vaihdella huomattavasti radan pituussuunnassaa lyhyen- taso- kin rataosuuden matkalla. Tällainen tilanne toteutuu usein esimerkiksi siltojen, risteysten, vaihteiden ja kiskonjatkosten ympäristössä. Näissää tapauksissa jäyk- takia. Samankaltainen jäykkyysero voi ilmetä myös muuten täysin yhteneväisen rata- kyysero syntyy tyypillisesti välttämättöm mien ratateknisten ratkaisuiden ja valintojen rakenteen alueella saavuttaessa esimerkiksi pehmeiköltä kallioleikkaukseen. Lisäksi tukeutumattomatt ratapölkyt aiheuttavat hyvin äkkinäisen jäykkyysmuutoksen radan pituussuunnassa. [55] Paikallinen jäykkyysero lisää iskumaisia dynaamisia kuormituksia a kyseisessä kohdas- jäyk- sa. Tämä nopeuttaa varsinkin päällysrakenteen osien heikkenemistä. Lisäksi kyysero saattaa aiheuttaa junalle värähtelyherätteen, jolloin paikallisen jäykkyyseron vaikutukset ulottuvat myös etäämmälle jäykkyyden epäjatkuvuu skohdasta. Burrow n et al. [55] mukaan suuret äkilliset jäykkyyserot indikoivat moninkertaisesti nopeam- omaa- paa raidegeometrian heikkenemistä verrattuna tasaisen kokonaisjäykkyydenn vaan rataosuuteen.

51 49 Paikallisen jäykkyyseron kohdalla raidesepelin hienonemista voi tapahtua hyvinkin tukeutuneen ratapölkyn alapuolella, mikäli tukikerroksen kiviainess ei kestä jatkuvia dynaamisia lisäkuormituksia. Kuormituskertamäärän kasvaessa ja hienonemisenn ede- alle tessä, hienontunut raidesepeli valuu tukikerroksen huokostilaan ja ratapölkyn alkaa muodostua tyhjätila. Tyhjätilan vaikutuksesta ratapölkky pääsee vapaammin iskeytymään tukikerroksen pintaan ja kiihdyttää näin edelleen raidesepelin hienone- kuivatus on puutteellinen eikä rakenteeseenn tuleva vesii pääse poistumaan. Tällainen tilanne saattaa syntyä raidesepelin hienonemisen johdosta hienoaineksen tukkiessa sepelirakeiden välit. Tällöin ratapölkyn yli kulkeva pyöräkuorman aiheuttama kuormi- tus kohdistuu ensimmäisenä tyhjätilassa olevaan veteen, jossa kehittyy ylipainetta etenkin, jos tukikerroksen vedenläpäisevyys on heikentynyt. Huokosveden ylipaine pyrkii tasoittumaan, jolloin toistuvat akselinylitykset mahdollisestim i aikaansaavat ve- mista. Erityisen kriittiseksi iskeytymisilmiö nousee tilanteessa, jossa ratarakenteen den ja sen mukana kulkevan hienorakeisenn aineksen muodostamam an hiovan massan toistuvan, pumppauksenomaisen liikkeen rakennemateriaalin huokostilassa, mikä on Nurmikolun [19] mukaan kiviaineksen hienonemiseen määräävästi m vaikuttava seikka. s Kuvassaa 2.29 on pitkälle kehittynyt raidesepelin hienonemistilanne rataosalla Lielah- ti Kokemäki syksyllä 2011, missä hienoaines on merkittävästi alentanut tukikerroksen vedenläpäisevyyttä.. Kuva Havainnekuva pitkälle edenneestä raidesepelin hienonemisesta rata- pölkkyjen pumppautumisen ja hiovan hienoainesmassan yhteisvaiku- tuksesta. Kuvastaa 2.29 voidaan selkeästi havaita, miten kostea hienoainesmassa on tiivistynyt ratapölkkyjen päiden ympärillee estäen näin veden poistumisen sivusuunnassa. Tomihin dennäköisesti veden poistuminen myös alaspäin on estynyt ainakin osittain, myös kameraa lähinnä sijainneen ratapölkyn ympärillä oleva vedellä kyllästynyt hie- ilmiön mahdollisesti alkaneen kehittyä radan jäykkyyserojen aiheuttamien dynaamis- ten kuormitusten seurauksena. Kuormitusta voimisti lisäksi osaltaan se, että kyseis- ten ratapölkkyjen kohdalla raide kallisti voimakkaasti i kuvassa näkyvälle puolelle. Seurattaessa kuvassa esitettyjen ratapölkkyjen liikettä silmämääräis isesti kaluston noainesmassa viittaisi. Kyseisen kohteen vieressä sijaitsi tasoristeys, mikä viittaisi ak-

52 50 seleiden ylitysten aikana, havaittiin suuria siirtymiä. Samalla rataosalla havaittiin samankaltainen tilanne myös toisessa kohteessa yhden yksittäisen ratapölkyn kohdalla. Kyseisen ratapölkyn viereisessä havaittiin kiskossa jatkoshitsi, mikä oli todennäköisesti ajan kuluessa ja dynaamisten kuormituslisien myötä johtanut raidesepelin hienonemiseen ja vedenläpäisevyyden heikkenemiseen Melu ja tärinä Junaliikenteen aiheuttama melu voidaan jaotella sen syntytavan mukaan kahteen päätyyppiin: suoraan junasta säteilevään meluun ja maahan välittyvän tärinän vaikutuksesta rakennuksissa syntyvään meluun eli runkomeluun. Junasta säteilevän melun taajuus vaihtelee tyypillisesti välillä Hz ja runkomelun taajuus välillä 4 80 Hz [56]. Ilmaan säteilevän melun määrä riippuu merkittävästi pyörä-kisko-kontaktin laadusta siten, että pyörien ja kiskon epätasaisuudet lisäävät melun määrää. Aiemmin todettiin suuren kokonaisjäykkyyden lisäävän tiettyjen kiskovikojen todennäköisyyttä. Näin ollen suuri kokonaisjäykkyys saattaa indikoida myös melun lisääntymistä lisääntyneiden iskukuormien ja siten lisääntyneiden kiskovikojen kautta, mutta on huomioitava, että myös kaluston pyörien ominaisuuksilla on tyypillisesti yhtä suuri merkitys melun muodostumisessa. Ilmaan säteilevän melun määrään voidaan tehokkaasti vaikuttaa säätelemällä välilevyn jäykkyyttä, mikä vaikuttaa osaltaan myös radan kokonaisjäykkyyteen. Asian syvällisempi tarkastelu jätetään tämän tutkimuksen ulkopuolelle. [56] Radan rakennekerrosten jäykkyysvaihteluilla on pieni merkitys säteilevän melun kannalta. Yleisesti jäykät rakennekerrokset ovat taipuvaisia kasvattamaan matalataajuista melua. On huomioitava, että jopa kymmenkertaisilla rakennekerrosten jäykkyysvaihteluilla jäävät niiden vaikutukset melutasossa alle kahteen desibeliin. [16] Juna aiheuttaa kulkiessaan tärinää ympäröivässä maassa ja kallioperässä johtuen sekä eri tekijöiden tuottamista dynaamisista voimalisistä että kvasistaattisista voimista, joita perättäiset akselikuormat aiheuttavat. Thompsonin & Jonesin [57] mukaan tavallisimmilla kaluston ja nopeuksien yhdistelmillä dynaamisten voimien aiheuttamalla värähtelyllä on näistä merkittävämpi rooli. Täten tyypilliset dynaamisten voimien aiheuttajat, kuten esimerkiksi radan kokonaisjäykkyyden vaihtelu radan pituussuunnassa, ratapölkkyjen alaiset tyhjätilat ja geometrian epätasaisuudet, lisäävät radan ympäristöön välittyvää värähtelyä. Runkomeluun vaikuttavat kuitenkin värähtelyn ominaisuuksien lisäksi esimerkiksi maaperän ominaisuudet ja tarkasteltavan kohteen etäisyys radasta, joten suoria johtopäätöksiä runkomelun ja radan kokonaisjäykkyyden yhteydestä on hankala tehdä. Tyypillisesti värähtely leviää laajimmalle alueelle jäykkyydeltään alhaisissa pohjamaissa. [16], [56] Yhteenveto kokonaisjäykkyydestä radan toiminnassa Edellisissä kappaleissa esiteltiin radan kokonaisjäykkyyttä radan toiminnan indikaattorina. Taulukossa 2.5 on kertauksenomaisesti esitelty edellisissä kappaleissa käsitellyt asiat tiiviimmässä muodossa.

53 51 Taulukko 2.5. Yhteenveto radann kokonaisjäykkyyden roolista radan toiminnan indi- kaattorina. Taulukon 2.5 yhteenvedon perusteella voidaan todeta sekä hyvin suuren että hyvin alhaisen radan kokonaisjäykkyyden olevan tiettyjen radan rakenneosien kokemien rasitusten kannalta haitallisia. Näin ollen on perusteltua yrittää määrittää radan koradan konaisjäykkyydelle optimiarvo tai -vaihteluväli, joka saa aikaan kompromissin rakenneosille haitallisten vaikutusten välillä.

54 52 3 Radan kokonaisjäykkyyden hyödyntäminen ja määrittäminen Luvussa 2.1 esiteltiin ratamoduulin ja radan jäykkyyden käsitteet.. Lisäksi tarkasteltiin staattisen ja dynaamisen jäykkyyden eroja. Tässä luvussa tarkastellaan ensin radan jäykkyystiedon hyödyntämistä rasitustarkasteluissa BOEF-mallinn avulla ja luvun lo- puksi käsitellään radan kokonaisjäykkyyden määritysmenetelmiä. Radan jäykkyystiedon hyödyntäminenn rasitustarkasteluissa Palkki kimmoisalla alustalla Kimmoisalla alustalla olevaa palkkia eli BOEF-malliaa käsiteltiin pintapuolisesp sti jo lu- aiheutuva kiskon taipuma, momentti ja leikkausvoima. Menetelmällä voidaann ratkais- vussa 2.1. Tätä mallia voidaan pitää klassisena menetelmänä ratkaista junakuormasta ta epäsuorasti myös kiskon ja pölkyn välinen voima (rail seat load) sekä pölkyn ja tu- välisen rajapinnan alapuolisten jännitysten tarkastelemiseen BOEF-malli ei sovellu. kikerroksen välinen keskimääräinen pystysuuntainen jännitys. Pölkyn ja tukikerroksen [3] BOEF-malli perustuu molempien kiskojen mallintamiseen kuvan 3.1b kaltaisena jat- alustaa kuvana Euler-Bernoullin palkkina kimmoisella Winklerin alustalla. Winklerinn voidaan pitää äärettömän pitkänä jononaa kimmoisia ja toisiinsa kytkemättömiä jou- pyöräkuormaa ja k kuvaa yhden jousen jousivakiota. [ sia. Kuvissa 3.1 ( a) ja (b) esiintyvä Qd kuvaa suunnittelussa käytettävää vertikaalista 3] Kuva 3.1. (a) Periaatekuva todellisesta radasta ja (b) kiskoa kuvaava Euler Bernoullin palkki Winklerin alustalla. [2]

55 53 Winklerin alustan kiskoa pituussuunnassa kannatteleva voima p(x), joka esiteltiin jo aiemmin kuvassa 2.1, voidaan määrittää yhtälöllä: [3] missä p( x) u y( x) (3.1) p (x) on kiskoa puristava viivakuorma kohdassa x [N/mm] x on kiskon suuntainen pituuskoordinaatti [mm] u on ratamoduuli [N/mm/mm] (x) y on kiskon pystysuuntainen taipuma kohdassa x [mm] Yhtälössä 3.1 oleva miinusmerkki johtuu siitä, että p(x) on kuvassa 2.1 vastakkaissuuntainen kuin y-akseli, joka on tässä tapauksessa alaspäin positiivinen. [3] Ottamalla tasapainoyhtälö kiskon taivuttamiseen tarvittavan voiman ja Winklerin alustan taivuttamista vastustavan voiman välillä, saadaan differentiaaliyhtälö 3.2: [3] missä 4 d y EI uy 0 (3.2) 4 dx E on kiskomateriaalin kimmomoduuli [MPa] I on kiskon jäyhyysmomentti [mm 4 ] u ja y ovat kuten yhtälössä 3.1 Differentiaaliyhtälön 3.2 ratkaisu toteutuu seuraavilla reunaehdoilla: [2] 1. y lähestyy nollaa, kun x lähestyy ääretöntä 2. y eli taipuma lähestyy nollaa, kun x lähestyy ±ääretöntä 3. kun x = 0, y = 0 4. kun x = 0, y saa arvon 0,5 Qd Yhtälön 3.2 ratkaisuksi taipumalle saadaan yhtälö 3.3: [3] missä x Q x d x L y( x) e cos sin (3.3) 2uL L L y (x) on kiskon pystysuuntainen taipuma kohdassa x [mm] Q d on pystysuuntainen pyöräkuorma [N] u on ratamoduuli [N/mm/mm] e on Neperin luku 2,718 [-] x on pituuskoordinaatti, origo kuormituspisteessä [mm] L on karakteristinen pituus tai peruspituus (charasteristic length, base length), joka voidaan määrittää yhtälöllä 3.4 [3]

56 EI L u (3.4)) missä E L ja I ja u ovat kuten yhtälössä 3.23 ovat kuten yhtälössä 3.33 Yhtälön 3.3 itseisarvomerkkien syynä onn se, että fysikaalisesti taipuman tulee olla symmetrinen suhteessa akseliin, jonka kautta kuorma välittyy. Vaihtoehtona taipu- maan perustuvalle lähestymistavalle on käyttää kiskon taivutusmomenttia ensisijai- tai- sena muuttujana differentiaaliyhtälössä 3.2. Kiskon taivutusmomentti M saadaan puman toisesta derivaatasta x:n suhteen kertomalla se kiskon miinusmerkkisellä taivutusjäykkyydellää EI seuraavasti: [3] Q M ( x) d 4 L e x L cos x L x sin L (3.5)) Yhtälössä 3.5 esiintyvät merkinnät ovat samoja kuin yhtälöissä 3. 3 ja 3.4. Kuvassa 3.2 on esitetty kiskon taipumamuoto ja taivutusmomentin muoto kiskon pituussuunnas- sa. [2] Kuva 3.2. Kisko kuormituksen alla (yllä), kiskon taipumaviiva (keskellä)( ja taivu- tusmomentti (alla). Muokattu lähteestä [2] Edellä esiteltyjen yhtälöiden 3.3 ja 3.5 kohdalla on huomioitava, että e ne eivät t toteudu sidekiskojatkosten kohdilla. Kiskonjatkok kset eivät kuulu tämän tutkimuksen pääkoh- tiin, joten niitä koskevien yhtälöiden esittely jätetään tämän tutkimuksen ulkopuolel- asettamalla nivel x-akselin nollakohtaan. Tällöin nivelessä taivutusmomentti on nolla, le. Mainittakoon kuitenkin, että BOEF-teorialla voidaan tarkastella kiskonjatkosta mitä voidaan käyttää uutena reunaehtonaa ja johtaa yhtälö taipumalle. [58] Radan jäykkyyden näkökulmasta mielenkiintoinen tekijä on karakteristinen pituus L, joka sisältää kiskon taivutusjäykkyyden lisäksi ratamoduulin. Karakteristiseen pituu- teen on ikään kuin tiivistetty radan jäykkyysominaisuudet [58]. Onn kuitenkin huomioi- karak- tava, että taipuman yhtälössää 3.3 ratamoduuli u esiintyy sekä nimittäjässä että teristisessa pituudessa. Yhdelle karakteristiselle pituudelle L ei ole o olemassaa selkeää

57 55 fysikaalista vastinetta, mutta käytännössä karakteristinen pituus kuvaa taipuvan kisko-osuuden pituutta. Tarkasteltaessa yhtälön 3.4 mukaisen karakteristisen pituuden termejä, voitaneen todeta kiskoteräksen kimmomoduulin E olevan lähes vakio. Kiskon jäyhyysmomentti I vaihtelee kiskoprofiilin mukaan ja esimerkiksi UIC54-kiskon pystysuuntainen jäyhyysmomentti on noin 80 % UIC60-kiskon vastaavasta eli kiskoprofiililla on merkittävä vaikutus karakteristiseen pituuteen [10]. Merkittävin tekijä karakteristisen pituuden muodostumisessa on kuitenkin ratamoduuli, jonka suuruusvaihtelu voi olla jopa kymmenkertaista Useamman akselikuorman yhteisvaikutus BOEF-mallin ollessa lineaarinen, voidaan siihen soveltaa superpositioperiaatetta useamman akseli- tai pyöräkuorman tapauksessa. Esimerkiksi eri etäisyydellä olevien pyöräkuormien yhteisvaikutuksesta syntyvän taipuman yhteenlaskettu suuruus kohdassa x = 0 saadaan yhtälöllä 3.3 laskettujen taipumien summana yhtälön 3.6 mukaisesti. [2] missä y y( x1) y( x2 )... y( x ) yhteenlaskettu, x 0 i (3.6) y yhteenlaskettu, x 0 on yhteenlaskettu taipuma kohdassa x = 0 [mm] x i on pyöräkuorman etäisyys x-akselin nollakohdasta [mm] Myös useamman akselikuorman aiheuttaman taivutusmomentin yhteenlaskettu suuruus voidaan ratkaista samaan tapaan kuin taipumien kohdalla. BOEF-mallin lineaarisuudesta johtuen useamman akselin tapaus ei lisää mallin monimutkaisuutta verrattuna yhden akselin tapaukseen, paitsi yhtälön 3.6 vaatiman yhteenlaskun osalta. [3] Useiden eri etäisyyksillä olevien akseli- tai pyöräkuormien yhteisvaikutus yhtälössä 3.3 esitettyyn taipumaan voidaan esittää myös influenssiviivan avulla. Influenssiviivan muoto syntyy yhtälön 3.3 vakiokertoimettomasta osasta (x), joka on esitetty yhtälössä 3.7. Merkinnät ovat samoja kuin yhtälössä 3.3. [2] x x x L ( x) e cos sin L L (3.7) Kuvassa 3.3 on esitetty kiskon taipuman ja taivutusmomentin influenssiviivat. [10]

58 56 Kuva 3.3. Kiskon taipuman (tummalla) ja taivutusmomentin (punaisella) influens- siviivat. [10] Tietyillä akselivälien ja radan ominaisuuksien yhdistelmillä on olemassa mahdolli- Tällainen tilanne syntyy esimerkiksi akselivälin ollessa π L. suus, että taipuman maksimiarvot verrattuna yhden akselin tilanteeseen pienenevät. [3] Kiskon ja ratapölkyn välinen voima Radan jäykkyystiedon avulla voidaan myös arvioida kiskon alapinnan ja pölkyn ylä- (rail pinnan välisessä kontaktissa syntyviä voimia. Kiskon ja ratapölkyn välinen voima seat load) on merkittävä muuttuja siinä mielessä, että se vaikuttaa edelleen rakenne- kerroksissa ja pohjamaassa syntyviin s jännityksiin. Tämä voima voidaan v yksinkertai- simmillaan ratkaista yhtälön 3.8 mukaisesti. [3] missä S n S n p n c u y n p n c u y n c (3.8)) on kiskon ja pölkyn välinen voima pölkyn n kohdalla [N] on viivakuorma ratapölkyn nro n kohdalla [N/mm] on pölkkyväli [mm] on ratamoduuli [N/mm/ mm] on n:nnen ratapölkyn painuma [mm]] Yhtälö 3.8 olettaaa kunkin ratapölkyn painuman tasaiseksi pölkkyvälien puoliväliin as- että ratapölkkyjen painumat eivät tarkalleen edusta ympäröivää kisko-osuutta, vaan ti. Kuitenkin yhtälön 3.3 mukaisen kuvassa 3.4 esitetyn taipumaviivan muoto osoittaa, ainoastaan juuri ratapölkyn kohdalla aiheutuvaa taipumaa. Taipuman toisen derivaavoimaa. tan saadessa negatiivisia arvoja, yhtälö 3.8 yliarvioi kiskon ja pölkyn välistä Vastaavasti taipuman toisen derivaatan saadessa positiivisia arvoja yhtälö 3.8 aliar- alla vioi kiskon ja pölkyn välisiä voimia. Kuvasta 3.4 nähdään, kuinkaa pyöräkuorman kiskon ja ratapölkyn välinen voima yliarvioituu, sillä ratapölkyn alle a piirrettyjen nelialimmat kulmioiden yhteenlaskettu pinta-ala on suurempi kuin nelikulmioiden, joiden kulmat leikkautuvat taipumaviivasta pois. Samaan tapaan nähdään, että esimerkiksi pyöräkuorman alla olevasta ratapölkystä kahden pölkkyvälin päässä p olevien rata- pölkkyjen ja kiskon välinen voima aliarvioituu. [2]

59 57 Kuva 3.4. Pölkyn painuma ja sen jakautuminen yhtälössä 3.8. [2]] missä S n u y S n u y max x c e L x 0,5c n max x 0,5c n e x L cos x L x sin dx L (3.9) onn kiskon ja pölkyn välinenn voima pölkyn n kohdalla [N] onn ratamoduuli [N/mm/mm] onn ratapölkyn maksimipainuma [mm] onn kiskon suuntainen pituuskoordinaatti [mm] onn pölkkyväli [ mm] onn Neperin luku 2,718 [-] onn yhtälön 3.4 mukainen karakteristinen pituus [mm] Yhtälöllä 3.8 lasketut kiskon ja pölkyn väliset voimat eroavat suhteellisesti paljon to- on dellisista BOEF-mallin arvoista niiden pölkkyjen kohdalla, joiden laskettu taipuma lähellä nollaa. Tästää johtuen kiskon ja ratapölkkyjen välisten voimien summa tyypilli- kis- sesti ylittää pyöräkuorman, mikä ei ole voimatasapainoyhtälön mukaista. Mikäli kon ja ratapölkyn välisen voiman laskemisessa halutaan säilyttäää voimatasapaino, niin voima tulisi laskea yhtälön 3.9 mukaisesti. [2] Useimmissa tapauksissa yhtälöiden 3.8 ja 3.9 antamienn tulosten erot ovat hyväksyt- väliset voimat ovat hieman suurempia kuin voimatasapainon toteuttavan t yhtälön ja ovat si- tävissä rajoissa. Lisäksi yhtälönn 3.8 antamat suurimmat kiskon ja ratapölkyn ten niin sanotusti varmalla puolella. [3] Fiktiivinenn pölkky ja tehokas pinta-ala BOEF-mallissa kiskoa tukeva perustus oletetaan jatkuvaksi. Todellisuudessa kiskon alla olevat ratapölkyt ovat toisistaan irrallisia. Perinteisesti epäjatkuvat todelliset ra- tapölkytt on muunnettu kahdeksii fiktiiviseksii jatkuvaksi pölkyksi p kuvan 3.5 osoittamal- kis- la tavalla. Muunnoksen perustana on ajatus, että pyöräkuormaa tukeva pinta-ala ko-osuutta kohden on sama sekä todellisilla että fiktiivisillä pölkyillä. Tätä kutsutaan tehokkaaksi pinta-alaperiaatteeksi. [2]

60 58 Kuva 3.5. Todellisten ratapölkkyjen (vas.) muuntaminen fiktiivisiksi kiskon pituus- suuntaisiksi pölkyiksi (oik.).. [3] Kuvassa 3.5 vasemmalla puolella olevienn todellisten ratapölkkyjen alapinnassa vaisaadaan kuttava jännitys oletetaan jakautuneeksii tehokkaallee pinta-alalle Aeff, joka vähentämällä ratapölkyn pohjan todellisesta kokonaispinta-alasta Atod ratapölkyn keskellä oleva jännityksettömäksi oletettuu alue A0 yhtälön 3.10 mukaisesti. [2]] missä A eff A tod A 0 d l m A eff A tod A 0 d l d m d l on ratapölkyn alapinnan tehokas pinta-ala pinta-ala [mm2] on ratapölkyn alapinnan jännityksettömäksi oletettu alue [mm2] on todellisen ratapölkyn leveys [mm] [mm2] on ratapölkyn alapinnan todellinen on ratapölkyn pituus [mm] on ratapölkyn keskellä olevan kantamattoman alueen pituus [mm] m (3.10) Skoglundin [3] mukaan ratapölkyn keskellä olevan kantamattoman alueen pituudeksi voidaan olettaa 500 mm, mutta oletukselle ei ole annettu perusteita. Fiktiivisen pöl- pölkky- kyn leveys saadaan todellisen ratapölkynn tehokkaan pinta-alan puolikkaan p jaa välin avulla yhtälön 3.11 mukaisesti. missä b c d, l ja m d b l m 2c on fiktiivisen pölkyn leveyss [mm] on pölkkyväli [ mm] ovat kuten yhtälössä (3.11)

61 Ratapölkyn ja tukikerroksen välinen jännitys Ratapölkyn ja tukikerroksen välinen jännitys voidaan ratkaista jakamalla kiskon ja ratapölkyn välinen voima fiktiivisen pölkyn pinta-alalla yhtälön 3.12 tapaan, jossa ratapölkyn ja tukikerroksen välinen jännitys oletetaan tasaisesti jakautuneeksi. [2] missä n Sn 2Sn bc d l m (3.12) n S n b, c, d, l ja m ovat kuten yhtälöissä 3.10 ja on pölkyn nro n alapinnan ja tukikerroksen välinen jännitys [N/mm2] on kiskon ja ratapölkyn välinen voima pölkyn nro n kohdalla [N] Yhtälöä 3.12 tarkasteltaessa havaitaan, että sen sisältämä Sn sisältää ratamoduulin eli radan kokonaisjäykkyyden avulla voidaan arvioida kuormituksen jakautumista radan pituussuunnassa. Koska radan jäykkyystietoa ei ole aina ollut saatavilla, on kuormituksen jakautumisesta kehitelty luvussa 2.4 esitellyt Raymondin [52] ja Riessbergerin [53] yksinkertaistukset Raidealustaluku Raidealustaluku (foundation coefficient) voidaan Skoglundin [3] mukaan esittää ratamoduulin ja fiktiivisen pölkyn leveyden suhteena yhtälön 3.13 mukaisesti. missä C u b u C (3.13) b on raidealustaluku [N/mm3] on ratamoduuli [N/mm/mm] on fiktiivisen pölkyn leveys [mm] Raidealustaluvulle on myös muita määritelmiä, kuten esimerkiksi Riessbergerin [53] raidealustaluvun (bearing coefficient) määritelmä ratapölkyn alapinnan ja tukikerroksen välisen tasaisen jännityksen ja ratapölkyn pystysuuntaisen siirtymän suhteena yhtälön 3.14 esittämällä tavalla. missä C y n n C n (3.14) y n on raidealustaluku [N/mm3] on n:nnen pölkyn ja tukikerroksen välinen tasainen jännitys [N/mm2] on n:nnen ratapölkyn pystysuuntainen siirtymä [mm] Skoglundin [3] ja Riessbergerin [53] raidealustalukujen määritelmät eroavat hieman toisistaan. Skoglundin määritelmässä siirtymän tarkastelukohta on heti kiskon alapinnassa, kun taas Riessbergerillä ratapölkyssä. Tämä johtaa siihen, että Skoglundin määritelmä huomioi myös alus- tai välilevyjen kokoonpuristumisen, toisin kuin Riessbergerin määritelmä. [2]

62 60 Skoglundin raidealustaluvun yhtälö 3.13 voidaan esittää myös yhtälön 3.15 muodossa. missä u b C (3.15) u, b ja C ovat kuten yhtälössä Yhtälön 3.15 perusteella ratamoduuli jakautuu Skoglundin [3] mukaan kahteen erilaisia tekijöitä huomioon ottavaan termiin. Fiktiivisen palkin leveys b huomioi ratapölkyn muodon, pölkkyvälin ja ratapölkyn keskellä olevan jännityksettömän alueen. Raidealustaluku taas huomioi alus- ja välilevyjen, ratapölkyn, rakennekerrosten ja pohjamaan resilient- eli jännitys-muodonmuutos -ominaisuudet Radan tietokonemallintamiseen perustuvat laskelmat Radan toiminnan mallintamisen nopeuttamiseksi on kehitetty useita erilaisia tietokoneella käytettäviä ratamalleja. Mallit voivat perustua BOEF-teorian mukaisiin yhtälöihin tai täysin numeerisiin laskentamenetelmiin, kuten elementtimenetelmään. Erilaisia ratamalleja ovat muun muassa Illinoisin yliopiston kehittämä FEM-malli ILLITRACK, kolmidimensionaalinen kerrosrakennemalli GEOTRACK ja pääosin edellisen kaltainen KENTRACK. [8] Tämän tutkimuksen puitteissa ei käsitellä tämän syvällisemmin radan kuormituskäyttäytymisen mallintamista tietokoneavusteisesti. Mainittakoon kuitenkin, että TTY:n Rakennustekniikan laitoksen Elinkaaritehokas RAta (TERA) -Tutkimusohjelman puitteissa kehitetään parhaillaan elementtimenetelmään perustuvaa radan kuormituskestävyyden tarkasteluun tarkoitettua ratamallia. 3.2 Radan jäykkyyden määritysmenetelmät Tyypillisesti radan jäykkyyden tai ratamoduulin määrittäminen perustuu kiskon taipumaan staattisen kuormituksen alla. Tässä raportissa määritysmenetelmällä tarkoitetaan menetelmää, jolla mitattu taipuma voidaan laskennallisesti muuttaa jäykkyydeksi. Mittausmenetelmällä tarkoitetaan menetelmää, jolla saadaan selville taipuman suuruus jonkin määritysmenetelmän käyttöä varten. Käytännössä taipuman selvittäminen vaatii in situ -mittauksia, joissa käytettäviä mittausmenetelmiä esitellään luvussa 4. Yleisimmät ratamoduulin määritysmenetelmät ovat: [2], [4] Taipumamuotoon perustuva testi (deflection basin/deflection-area test) Yksittäisen pisteen tai akselin kuormitustesti (single load point test) Moniakselikuormitustesti (multiple axle vehicle load test) Taipumamuotoon perustuva testi Taipumamuotoon perustuva testi perustuu kiskoon vaikuttavien pystysuuntaisten voimien tasapainotilaan kuvan 3.6 mukaisesti. [2]

63 61 QQ p( x) dxx uy( x) dx (3.16) missä Q u A y y ( x) dx tai Q u ua (3.17) Kuva 3.6. Kiskoon vaikuttavat pystysuuntaiset voimat. [4] Kuvan 3.6 mukainenn pystysuuntaisten voimien tasapainotila voidaann ilmaista yhtälöl- rata- lä 3.16, josta seuraaa yhtälö oletettaessa ratamoduulin olevan vakio. Vaikkaa moduulin suuruus vaihteleekin huomattavasti radan pituussuunnap assa, niin lyhyillä, alle kymmenen ratapölkkyä kattavilla mittausosuuksilla oletus on kohtuullisen perus- teltu. Merkinnät ovat yhtälöidenn 3.1 ja 3.2 mukaisia. [4] onn alue, joka jää alkuperäisen ja taipuneen kiskon väliin y missä u c n m n j 1 m i n Q y i (3.18) on kiskoa kuormittavien pyörien lukumäärä on kuormituksen alla painuvien ratapölkkyjen lukumäärä Mikäli jokaisen ratapölkyn pystysuuntainen painuma on mitattu, voidaan ratamoduuli ratkaista yhtälöllä 3.18, kun edellä mainittu alue Ay lasketaan ratapölkkyvälin c ja ra- aino- tapölkkyjen painumien yi summattuna tulona. [4] Tämä pätee yleensä kuitenkinn astaan puuratapölkkyraiteella, sillä betoniratapölkkyraiteella kiskonn ja ratapölkyn vä- lisen välilevyn vaikutus kadotetaan yhtälöä 3.18 käytettäessä. Jos radan kuormitus-taipuma-käyttäytyminen olisi lineaarista kuvan 2.23 käyrän a tapaan, ratamoduuli olisi riippumaton kuormituksesta Q. Q Kuten jo luvussa 2.3 todet-t tiin, tyypillisesti kuormituksen ja taipuman suhde on epälineaarinen, jolloin ratamo- duulin arvo riippuu kuormitustasosta kuvan 2.23 käyrän b mukaisesti. [4]

64 62 Kuva 3.7. Havainnekuva ratamoduulin määrittämisessä käytettävistä kuormitus- väleistä. Muokattu lähteestää [4] Ratapölkyn alainen tyhjätila voidaan huomioida ratamoduulin määrittämisessä valit- että semalla taipumaväliksi kuvassa 3.7 esitetty väli yh y0 välin y0 0 sijaan siten, taipumaa y0 vastaava kuormitus Q0 on vähintään ratapölkyn asettumiskuorman suuruinen. Tällöin yhtälö 3.18 saaa yhtälön 3.19 mukaisen muodon. [2], [4] u n j 1 c m i n Q h y h Q 0 y 0 j n (3.19) Taipumamuotoon perustuva testi vaatiii taipumamittaukset ko ko taipumasuppilon pituudelta ja on siten melko työläs. Lisäksi, kuten luvussa havaittiin, menetel- olevat män tarkkuus ei välttämättä parane otettaessa kauempana kuormituskohdasta pölkyt mukaan tarkasteluun, mutta tämä saattaa olla välttämätöntä pystysuuntaisen tasapainoehdon täyttymiseksi. Menetelmän etuna on soveltuvuuss sekä yksittäis- että moniakselikuormitukseen ja se, että menetelmä huomioi yhtä pistettä laajemman osuuden radasta. [3], [8] Taipumamuotoon perustuvan testin yhteydessä y ei tarvita tietoa kuormituksen jakaantumisesta radan pituussuunnassa, sillä menetelmä huo- mioi koko taipumasuppilon alueen, mikä vastaa koko kuormituksen vaikutusaluetta Yksittäisen pisteen tai akselin kuormitustesti Yksittäisen akselin tai pisteen kuormitustesti vaatii ainoastaan yhden y taipumamitta- & Wa- uksen suoraan yksittäisen akselikuormituksen tai kuormituspisteen alla. Selig ters [8] nostavat sen parhaaksi jäykkyyden määritysmenetelmäksi ja esittävät kuvan 3.8 kaltaista kuormituslaitteistoa testin tekemiseen.

65 63 Kuva 3.8. Yhden pisteen kuormitustestilaitteisto radan taipumann mittaamiseen. [8] Yksittäisen pisteen tai akselin kuormitustestissä radan jäykkyys voidaan laskeaa suo- raan yhtälön 2.2 avulla ja ratamoduuli yhtälön 2.4 avulla. Radan kuormitus-taipuma- käyttää yhtälöä Merkinnätt vastaavat kuvan 3.7 jaa yhtälön 3.19 merkintöjä. [3], käyttäytymisen epälineaarisuuden huomioimiseksi jäykkyyden laskemisessa voidaan [4] K y Q h max h Q y 0 max 0 (3.20) Huolellisesti toteutettuna yhden pisteen kuormitustes sti antaa luotettavia tuloksia. Skoglundin [3] mukaan taipuman mittaaminen useampiakselisen telin jonkun akselin alta saattaa heikentää menetelmän tarkkuutta johtuen telin t muiden akseleiden vaiku- tuksesta mittaustulokseen. Zarembski & Choros [59] suosittelivat käyttämään määri- tyksessä kuormitustasoa, joka on lähellä todellisesta liikenteestä aiheutuvaa kuormi- käytettiin akselikuormia kn [6] ja kuvan 3.8 laitteistolla tehdyissä TTCI:n mittauksissa käytettiin 44,5 178 kn kuormitusväliä [60]. tusta. Esimerkiksi EUROBALT III -projektissa yhtälön 3.20 mukaisena kuormitusvälinä Moniakselikuormitustesti Moniakselikuormitustesti, mikä tarkoittaa usein käytännössä kahtaa tai kolmea akse- esittelivät Zarembski & Choross [59], johon Cai et al. [61][ on esittänyt yhtälön 3.21 lia, voidaan nähdä jatkeena j yhden akselin kuormitustestille. Alun perin menetelmän mukaisen iteratiivisen ratkaisun. Yhtälö on voimassa vain, v kun Qi on vakio eli rataa kuormittavat eri etäisyydellä olevat akselit ovat samanpainoisia [2]. missä u y L Q max i i u 2 1 n Q i ymax L i 1 i on ratamoduuli [N/mm/mm] on kiskon maksimitaipuma kuorman Q vaikutuksestaa [mm] on karakteristinenn pituus yhtälön 3.4 mukaisesti [mm] on i:nnes pyöräkuorma [N] on influenssiviivan arvo yhtälön 3.7 mukaisesti [-] on sallittu virhe [ N/mm/mm] (3.21)

66 64 Toinen vaihtoehto yhtälölle 3.21 on verrata yhtälöllää 3.3 laskettua kiskon taipumaa mitattuun taipumaan. Tämän jälkeen taipumat saatetaan yhtä suuriksi iteroimalla taipuman yhtälöää 3.3 ratamoduulin u suhteen. [3] Moniakselikuormitustestiä käyttämällä päästään eroon virheestä, jonka telin muut akselit mahdollisesti aiheuttavat yksittäisen akselin kuormitustes stissä, muttaa samalla jäykkyyden määrittäminen monimutkaistuu huomattavasti Jäykkyyden määritysmenetelmien vertailu Read et al. [60] ovat vertailleet taipumamuotoon perustuvalla testillä ja yksittäisen pisteen kuormitustestillä saatavia ratamoduulin arvoja. Tutkimuksessa radan kuor- tehtiin mittamiseen käytettiin kuvan 3.8 mukaista kuormituslaitteistoa ja j mittauksiaa sekä joustavaa pohjamaata että jäykempää pohjamaata edustavilla rataosuuksilla TTCI:n testiradalla Pueblossa Yhdysvalloissa. Joustavan pohjamaan saavuttamiseksi tietylle rataosuudelle tehtiin kuvan 3.9 mukainen massanvaihto o, jossa luonnollinen pohjamaa vaihdettiin saveksi. Savi tiivistettiin % vesipitoisuudessa 90 % kuivatilavuuspainoon ASTM D698-testinn mukaisestaa maksimikuivatilavuuspainosta ja se ympäröitiin muovikalvolla kuivumisen estämiseksi. Kuva 3.9. Havainnekuva joustavammj man pohjamaan saavuttamiseksi tehdystä sa- Muokattu lähteestä vimassanvaihdosta sekä ratarakenteen osista ja kerrospaksuuksista. [60] Savimassanvaihdolla saavutetun joustavamman pohjamaan ja testiradan luonnollisen pohjamaan välinen suhteellinen lujuusero on havaittavissa kuvan 3.10 CPTpinnalta profiileista (Conee Penetrationn Test). Kuvassa syvyys on mitattu välikerroksen alaspäin. Luonnollisen pohjamaan muistaa ominaisuuksista ei ole tarkempaa t tietoa.

67 65 Kuva Savimassanvaihdolla varustetun pohjamaan (vas.) ja luonnollisen poh- jamaan (oik.) CPT-profiilit. [60] Ratamoduulin määrittämistä varten Read et al. [60] mittasivat kiskon taipumiaa suo- raan kuormituksen alla olleen ratapölkyn kohdalla sekä taipumamuodon selvittämi- seksi myös viiden peräkkäisen ratapölkyn kohdilla kuormituksen alaisesta ratapölkys- kuormitusväliltä ja kuvassa 3.77 esitettyä tukeutumisk uormaa (seating) vastaavana kuormitusvälinä tutkimuksessa käytettiin väliä 0 44,5 kn ja kontaktia (contact) vas- tä molempiin suuntiin. Tutkimuksessa ratamoduuli määritettiin m erikseen kahdelta taavanaa välinä 44,5 178 kn. Taipumamuotoon perustuvassa testissä Read et al. [33] olettivat ratamoduulin vakioksi ja käyttivät sen määrittämiseen yhtälöä Yksittäi- sen pisteen kuormitustestissä tutkimuksessa laskettiinn ensin jäykkyys yhtälön 3.20 mukaisesti, minkä jälkeen j jäykkyys muunnettiin ratamoduuliksi yhtälön 2.4 avulla. Mittaustulosten perusteella lasketut ratamoduulit on esitetty taulukossa 3.1. Taulukkoa 3.1 tarkasteltaessa vaikuttaisi siltä, että ratamoduulin suuruus voi vaihdel- että taipumamuotoon perustuvalla testillä on saatu kontaktikuormitusväliltä syste- la huomattavasti riippuen käytetystä määritysmenetelmästä. Taulukosta nähdään, maattisesti pienemmät ratamoduulit kuin yksittäisen pisteen kuormitustestillä. Rea- mu- din et al. [60] mukaan tämä johtuu siitä, että yksittäisenn pisteen kuormitustestin kainen yhtälö 2.4 olettaa kiskon taipumamuodon sen taivutusjäykt kkyyden EI mukai- seksi ja ratapölkkyjen tukeutumistilanteen tasaiseksi koko kuormituksen vaikutusalu- eella. Taipumamuotoon perustuvassa testissä yllä mainittuja oletuksia ei tehdä, vaan kiskon taipumamuoto mitataan kunkin ratapölkyn kohdalla erikseen.

68 66 Taulukko 3.1. Yksittäisen pisteen kuormitustestin ja taipumamuotoon perustuvan tes- läh- tin avulla kahdelta kuormitusväliltä lasketut ratamoduulit. Muokattu teestä [60] Read et al. [60] toteavat, että yksittäisen kuormituspisteen avulla määritetty radan jäykkyys tai ratamoduuli tarjoaa yksinkertaisen suureen arvioida radalla liikkuvan ka- alai- luston kokemaa kuormitettua rataprofiiliaa ja radan käyttäytymistää kuormituksen sena. He kuitenkin jatkavat, että taipumamuotoon perustuva testi antaa mahdollisesti yhden kuormituspisteen testiä paremmann kuvan radan tukeutumisesta ja tarkemman arvon ratamoduulille. Tästä johtuen eri määritysmenetelmien perusteella lasketut ra- tamoduulit tulisi jotenkin erottaa toisistaan.

69 67 4 Radan jäykkyyden pistemäiset mittausmenetelmät Tässä luvussa esitellään kirjallisuudesta löydetyt radan jäykkyyden pistemäiset mittausmenetelmät, joiden ominaisuuksia sekä soveltumista käytettäväksi Suomessa arvioidaan valittujen kriteereiden perusteella. Jatkuvia mittausmenetelmiä käsitellään luvussa 5. Kirjallisuudesta löydettiin myös joitain sovelluksia, kuten esimerkiksi CPT-testi [16] ja Panda [62], joiden toiminta perustuu rakenteen kykyyn vastustaa siihen tunkeutuvaa kärkeä. Vaikka nämä mittaussovellukset sinällään antavat käyttökelpoista tietoa kunkin rakennekerroksen ominaisuuksista, eivät ne suoranaisesti mittaa radan jäykkyyttä ja ovat usein työläitä toteuttaa. Tämän vuoksi tämänkaltaiset rakennetta rikkovat sovellukset jätetään tämän tutkimuksen ulkopuolelle. Pistemäisiä mittausmenetelmiä voidaan jaotella useiden periaatteiden, esimerkiksi kannettavuuden mukaan. Menetelmät voidaan myös jakaa melko yksiselitteisesti tarvittavan kuormituksen itse tuottaviin menetelmiin tai erilaisiin radalla liikkuvaa kalustoa kuormituksena hyödyntäviin radan instrumentointeihin. Jotta radalla liikkuvaa kalustoa voidaan hyödyntää mittauksissa, olisi tiedettävä kuormituksen suuruus. Suuruus saadaan selville mittaamalla kaluston akselipainot [63] tai arvioimalla ne kalustotyypin perusteella. Akselipainojen mittaamista on käsitelty esimerkiksi Liikenneviraston selvityksessä 22/2010 Ratapenkereiden monitorointi. 4.1 Pudotuspainolaite Pudotuspainolaite (Falling Weight Deflectometer, FWD) on varsinkin tiepuolella yleisesti käytetty kantavuuden mittausmenetelmä. Pudotuspainolaitteessa on vapaasti putoava paino, jota pudotetaan tietyltä korkeudelta ja pudotuksen aiheuttamaa rakenteen pinnan palautuvaa painumaa eli taipumaa mitataan geofoneilla (ks. luku 4.4) tai kiihtyvyysantureilla (ks. luku 4.5) sekä suoraan kuormituksen alta että useilta etäisyyksiltä kuormituskohdan vierestä. Mittausten avulla saadaan määritettyä niin sanottu taipumasuppilo, jonka avulla voidaan takaisinlaskea myös eri kerrosten jäykkyydet. Tarkempi kuvaus pudotuspainolaitteesta suomeksi on esitetty esimerkiksi Liikenneviraston selvityksessä 10/2011 Radan eristys- ja välikerrosten tiiviys- ja kantavuustutkimus. [36] Isossa-Britanniassa on käytetty pudotuspainolaitetta radan jäykkyyden mittaamiseen modifioimalla peräkärryssä olevaa laitetta siten, että se pystyy liikkumaan kiskoja pitkin kuvan 4.1 tapaan. Herefordshiressä tehdyissä koemittauksissa 125 kn kuorman aiheuttava paino pudotettiin kiskoista irrotetun pölkyn päälle kumipäällysteisen, voima-anturilla varustetun aluslevyn ja 1,1 m pitkän palkin välityksellä. Palkin tukipisteet sijaitsivat lähellä kiskojen kiinnityskohtia jakaen kuormitusta enemmän ratapölkkyjen päille keskikohdan sijaan. Kuormitusimpulssin kesto mittauksissa oli noin 40 ms. Tämän systeemin ajatellaan tuottavan radalla suurella nopeudella liikkuvan yksittäisen akselin kaltaisen kuormituksen [6]. Vaikka pudotuspainolaitteen kuormitustapahtuma on luonteeltaan dynaaminen, käytetään mitatusta jäykkyydestä useissa lähteissä käsitettä kvasistaattinen ratapölkyn alapuolinen jäykkyys (quasi-static sleeper stiffness) [64]. [65]

70 68 Kuva 4.1. Yleiskuva mittauksissa käytetystä modifioidusta pudotuspainolaitteesta. [66] Painon pudottamisen aiheuttaman taipumasuppilon mittaamiseen käytetyt geofonit sijoitettiin kuormituskohdan lisäksi 300 mm, 1000 mm ja 1500 mm päähän kuormi- tehtiin kahdessa osassa kuormitetun ratapölkyn molemmin puolin. tuskohdasta kuvassa 4.2 esitetyllä tavalla. Kuvan mitat ovat metrejä ja mittaukset [65] Kuva 4.2. Pudotuspainolaitemittausten mittausjärjestelyt ja geofonien sijoittelu pudotuskohdan suhteen. [65] Mittausosuudellaa ratarakenne koostui 0,,7 m paksuisesta tukikerroksesta, josta alin 0,5 m oli huonolaatuista. Tukikerroksenn alapuolellaa oleva pohjamaa koostui ensin 2,25 m paksuisesta, jäykkyydeltään vaihtelevasta savikerroksesta ja sen alapuolella 7,85 m paksuisesta hiekkaisesta/soraisesta kerroksesta. Kuvassaa 4.3 on esitetty mit- olevan tauksin saadut normalisoidut taipumat. Kuvasta voidaan havaita taipumienn kuormituskohdan alla noin 1,5 2,0 mm ja 1000 mm päässä olevan geofonin kohdalla

71 69 Kuva 4.3. Pudotuspainolaitemittauksin saadut taipumaprofiilit. [65] noin 0,4 0,5 mm. [65] Valitettavasti artikkelissa ei olee esitetty taipuma-arvojaa vas- ra- taavia jäykkyyksiä, sillä mittaukset tehtiin enemmänkin taipumadatan saamiseksi tamallin luomista varten kuin varsinaisen jäykkyyden mittaamiseksi.. Erään toisen tutkimusprojektin yhteydessä tehtiin myöss pudotuspainolaitemittauksia 405 metrin pituisella rataosuudella kahdella vierekkäisellä raiteellaa samalla seudulla kuin edellä esitellytt mittaukset.. Tällä osuudella tukikerros oli 0,6 m paksuinen,, josta alin 0,3 m oli pohjamaan saviseen silttiin sekoittunutta. Pohjavedenpinta sijaitsi tuki- ker- kerroksessa noin 0,5 m syvyydellä. Tukikerroksen alapuolella oli 0,44 m paksuinen ros savista silttiä, jonka alapuolella 2,4 m paksuinen kerros jäykkyydeltään vaihtele- saakka, mihin maaperätiedot loppuvat. [64] vaa savea. Savikerroksen alapuolella maaperä oli hiekkaa/soraa 8,6 m syvyyteen Mittauksin saatu taipumaprofiili on esitetty kuvassa Kuvan oikeassa reunassa olevat aikaisemmat profiilit on mitattu 6 kuukautta ennen koko rataosuuden kattavia mittauksia. Näissä mittauksissa a käytetyt geofonien etäisyydet kuormituspisteestä on ilmoitettu kirjaimen d jälkeen millimetreinä. [64]

72 70 Kuva 4.4. Pudotuspainolaitemittauksin saatu taipumaprofiili. [64][ Kuormituksen ja taipumatietojen perusteella voidaan laskea radan eri osien jäykkyyk- usein kuormituksen sekä kuormituslevynn kohdalla olevan ja mm päässää olevan siä. Esimerkiksi tukikerroksen sekä senn alapuolisen kerroksen jäykkyys lasketaan geofonin mittaamien taipumien avulla yhtälön 4.1 mukaisesti. Osoittajassa oleva 62,5 kn tulee pudotuspainon aiheuttaman kuorman 125 kn puolikkaasta, sillä jäykkyys ilmoitetaan yhdellee ratapölkyn päälle. [6] missä K K d 0 d ,5 d 0 d (4.1)) = jäykkyys [ kn/mm/pölkyn pää] = taipuma kuormituslevyn kohdalla [mm] = taipuma 1000 mm päässä kuormituslevystä [mm] Kuvassa 4.5 on esitetty kuvan 4.4 taipumatietojen perusteella lasketut jäykkyydet. Artikkelista ei yksiselitteisesti käy ilmi kuinka jäykkyydet on laskettu, muttaa ainakin tarkastuslaskelmien perusteella vaikuttaisi siltä, että jäykkyyksienn määrittämiseen on käytetty yhtälöä 4.1 ja juuri siinä s esitettyjen geofonien kohdilla syntyneitä s taipumia. Hieman epäselväksi jää, mitä osaa ratarakenteesta kyseiset jäykkyydet kuvaavat, sillä Berggrenin [6] mukaan d1000 avulla voidaan kuvata tukikerroksen sekä väli- jaa eristys- tai- kerroksen jäykkyyttä kun taass Burrow n ett al. [65] mukaan d1000 kuvaa pohjamaan pumia. Ristiriita selittynee eri maille tyypillisten ratarakenteidenn eroilla. Esimerkiksi Isossa-Britanniassa tukikerros sijaitsee usein suoraan pohjamaan päällä, kun taas Ruotsissa samallaa syvyydellä sijaitsee alusrakenteen väli- ja eristyskerrokset. [64]

73 71 Kuva 4.5. Kuormitus- ja taipumatietojen perusteella lasketut jäykkyydet. [64]] Pudotuspainolaitteesta on kehitetty myös kevyempiä, kannettavia k sovelluksia (Light Falling Weight Deflectometer, LFWD), joiden pudotuspainon massa on tyypillisesti kg, pudotuskorkeus alle metrin ja kuormituslevyn halkaisija mm. Kevy- essä pudotuspainolaitteessa ei ole erillisiä geofoneja, vaan v taipumaa mitataan aino- astaan pudotuskohdasta. Kevyehkön kuormituksen takiaa kannettavan laitteen kuormi- tusvaikutus ei ulotuu kovin syvälle eli laite ei sovellu sellaisenaan radan kokonaisjäyk- kyyden mittaamiseen. Kevyttä pudotuspainolaitetta on kuitenkin käytetty rataympä- ha- ristössä esimerkiksi ratapölkynn alaisten tyhjätilojen havaitsemiseen, mihin sen vaittiin olevan varsin käyttökelpoinen menetelmä [67]. [ 36] Arvioitaessa pudotuspainolaitteen soveltuvuutta radan jäykkyyden mittaamiseen, menetelmän etuja ovat laaja käyttökokemus tieympäristöstä, laitteiden helpohko saa- Li- tavuus sekä ainakinn likimäärin radalla liikkuvaa kalustoa vastaava kuormitustaso. säksi varsinainen mittaustapaht tuma on nopea, osa tuloksista saadaan heti käyttöön ja mittauksia voitaneen tehdä myös Suomen oloissa ympäri vuoden. Pudotuspainolaitteen käytöllä radan jäykkyyden mittaamiseen saattaa olla useita ravoida joituksia tai epävarmuuksia. Ensinnäkin laite itsessään on o melko suuri eli sitä ei kantaa mittauspaikalle, vaan laitteen täytyy pystyä liikkumaan kiskoja pitkin joko omalla moottorilla tai t työnnettynä/vedettynä. Samalla laite l varaa radan eli radalla ei voida liikennöidä normaalisti mittausten aikana ja lisäksi työvälinn tulee olla melko pitkä, sillä laitetta ei voida käsivoimin nostaa pois kiskoilta mittausten välillä sen koon takia. Vaikka varsinainen mittaustapahtuma on nopea, voi valmisteleviin toimiin kulua pal- Ai- jonkin aikaa ja kerrallaan voidaan kuormittaa/mitata ainoastaan yksi ratapölkky. nakin aiemmin esitellyissä mittauksissa kuormitettava ratapölkky oli irrotettu kiskois- Tä- ta ilmeisesti kiskonkiinnityksenn kuormitusta vastustavien voimien poistamiseksi. hän kuluu jonkin verran aikaa jaa lisäksi kiskojen takaisinkiinnittämisessä mittauksen jälkeen on oltava huolellinen. Toinen mittauksia hidastava tekijä saattaa aiheutua tujoten kikerroksen pinnasta. Tukikerroksen pinta on tyypillisesti hyvin epätasainen, kaikki geofonit eivät välttämättä asetu tasaisesti mitattavalle pinnalle ja tuloksiin

74 72 saattaa syntyä virhettä. Virheiden todennäköisyyttä voidaan vähentää tekemällä mittaus mahdollisimman huolellisesti tai asettamalla myös uloimmat geofonit kiskoista irrotettujen ratapölkkyjen päälle. Kuormitetun ratapölkyn päältä mitatun maksimitaipuman arvon voitaneen olettaa olevan luotettava. Kuormituksen säätely pudotuspainolaitteella on mahdollista esimerkiksi pudotuskorkeutta muuntelemalla, mutta tämä vaatii aina ylimääräisen pudotuksen. Menetelmällä saatavia tuloksia ja niiden käsittelyä arvioitaessa, voidaan todeta, että kuormitetun ratapölkyn päältä mitatun maksimitaipuman avulla voidaan laskea radan jäykkyys yhtälöstä 2.2 yksittäisen pisteen kuormitustestin mukaisesti sillä erotuksella, että pudotuspainolaitteen tapauksessa taipuma kuvaa ratapölkyn painumaa kiskon taipuman sijaan. Lisäksi eri etäisyyksille sijoitettujen geofonien avulla saadaan selville taipumaprofiilin muoto ja voidaan arvioida myös eri rakennekerrosten jäykkyyksiä. Taipumaprofiilin avulla saattaa olla mahdollista käyttää jäykkyyden määritysmenetelmänä luvussa esiteltyä taipumamuotoon perustuvaa testiä. On epävarmaa, voidaanko mittaustuloksesta erottaa ratapölkyn alapuolisen tyhjätilan vaikutus taipuman suuruuteen kuormituspisteessä, mutta tyhjätilan suuruuden arvioiminen taipumaprofiilista saattaisi olla mahdollista. Pudotuspainolaitemittauksissa tieto ratapölkyn yläpuolisten radan osien, kuten kiskon ja välilevyn, vaikutuksesta radan kokonaisjäykkyyteen jää edellä esitellyllä tavalla toteutettavissa mittauksissa saavuttamatta. 4.2 Mittausvaunut Jäykkyyden mittaamiseen käytetyt mittausvaunut (Track Loading Vehicle, TLV) hyödyntävät omaa painoaan radan kuormittamiseen. Tyypillisesti kuormituksen kohdistaminen tapahtuu hydraulisten tunkkien avulla ja kuormitus kohdistetaan kiskojen päälle. Kuormitus voidaan kohdistaa myös ratapölkkyyn, joka on irrotettu kiskoista. Kuormituksen suuruus ja sen säätelymahdollisuudet vaihtelevat vaunukohtaisesti. [6] Maailmanlaajuisestikaan ei ole olemassa kovin montaa mittausvaunua. Yhdysvalloissa on ainakin Tranportation Technology Centerin (TTCI) kehittämä mittausvaunu sekä jo 1980-luvulla AAR:n (Association of American Railroads) tutkimusprojektin yhteydessä alun perin raideleveyden pysyvyyden tutkimiseen kehitetty DECAROTOR, jota on ajan kuluessa modifioitu paremmin erilaisiin tutkimustarkoituksiin sopivaksi. Alkuaikoina DECAROTOR:n pystysuuntainen maksimikuorma oli 9000 kg eli melko vähäinen. Kuormitusmahdollisuuksien kehittymisestä ajan kuluessa ei ole DECAROTOR:n osalta tarkempaa tietoa. DECAROTOR:n mittauksessa kuormitus kohdistetaan telikeskiöväliltään noin 12 metrisen mittausvaunun keskellä sijaitseviin kuormituspyöriin hydraulitunkkien välityksellä ja mittauslaitteisto sijaitsee seuraavassa vaunussa. Nykyaikaisempi, TTCI:n käytössä oleva, kuvassa 4.6 esitetty mittausvaunu pystyy kuormittamaan kiskoa kn staattisella kuormituksella. [6], [68]

75 73 Kuva 4.6. TTCI: :n mittausvaunu. [69] Etelä-Afrikassa on kehitetty BSSM:ksi kutsuttu mittausvaunu. BSSMM pystyy kuormit- ratapölkyn pystysuuntainen painuma mitataan kuormituslaitteistosta erilliseen palk- tamaan kiskoja kahden itsenäisen hydraulitunkin avulla. Kuormituksen aiheuttama kiin kiinnitettyjen kallistusanturien avulla kuvan 4.7 mukaisesti. Laitteiston maksimi- kuormitustaso ei käynyt lähdeaineistosta ilmi, mutta see pystyy ainakin 128 kn kuor- mitukseen kiskoa kohden kummallekin kiskolle samanaikaisesti. [70] Kuva 4.7. Periaatekuva BSSM-mittausvaunusta ja sen toiminnasta. [70] Fröhlingin [70] väitöksessään esittelemissä mittauksissa BSSM:lle käytettiin kuormi- tehtiin t tus-portaita 0, 29, 49, 78 ja 1288 kn molemmille kiskoille erikseen. Mittauksia jokaisen ratapölkyn kohdalla 150 ratapölkyn pituisella osuudella pölkkyvälin ollessa 650 mmm ja raideleveyden ollessa 1140 mm. Kuvassa 4.84 on esitetty radan rakenne mittausosuuden keskivaiheilla ratapölkyn nro 77 kohdalla. Mittausosuus sijaitsii koko pituudeltaan leikkauksessa.

76 74 Kuva 4.8. Ratarakenne mittausosuude ella ratapölkyn nro 77 kohdalla. [70] Väitöksessä ei suoranaisesti esitetty mittausten perusteella laskettuja jäykkyysarvoja, sillä tuloksia käytettiin ensisijaisesti ratamallin luomiseen. Jäykkyys esitettiinn kuiten- eh- kin laskettavaksi kuvassa 4.9 esitellyllä tavalla. Kuvasta havaitaan, että jäykkyys dotetaan laskettavaksi staattisesta pyöräkuormasta Ps dynaamisten kuormituslisien P avulla interpoloitujen painumien ys2 jaa ys1 perusteella. Dynaaminen kuormituslisä saadaan kertomalla staattinen pyöräkuorma Ps jollain kertoimella. Fröhlingin mukaan hyvä oletusarvo kyseiselle kertoimelle on 0,3. [70] Kuva 4.9. Radan jäykkyyden laskemiseen käytettäviksi ehdotettujen parametrien havainnollistaminen kuormitus-taipuma-kuvaajassa. [70] Kuvassa 4.10 on esitetty BSSM-mittauksin saadut kuormitus-ta ipuma-profiilit kum- mitattu mallekin kiskolle erikseen. On huomioitava, että kuvassa esitetyt taipumat onn ratapölkyistä. Mittausosuudella kiskon ja betoniratapölkkyjenn välissä oli poly- Kuvasta voidaan nähdä, että 128 kn pyöräkuormilla taipumat ovat suunnilleen 1 3 eteenivälilevy, jonka vaikutuss taipumaann jäi näin ollen mittauksissa saavuttamatta. mm suuruisia ja 29 kn pyöräkuormilla pääsääntöisesti alle 1 mm suuruisia. Oikean kiskon puoleiset pienemmätt taipumat ja tasaisempi taipumakäyttäytyminen selitraken- tynevät sillä, että mitatun raiteen oikealla puolella sijaitsi toinenn raide, jonka teet tukivat voimakkaammin oikeanpuolei ista kiskoa. [70]

77 75 Kuva BSSM-mittauksin saadut kuormitus-taipuma-profiilit kiskoittain. Muo- kattu lähteestä [70] Muita jäykkyyden mittausvaunu uja ovat muun muassa Esveldin tukikerroksen tukemis- painaa 49 tonnia, pystyy kuormittamaa an kumpaakin kiskoa staattisesti aina 150 kn asti ja kalustosta kehittämä vaunu sekä Ruotsin Banverketin TLV. Banverketin TLV aiheuttamaan dynaamisia kuormituksia 2000 Hz taajuudelle saakka.. Lisäksi myös rai- teen sivusuuntaisenn jäykkyyden mittaaminen on mahdollista. [6] Mittausvaunujen merkittävimpiää etuja ovat laajat kuormituksen säätelymahdollisuu- rata- det ja se, että useimmilla vaunuilla pystytään mittaamaan kiskojen taipumaaa pölkkyjen painumien sijaan. Jälkimmäisen ansiosta mittaustulokseen sisältyy suoraan myös kiskon taivutusjäykkyydenn ja välilevyn vaikutus. KuormituksenK n säätely mahdol- listaa esimerkiksi ratapölkyn r alaisen tyhjätilan huomioimisen mittauksissa. Lisäksi oikeanlaisilla tunkeilla pystytään luomaan myös dynaamisia kuormituksia ja vaihte- lemaan niiden taajuutta. Mittausvaunuja käytettäessä luonnollinen valinta jäykkyyden määritys-/ laskentamenetelmäksi on yhden pisteen tai akselin kuormitustesti, joka esiteltiin luvussa Taipumamuotoon perustuvan testin t käyttämisen mahdollis- ole taminenn vaatisi ko ko taipumamuodon mittaamista, mikä m ei ainakaan suoraan mahdollista useimmissa mittausvaunuissa. Muita mittausvaunun käytön etuja ovat turvallisuus jaa yhden mittauksen vaatiman työmäärän vähäisyys. Radan ollessa mittaukseen varattuna ei ole törmäysten vaaraa ja henkilövahinkojen riski on pieni, sillä mittaustapaht tumaan ei liity kaivamista tai muuta varsinaista radalla työskentelyä. Lisäksi mittaaminen on työvoimatarpeen kannalta melko kevyttä, sillä mittaamiseen vaadittava kalusto k kulkee vaunun mukana eikä raskaita asennus- tai esivalmistelutöitä yleensä tarvita. Merkittävimpänä rajoitteena mittausvaununn käytössä on o sen ratakapasiteetin tarve. Liikenteen sallimiseksi mittausten välillä vaunu tulee ajaa erilliselle raiteelle ja usein- kaan tähän ei ole mahdollisuuksia kohtuullisen matkan päässä eli käytännössä radal- kuljettajineen liikkuakseen. la ei voida liikennöidä mittausten aikana. Vaunu vaatii myös vetävän kalustoyksikön

78 Lasersovellukset Teollisuudessa sekä esimerkiksi kiskojenn kunnon valvonnassa onn jo pitkään käytetty hyväksi lasermittaamista etäisyyksien, siirtymien ja kulmien mittaamiseen. Myö- alaisten pystysuuntaisten siirtymien mittaamiseen. Lasersovelluksista on olemassa useita erilaisia mittausmenetelmiä, jotkaa voidaan jakaa karkeasti kahteen ryhmään niiden mittausperiaatteen mukaan. Ensimmäisen ryhmän menetelmät perustuvat la- hemmin 2000-luvulla lasersovelluksia on hyödynnetty myös radan r kuormituksen sersäteen sijainnin seuraamiseen jollain pinnalla ja toisen ryhmän menetelmät laser- säteen kulkeman matkan mittaamiseen Lasersäteen sijainnin mittaamiseen perustuvat menetelmät PSD Lasersäteen sijainnin mittaamiseen perustuva mittaus tapahtuu kohdistamalla laser- kiskoon. Mittaushetkellä laserlähde pysyy paikallaan ja säde liikkuu vastaanottimen pinnalla mittauskohteen liikkuessa. Vastaanotin voi olla esimerkiksi paikkaherkkä il- sädelähde vastaanottimeen, joka j on kiinnitetty mitattavaan kohteeseen, esimerkiksi maisin (Position Sensitive Detector/Device, PSD), joka pystyy tunnistamaat n siihen kohdistetun valonsäteen keskipisteen paikan perustuen valosähkövirran jakautumi- myös seen [71]. Kuvassa 4.11 on havainnollistettu PSD:n rakennetta, jota j kutsutaan PIN-rakenteeksi ilmaisimessaa olevien P-, I- ja N-kerrosten perusteella. [62], [72] Kuva Paikkaherkän ilmaisimen eli PSD:n rakenne. [73] Laserlähteen ja PSD-ilmaisimen lisäksi mittaukseen tarvitaan kuvassa 4.12 esitellyllä tavalla virtalähteet, tiedonkeruuyksikkö, mahdolliset suodattimet sekä esimerkiksi kannettava tietokone ja sopiva ohjelmistoo mittaustietojen tarkastelemista varten. Pinto et al. [72] käyttivät mittauksissaan Portugalissa laserlähdettä, joka toimi 635 nm aallonpituudella ja sen optinen teho oli 6 mw. Ilmaisimena käytettiinn kaksi- kykyä tunnistaa kahden kohtisuoran samassa tasossa olevan akselin suuntaisia liik- dimensionaalista 12x12 mm2 PSD:tä. Kaksi-dimensionaalisuus tarkoittaa ilmaisimen keitä. Kooltaan 12 x 12 mm2 ilmaisin on ainakin Hamamatsun [73] katalogin mukaan suurin saatavilla oleva, mutta se on riittävä mittaamaan tavanomaisia radan taipumia. Radan jäykkyyttää mitattaessa tarvitsee mitata ainoastaan pystysuuntaista liikettä, joten myös yksi-dimensionaalinen PSD sopisi jäykkyyden mittaamiseen.

79 77 Kuva Periaatekuva PSD-mittaussovelluksesta jaa tiedonkeruusysteemistä. [72] Laserlähteen ja PSD:n välisen etäisyyden kasvu heikentää mittaustarkkuutta. Lisäksi laserlähde vaatii alustakseen tukevan ja liikkumattoman paikan, minkä löytäminen rataympäristössä voi usein olla hankalaa. Portugalissa Pinton P et al. [72] tekemien mit- tausten yhteydessä mittaussysteemin tarkkuutta pitkillä mittausetäisyyksillä testat-t tiin laboratorio-olosuhteissa. Käytetyt mittausetäisyyde vaihtelivat välillä 2 12 m. Laboratoriomittauksissa todettiin, että käytössä olleellaa laitteistolla ja edellä maini- tuilla mittausetäisyyksillä mittausjärjestelmä on luotettava mitattaessa alle 5 mm siirtymiä. Tätä suuremmilla siirtymillä erot eri mittausetäisyyksien välillä kasvoivat jo merkittäviksi. Portugalissa sekää Espanjassa INNOTRACK-projektinn yhteydessä teh- aikana käytettiin noin 3,0-3,5 metriä. Portugalissa laser kiinnitettiin läheisen sillan dyssä tutkimuksessa [62] laserin ja ilmaisimen etäisyytenä varsinaisten mittausten kaiderakenteeseen ja Espanjassa laserin alustana käytettiin kolmijalkaa kuvan 4.13 mukaisesti. Samassa yhteydessä Espanjassa tutkittiin kolmijalan siirtymiä mittauk- jalustan maksiminopeudeksi saatiin 1 mm/s ja integroimalla havaittiin, että siirtymi- en maksimiarvot ovat samaa suuruusluokkaa kuin lasersysteemin tarkkuus eli ±0,01 sen aikana asentamalla 2 Hz geofoni kolmijalkaan junan ohikulun ajaksi. Mittauksessa mm, joten tärinä ei kyseisissä olosuhteissa haitannut mittausta. [62]] Kuva INNOTRACK-projektin yhteydessä tehtyjenn lasermittausten mittausjär- jestely. [62]

80 78 Kuvassa 4.14 on esitetty Portugalin mittauksissa saatu siirtymä-aika-kuvaaja. Kuor- on 14,4 mituksena mittauksessa toimi Alfa Pendular -juna, jonka maksimiakselipainoo tonnia. Kuvaajasta pystytään pienellä tarkastelulla havaitsemaann kaikki junan 24 ak- heti selia. Tässä mittauksessa PSD sijaitsi alikäytävän kohdalla, tarkemmin sanottuna alikulun betonirakenteen jälkeen, millä saattaa olla vaikutusta siirtymien suuruuteen ja epätasaisuuteen. Alikäytävän betonirakenteen kohdalta mitatut siirtymät olivat ta- saisempia ja jonkin verran pienempiä. [72] Kuva Siirtymä-aika-kuvaaja Alfa Pendular -junan ohituksesta nopeudella 220 km/h. [62] Valoanturi Hendry et al. [74] ovat Pohjois-Irlannissaa turvepehmeikölle rakennetulla radalla mioltua 20 tanneet paikoin lähes 20 mm siirtymiä laserlähteen ja ilmaisimen etäisyyden metriä. Mittauksessa käytettiin hieman PSD:tä muistuttavaa ilmaisinta sillää erotuk- kuvan 4.15 mukaisesti. Korkeudeltaan 2,55 mm valoanturi koostui 2,0 mm korkuisesta jännitevalokennosta ja 0,5 mmm korkuisesta johtavastaa suikaleesta. sella, että käytetyssä anturissa oli jono valoantureita (photo-sensor array) allekkain Kuva Vasemmalla havainnekuva valoanturirakenteesta jaa oikealla kuva sys- teemistä mittauksen aikana. Muokattu lähteestä [74] Valoanturimenetelmä perustuu anturien kykyyn muuntaa sen pinnalle tulevan valon määrä/voimakkuus verrannollisesti jännitteeksi. Kun lasersäde tai osa siitä osui antu- Nämä riin, anturin antama jännite kasvoi % riippuen taustavalon määrästä. jännitemuutoksett tallennettiin ajan suhteen. Jännitteet muutettiin siirtymiksi yksin- y-koordinaatti alimman anturin keskikohdan ollessa nollataso. Lasersäde L tarkennet- tiin levyyn siten, että säde oli pienempi kuin kolmen anturin leveys ja suurempi kuin kertaisella taulukkolaskentaohjelmalla, jossa jokaisen anturin keskikohdalle annettiin yhden anturin leveys. Jokaiselle aika-arvolle tunnistettiin anturi, johon laserr vaikutti

81 79 eniten. Tämän jälkeen taustavalon vaikutus eliminoitiin laserin eniten vaikuttaman anturin ja sen viereisten antureiden jännitteistä. [74] Kuvassaa 4.16 on esitetty Pohjois-Irlannin mittauksissaa saatu siirtymä-aika-kuvaaja kuormittavan junan akselipainojen ja pituuden suhteen. Kuvasta onn selkeästi havait- tavissa yksittäisten telien aiheuttamat siirtymät ja akselipainojen erojen vaikutus siirhyvin tymien suuruuteen. Lisäksi etenkin veturin aiheuttamat siirtymät ovat verrattain suuria, mikä johtuu todennäköisesti radan sijainnista turvepehmeiköllä. [74] Kuva Valoanturimittauksella saatu siirtymä-aika a-kuvaaja akselipainojenn ja junann sijainnin suhteen. [74] Vertailtaessa PSD-menetelmällä havaitaan jälkimmäisen kuvaajan olevan huomattavasti helppolukuisempi. Tämä saattaa johtua osin siitä,, että PSD:lle käytetty mittaustaajum us oli 2000 Hz ja ja valoanturimenetelmällä saatuja siirtymä-aika- kuvaajia, valoantureille 20 Hz, jolloin PSD-mittauksessa saatavienn yksittäistenn mittausten mää- saa- rä nousee suureksi [72],[ [74]. Suodattamallaa tai sovittamalla PSD-dataa jotenkin, tettaisiin saada aikaan helppolukuisempi kuvaaja. Lisäksi on huomioitava, että valoanturimittauksessa mitattavat siirtymät olivat kymmenkertaisia verrattuna PSD- las- mittauksen siirtymiin. Kummassakaan tutkimuksessa ei siirtymätuloksia hyödynnetty radan jäykkyyden kemiseen, mutta ainakin periaatteessa jäykkyyden laskeminen onn mahdollista esitestiä merkiksi yksittäisen pisteen kuormitustestiä tai taipumamuotoon perustuvaa käyttäen. Käytettäessä radalla liikkuvaa kalustoa kuormituksena, taipumamuotoon perustuvan testin käyttäminen on ainakin periaatteessa mahdollista, vaikka radan taipumaa mitattaisiin vain yksittäisestä pisteestä. Tämää johtuu siitä, että seuraamalla yksittäisen pisteen taipumaa junan ylityksen aikana, saadaan tuloksena samankaltai- nen taipumasuppilo ajan suhteen kuin mittaamalla taipumasuppilonn muoto pistemäi- sen paikallaan pysyvän kuormituksen koko vaikutusalueelta. Tosin tällöin kuormituk- sen luonne ja suuruus eivät täysin vastaa toisiaan Lasersäteen heijastumiseen perustuvat menetelmät Sekä PSD- että valoanturisovelluksissa taipumia mitattiin ainoastaan yhdestä pis- Cambinasin yliopiston kanssa LDD-sovelluksen (Laser Dynamic Deflectometer) ), jolla teestä kerrallaan. Brasiliassa konsulttitoimisto Cibermetrica on kehittänyt yhdessä voidaan mitata useamman pisteen siirtymää samanaikaisesti. LDD perustuu lasersä- teen ja sen heijastumisen mittaamiseen järjestelyllä, joka koostuu kuvan 4.17 mukai-

82 80 sesti lasereita kannattelevasta metallikehikosta ja kolmesta laserlähteestä vastaanot- timineen sekä kolmesta heijastimesta. Lisäksi järjestelmä vaatii toimiakseen virtaläh- teen, datankeruuprosessorin sekä tietokoneen ohjelmistoineen. Laserin mittaustark- kuudeksi mainitaan tarkempi kuin 0,01 mm. [75] Kuva Yleiskuva LDD: :stä mittauskäytössä. [75] Mittausjärjestely on melko yksinkertainen. Kehikko, jonka tukipisteet ovat tarpeeksi kaukana radasta välttyäkseen kuormitus-/tärinävaikutukselta, asetellaan siten, että yhdistetyt laserlähde-vastaanottimet voidaan asentaa ratapölkyn pään yläpuolelle. Ratapölkyn päähän asennetaan heijastin kuvan 4.18 osoittamallaa tavalla. Lisäksi ky- seisessä tutkimuksessa mitattiin myös tukikerroksen taipumia välittömästi v ratapöl- mit- kyn pään alla, minkä vuoksi kuvassa 4.18 näkyy kaksi heijastinta. Tutkimuksessa taustaajuutena käytettiin 2000 Hz, kuormituksena akselipainolta aan sekä 200 että 30 tonnin vetureita ja kuormittavien junien suurimpana nopeutena 500 km/h. [75]

83 81 Kuva Laserlähteet kehikossa sekä heijastimet asennettuna ratapölkyn päähän ja tukikerroksen pinnalle. [75] Tutkimuksessa mitattiin useassa eri kohteessa 24 metrin mittaisia rataosuuksia, jotka sisälsivät 28 ratapölkkyä. Kuvassa 4.19 on esitetty nopeudella 18 km/h edenneen ak- si- selipainoltaan 20 tonnin veturin vaikutuksesta syntyneet taipumatt ratapölkkyjen jainnin suhteen tiettynä ajanhetkenä. Laser 1 kuvaa ratapölkyn päänn siirtymää ja lase- rit 2 ja 3 tukikerroksen pinnan taipumia. Kuvasta on selvästi havaittavissa telien akse- noin 4 liparien aiheuttamat taipumat, jotka ovat ratapölkyn päässä suuruudeltaan mm. [75] Kuva LDD:llä mitatut taipumat ratapölkkyjen sijainnin suhteen 20 tonninn ak- selipainolla nopeudella 18 km/ m/h eräällä ajanhetkellä. [75]

84 82 Raportissa ei laskettu varsinaista radan jäykkyyttä, mutta mittaustulosten avulla voitaisiin käyttää yksittäisen kuormituspisteen testiin perustuvaa määritysmenetelmää tai taipumamuotoon perustuvaa testiä jäykkyyden laskemiseen. Edellä esitellyllä tavalla toteutettuna mittauksista ei saada tietoa kiskon ja välilevyn vaikutuksesta taipumiin. Hieman soveltaen myös taipumien mittaaminen kiskosta saattaisi olla mahdollista. Koska ratapölkyn pään siirtymien lisäksi mitattiin myös tukikerroksen pinnan taipumat, olisi näitä tuloksia vertailemalla mahdollista arvioida myös ratapölkyn alapuolisen tyhjätilan olemassaoloa ja suuruutta [75]. Tässä luvussa esiteltyjen lasersovellusten etuja radan jäykkyyden mittaamisessa ovat ainakin laitteiston kannettavuus, suhteellisen yksinkertainen kokoaminen mittauspaikalla, ainakin hyvissä olosuhteissa ja ihanteellisessa maastossa, sekä radalla liikennöinnin mahdollisuus mittausten aikana. Mittauspaikat voivat joskus sijaita kilometrienkin päässä lähimmästä autolla saavutettavissa olevasta pisteestä, jonka jälkeen kaikki mittauksessa tarvittava kalusto pitää kantaa tai vetää mittauspaikalle. Tällöin laitteiston keveys ja mittauksessa tarvittavan kaluston pieni määrä nousevat arvoonsa. Optimaalisessa tilanteessa laserlähteen pystyttäminen riittävälle etäisyydelle ja ilmaisimen kiinnittäminen ratapölkkyyn tai kiskoon ei ole kovin haastavaa. Vaikeuksia saattavat tuottaa esimerkiksi korkeat jyrkkäluiskaiset penkereet, jolloin laserlähteen, varsinkin LDD:n kaltaisen sovelluksen, sijoittaminen vaakasuoraan ja tukevalle alustalle on lähes mahdotonta. Tämän vuoksi mittauspaikan poikkileikkausgeometria tulee tuntea mittauksia suunniteltaessa. Oman haasteensa mittaukseen saattavat muodostaa myös vesi- ja lumisateet, mikäli mittaaminen kyseisissä olosuhteissa on edes mahdollista. Ilmaisimen asentaminen ratapölkkyyn tai kiskoon vaatii suhteellisen vähän työskentelemistä radan välittömässä läheisyydessä. Lisäksi asentaminen voidaan suorittaa useassa vaiheessa lyhyidenkin työvälien aikana tai turvamiehen valvomana, joten tiheäkään liikennöinti radalla ei estä mittausmenetelmän käyttöä. Varsinaista mittaustapahtumaa ja sen luonnetta pohdittaessa on nähtävä etuna todellisen radalla liikkuvan kaluston käyttö kuormituksena. Näin saadaan tietoa radan taipumista sen normaalissa käyttötilassa. Toisaalta lasersovellusten kohdalla voidaan pohtia myös, voidaanko taipumia mitata luotettavasti suurilla nopeuksilla liikkuvien junien ohitusten aikana, sillä ilmavirtaukset ja varsinkin pehmeiden pohjamaiden alueilla tärinä saattavat aiheuttaa virhettä mittaukseen. Esimerkiksi LDD-mittauksissa kuormittavan veturin nopeus oli hyvin alhainen (18 km/h) todennäköisesti juuri tästä johtuen. Eräs ratkaisu voisi olla yrittää eliminoida tärinän vaikutus mittaamalla myös kehikon/tukipisteen siirtymiä esimerkiksi kiihtyvyysanturilla, mutta tämä toisi mittaukseen jälleen yhden epävarmuustekijän lisää. Toinen mahdollisuus on viedä laserlähde/kehikon tukipisteet tarpeeksi etäälle raiteesta, mutta tällöin mittaustarkkuus saattaa heiketä merkittävästi. Mittausteknisenä rajoituksena voidaan nähdä kuormituksen säätelymahdollisuuden puuttuminen, jolloin esimerkiksi ratapölkyn alaista tyhjätilaa tai sen olemassaoloa ei pystytä mittaamaan. Tosin mittaamalla LDD-sovelluksen tapaan sekä ratapölkyn että tukikerroksen siirtymiä, voidaan mahdolliset tyhjätilat ottaa huomioon jäykkyyden laskennassa. Toisaalta myös tehtäessä mittauksia useamman eripainoisen junan ohituksen aikana saadaan jonkinlaista tietoa taipumista eri kuormituksilla.

85 Geofonit Geofoni (geophone)) on usein käytetty nimitys elektromagneettiselle seismometrille. Geofonin toiminta perustuu nopeuden mittaamiseen kestomagneetin kentässä liikku-l nopeuteen verrannollinen jännite, jonka avulla voidaan laskennallisesti selvittää siir- van käämin avulla. Mittauksen ulostulona saadaan sähköinen signaali, tyypillisesti tymä/taipuma. Tyypillisesti geofonien mittausdata ei olee sellaisenaan käyttökelpoista taipumien havainnoimiseen, vaan siitä joudutaan suodattamaan pois esimerkiks me- ja suodatetun datan ero. Geofonien käytössä on myös muutamia mittausdatasta tai lun aiheuttamat korkeataajuisett häiriöt. Kuvassa 4.20 onn havainnollistettu raakadatan sen keräämisestä ja käsittelemisestä johtuvia virhelähteitä. Esimerkiksi datavirran alussa ja lopussa esiintyy tyypillisesti hetkellisiä virheitä johtuen pääasiassa suoda-s datan alku- ja loppupisteissä suodatus ei anna oikeitaa arvoja. Suodatuksen lisäksi l tuksesta, sillä suodatin toimii tietyn datapisteen molemmilla puolilla. Tästä johtuen myös itse mittaussysteemi aiheuttaa matalataajuista virhettä dataan. Tätä ilmiötä kutsutaan dekonvoluutioksi. Dekonvoluutionn vaikutus voidaan poistaa lisäämällä mit- tausjärjestelyyn ylipäästösuodatin, joka vaimentaa asteittain tietyn taajuuden ala- puolella olevia signaaleja. [76], [77] Kuva Havainnekuva geofonimittauksella saatavan raakadatan (yhtenäinen harmaa viiva) ja suodatetun datan (tummaa katkoviiva) ) erosta. [77] Yllä mainituista rajoituksista johtuen geofoneilla ei voida mitata kovin hitaasti tapah-t mutta asia on huomioitava mittauksia suunniteltaessa. Bowness et al. [77] esittivät omien mittauskokemustensa pohjalta, että kun junan nopeuden n ja akselivälin yhdis- telmä tuottaa alle 0,5 Hz kuormitustaajuuden, eivät mittaustulokset ole välttämättä enää luotettavia taii ainakaan helppolukuisia. Esimerkiksi 13 metrin telivälillä junan tuvia ilmiöitä. Normaaleilla junien liikennöintinopeuksilla tämä ei tuottane ongelmia, nopeuden olisi oltava yli 25 km/h, jotta kuormitustaajuusvaatimuss täyttyy. Tyypilli- sesti radoilla liikkuvien junien nopeudet ovat tätä huomattavasti korkeampia. Geofonien käyttöä radan taipumien mittaamiseen on tutkittu ainakin Isossa- Britanniassa [77] käyttäen ominaistaajuudeltaan 1 Hz geofonia sekä INNOTRACK- projektin [62] yhteydessä käyttäen ominaistaajuutta 2 Hz. H Isossa-Britanniassa mitta-

86 84 usjärjestely toteutettiin siten, että kahdeksan ratapölkyn päihin kiinnitettiin k geofonit liiman ja kulmaraudan avulla. Instrumentoitujen ratapölkkyjen väliin v jätettiin yhdet instrumentoimattomat ratapölkyt kuhunkin väliin, jolloin kahdeksalla geofonilla ka- tettiin noin 8,4 metrin pituinen rataosuus kuvan 4.21 mukaisesti. [78][ Kuva Yleiskuva geofonien sijoittelusta Isossa-Britanniassaa tehdyissä mittauk- sissa. [77] Ennen varsinaisiaa kenttämittauksia mittausmenetelmän toimivuutta testattiinn labora- torio-olosuhteissamplitudia sekä geofonilla että siirtymäanturilla. Data kerättiin dataloggerillaa 500 Hz mittaamalla 1 Hz taajuudella toistuvaa hallittua 0,5 mm siirtymä- taajuudella. Geofonilla saatujen mittaustulosten luotettavuuden todettiin t olevan mel- tark- ko hyvä maksimivirheen oltua 0,07 mm. Tätä suuremmilla kuormitustaajuuksilla kuus paranee. [77] Ison-Britanniakuvaaa kalustoa. Kuvassa on vasemmalla esitetty yksittäisen telin aiheuttama yk- mittauksissaa käytettiin kuormana radalla 260 km/h nopeudella liik- sittäisen ratapölkyn pään siirtymä, joka on saatu integroimallaa mitattu ratapölkyn nopeus telin ohituksen aikana. Kuvassa 4.22 oikeallaa on esitettyy koko junann yhdelle ratapölkyllä aiheuttamat siirtymät. Siirtymien heilahdukset sekä alussa että lopussa johtuvat datan suodatuksestaa eivätkä siten edusta todellisia siirtymiä. [78]

87 85 Kuva Yksittäisen telin yksittäiselle ratapölkylle aiheuttama a siirtymä (vas.) ja koko junan j ylityksen yksittäiselle ratapölkylle aiheuttama siirtymä ajan suhteen (oik.). Muokattu lähteestä [78] missä P j u S N M i N j 1 P j u S M i i 1 (4.2) on ratapölkkyihinn samanaikaisesti vaikuttavat kuormat P 1 P N [N][ on ratamoduuli [MN/m/m] on ratapölkkyvälii [m] on vaikuttavien kuormien (akseleiden) määrä on kuorman P vaikutuksesta siirtyvien pölkkyjen määrä on pölkyn i siirtymä [m] Tutkimuksen yhteydessä mittaustuloksia käytettiin ratamoduulin laskemiseen kah- ha- della eri menetelmällä. Tarkasteltaessa kuvan 4.22 vasemmanpuoleista kuvaajaa vaitaan sen olevan samankaltainen taipumamuotoon perustuvan testin yhteydessä esitetyn kuvan 3.6 kanssa. Tästää johtuen Priestin & Powrien [78] mukaan on perustel- rata- tua laskea dynaaminen ratamoduuli yksittäisen telin taii teliryhmän yksittäisellee pölkylle tiettynä ajanjaksona aiheuttamasta siirtymästä vastavuoroisuusperiaatetta hyödyntäen yhtälön 4.2 mukaisesti. Yhtälön 4.2 voidaann havaita olevan yhteneväinen yhtälön 3.18 eli taipumamuotoon perustuvan määritysmenetelmän kanssa. Yhtälön 4.2 käyttö vaatii taipumamittauksia useiden ratapölkkyjen pituiselta osuudel- ta. Vaihtoehtoisesti ratamoduuli voidaan määrittää radalla kulkevan kaluston etum- 4.3 maisen akselin ja sitä s seuraavien akseleiden aiheuttamasta taipumasta yhtälön tapaan. [78]

88 86 n xi P x x L i i 0 1 ri e cos sin (4.3) 2uL i 1 L L missä on etummaisen pyöräkuorman alta mitattu taipuma [m] 0 P u on etummaisen pyöräkuorman aiheuttama kuormitus [N] on ratamoduuli [MN/m/m] x i on i:nnen pyöräkuorman P i etäisyys [m] r i on i:nnen pyöräkuorman P i suhde etummaisen pyöräkuorman aiheuttamaan kuormitukseen eli e on Neperin luku 2,718 [-] P i / P Muuttuja L on yhtälön 3.4 mukainen. Ratkaistaessa yhtälöä 4.3 on otettava huomioon, että myös L sisältää ratamoduulin. Ratamoduuli u voidaan ratkaista yhtälöstä 4.3 iteroimalla. Tarkasteltaessa yhtälöä 4.3 havaitaan sen samankaltaisuus kiskon taipuman yhtälön 3.3 kanssa. [78] Johdonmukaisuuden ja tulosten vertailtavuuden vuoksi Priest & Powrie [78] käyttivät ratamoduulin laskennassa saman junan viidennen ja kuudennen vaunun välisen kaksiakselisen telin aiheuttamia siirtymiä. Yhtälön 4.2 mukaista DBT-menetelmää (Displacement Basin Test) varten ratapölkkyjen kokonaissiirtymä kuvassa 4.22 b) esitetyissä samansuuruisissa siirtymäkäyrissä saatiin summaamalla siirtymät erillisissä aikaportaissa, joiden pituuden määritti datan keräystaajuus eli tässä tapauksessa 1 khz. Tällöin aikaportaan pituudeksi muodostui 0,001 s. Tässä tapauksessa muuttujan S arvona ei käytetty ratapölkkyväliä, vaan junan yhdessä 0,001 sekunnin aikaportaassa kulkemaa matkaa. Kuorma P on junan staattinen akselikuorma, joka kyseessä olevalle telille oli 15,36 tonnia. Yhtälön 4.3 modifioidulle BOEF-menetelmälle (modified BOEF method) siirtymä 0 saatiin kaksiakselisen telin ensimmäiselle akselille mitatusta maksimisiirtymästä. Toisen akselin etäisyys xi oli 3,0 m. Seuraavien telien akselikuormien katsottiin olevan niin etäällä, että ne olivat merkityksettömiä. Ratapölkyn nro 3 tuloksia ei voitu määrittää, koska siihen asennettu geofoni oli viallinen. Kiskolle laskelmissa käytetty kimmomoduuli E oli N/m2 ja neliömomentti I oli 30, m 4. Taulukossa 4.1 on esitetty molemmille menetelmille määritetyt siirtymät ja niillä lasketut ratamoduulit. [78]

89 87 Taulukko 4.1. BOEF- (yhtälö 4.3) ja DBT-menetelmille (yhtälö 4.2) määritetyt siirtymät ja niillä lasketut ratamoduulit. Muokattu lähteestä [78]] Taulukosta 4.1 on nähtävissä, että yhtälöllää 4.3 lasketut ratamoduulit vaihtelevat välillä MN/m/m ja yhtälöllä 4.2 lasketut ratamoduulit välillä 70,8 136 MN/m/m, eli BOEF-menetelmä Priestin & Powrienn [78] mukaan johtua maan viskoelastisesta luontees- ta, joka kasvattaa erillisissä aikaportaissa summattua siirtymää, sillä siirtymien pa- antaa huomattavasti suuremmat ratamoduulin arvot. Tämä saattaa lautuminen akseleiden välillä on vähäisempää kuin puhtaasti elastiselle systeemille oletetaan. Tämän vuoksi ratamoduulin laskemisessa suositellaan käytettäväksi yhtä- lön 4.3 mukaista BOEF-menetelmää. Kuten jo aiemmin tässä t tutkimuksessa on esitel- ty, ratamoduuli voi vaihdella huomattavasti lyhyenkin rataosuuden r sisällä. Tämä käy hyvin ilmi vertailtaessa esimerkiksi taulukon 4.1 ratapölkkyjä 4 ja 5 edustavien rata- käytetyn kaluston nopeudella on merkittävä vaikutus siirtymiin jaa näin ollen myös moduulien suuruuksia. Priestin & Powrien [78] tekemissä mittauksissa havaittiin myös, että kuormituksena laskennallisiin ratamoduulin arvoihin. Laskelmien perusteella voitiin todeta, että km/h nopeudella mitatut siirtymät antavat noin 200 % suuremmat ratamoduulin arvot kuin 260 km/ /h nopeudella mitatut. Toisin sanoen hiljaisemmilla nopeuksilla ratapölkkyjen siirtymät olivat pienempiä. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että tukeu-t olla mahdollista tarkastelemallaa ratapölkyn siirtymiä eri nopeuksilla. Mikäli siirtymien suhteellinen kasvu nopeuden suhteen on melko vähäistä ja siirtymät ylipäätään suu- tumattomien tai vain osittain tukeutuneiden ratapölkkyjen tunnistaminen saattaisi ria, on syytä epäillä kyseisen ratapölkyn olevan tukeutumaton. Radan taipumien mittaamisess sa geofoneilla on useita merkittäviää etuja. Geofonien käyttö ei vaadi liikkumattoman tukipisteen tai vertailupisteen löytämistä rataympäris- ja j kai- töstä. Tämä mahdollistaa geofonien käytön oikeastaann kaikenlaisilla radoilla kissa olosuhteissa, joissa geofonit voidaan kiinnittää kiskoon tai ratapölkkyihin. Toi- nen etu on radalla liikkuvan l kaluston hyödyntäminen kuormituksena, jolloin kuormi- tukset vastaavat radan todellisuudessa kokemia kuormituksia. Toisaalta kuormituk- selvittäää tarkasti, on se mitattava erikseen. Vaikka geofonien käyttö jo edellä maini- tuilla suunnilleen alle 25 km/h nopeuksilla ei ole mahdollista, ei tämä tuota merkittä- viä ongelmia junienn nopeuksienn ollessa yleensä selvästi tätä suurempia. Lisäksi geo- sen säätelymahdollisuudet ovat rajoitetut ja mikäli kuormituksen suuruus halutaan foneilla voidaan mitata useampien ratapölkkyjen siirtymiä samanaikaisesti. Geofoni- käy- en mittausdataa on käsiteltävä ennen kuin varsinainen taipuma-/siirtymätieto on tettävissä, mikä lisää jonkin verran geofonimittauksen vaatimaa työmäärää.

90 Kiihtyvyysanturit Kiihtyvyysanturilla (accelerometer) voidaan nimensä mukaisesti mitata m siirtymiä kiih- siirtymäksi integroimalla kiihtyvyyssignaali ajan suhteen kahdesti. Integrointi kiihty- tyvyyteen perustuen. Kiihtyvyys muunnetaan geofonidatan tapaan laskennallisesti vyydestä siirtymäksi on havainnollistettu kuvassa Kiihtyvyysantureiden käyt- vain töön liittyy muutamia rajoituksia. Kiihtyvyysanturit soveltuvat geofonien tavoin dynaamisten eli kohtuullisen nopeasti tapahtuvien ilmiöiden mittaamiseen eikä me- siir- netelmällä ole mahdollista mitata pysyviää muodonmuutoksia. Mittauksen aikana tymän nolla, eli ratapölkyn tai kiskon paikka, ei pysy koko junan ylityksen y ajann paikal- mitta- laan. Junan yhden telin aiheuttama maksimisiirtymä voidaan kuitenkin tulkita usdatasta hyvin luotettavasti noin 0,1 mmm tarkkuudella. Kiihtyvyysantureidenn käyttä- saatujen kokemusten perusteella, sillä liikenteestä johtuva tärinää heikentää mittaus- minen hyvin pehmeillä pohjamailla ei välttämättä ole mahdollista tieympäristöstä tarkkuutta. [79] Kuva Esimerkki kiihtyvyyssignaalin integroinnista siirtymäksi. [79] Tampereen teknillisen yliopiston Maa- ja pohjarakenteiden yksikkö on mitannut rata- pölkkyjen siirtymiä kiihtyvyysantureiden avulla siltojen päätypenkereillä. Mittaussys- an- teemiin kuului varsinaisten antureiden lisäksi dataloggeri, kannettava tietokone, tureiden kiinnittämiseen vaadittavat tarvikkeet sekä virtalähteenä ä käytetty aggregaat- digitoi- ti. Mittauksissa käytettiin ohjelmistoa, jonka avulla antureilta tulevat signaalitt tiin dataloggerissa ja tallennettiin tietokoneen kovalevylle taajuudella 2000 Hz. Mit- rata- tauksia tehtiin useissa eri kohteissa siten, että 16 kiihtyvyysanturia sijoitettiin pölkkyihin noin 50 mm päähän ratapölkyn päästä kuvan 4.24 osoittamalla jaottelulla radan pituussuunnassa. Toisessa samankaltaisessa TTY:n Maa- ja pohjarakenteiden yksikön tutkimuksessa on käytetty myöss 32 anturia, jolloin siirtymät voitiinn mitata samanaikaisesti sillan molemmin puolin [80]. Kuormituksena mittauksissa käytettiin radalla aikataulujen mukaan liikennöiväää kalustoa, joka koostui tavarajunista, Inter- City-junista ja Pendolinoista. [79]

91 89 Kuva Siirtymäantureiden sijainnit ratapölkkyjenn päissä radan pituussuunnas- sa. [79] Kiihtyvyysantureiden mittaustulosten tulkinta vaatii jonkin verran ammattitaitoa, eri- esi- tyisesti pienten siirtymien tulkitseminen on työlästä. Kuvassa 4.25 on esitetty merkkinä mittauksilla saaduista tuloksista erään alikulkusillan molemmista päistä mitatut siirtymät junien vetureiden kolmannen akselin kohdalta. k Silta sijaitsee kuvas- sa ratametrivälillä Veturin kolmas akseli valittiin siitä syystä, että veturin paino tiedetään tarkasti, paino pysyy suunnilleen vakiona eikä seuraavan vaunun en- akselipainoltaan noin 21 tonninn Sr2-veturia ja Pendolinon akselipaino on noin 13,25 simmäinen teli vielä vaikuta pölkyn liikkeeseen. Tavara- ja InterCity-junat käyttivät tonnia. Siirtymiä olisi voitu tulkita myös veturin ensimmäisen akselin kohdalta, mutta niiden tulkinta on usein hankalaa, kuten jo geofonien kohdalla kävi ilmi. [79] Kuva Esimerkkikuva kiihtyvyysanturimittauksillaa saaduista siirtymätuloksista erään alikulkusillan molemmin puolin. [79] Kuten jo aiemmin on havaittu, myös kuvan 4.25 mittaustulosten perusteella voidaan todeta ratapölkkyjen siirtymien ja sitä myötä myös jäykkyyden voivan vaihdellaa huo- on mattavasti lyhyenkin rataosuuden sisällä. Toki tässä tapauksessa alikulkusillalla vielä vaihtelua vahvistava vaikutus. Ennakoidusti kevyempi Pendolino aiheutti tässä kohteessa pienimmät siirtymät,, mutta kaikissa mittauskohteissa eroa ei välttämättä ollut tai se ei ollut yhtä selkeästi havaittavissa. Suunnilleen samanpainoisten tavara- ja InterCity-junien vetureiden aiheuttamien siirtymien ero johtuu lähinnä ajono- peuserosta liittyen mittauspaikan sijaintiinn kaarteessaa sisäkaarteen puolella, mikä lisää hitaasti kulkevan tavarajunan kuormitusvaikutustaa sisäkaarteen puoleiselle kis- kolle. [79]

92 90 Kiihtyvyysantureita on käytetty siirtymien mittaamiseen TTY:n Maa- ja pohjaraken- teiden yksikön tekemien mittausten lisäksi muuallakin. Esimerkiksi SUPERTRACK- kiskon projektin [81] yhteydessä kiihtyvyysantureilla mitattiin samanaikaisesti sekää että ratapölkyn pään siirtymiä kuvan mukaisella anturisijoittelulla. Kuva SUPERTRACK-projektin kiihtyvyysanturit. yhteydessä kiskon jalkaan jaa ratapölkynn päähän asennetut [81] Kirjallisuudesta ei löytynyt viitteitä kiihtyvyysantureilla mitattujen siirtymienn käytös- tapaan tä radan jäykkyyden laskemisessa. Jäykkyys voidaan kuitenkin laskea samaann kuin geofonien kohdalla eli esimerkiksii taipumamuotoon perustuvaa menetelmää käyttäen. Radallaa aikataulujen mukaan liikkuvien junien käyttö kuormituksena ei tyy- pillisesti mahdollista kuormituksen säätelyä. Näin esimerkiksi ratapölkyn asettumis- Li- kuorman ja sitä kautta ratapölkyn alaisen tyhjätilan määrittäminen on hankalaa. säksi jäykkyyden laskeminen esimerkiksi yhtälössä 3.20 esitellyiltä kuormitusväleiltä ei ole mahdollistaa Pendolinonkin kuormituksen ollessa tähän tarkoitukseen suhteelli- voi kuormitusvälien käyttö olla mahdollista. Kiihtyvyysantureiden käytön merkittävimpiä etuja ovat geofonien tapaan liikkumat- tomien tukipisteiden tarpeettomuus, todellisen radalla liikkuvan kaluston hyödyntä- minen kuormituksena ja mahdollisuus instrumentoida useita, jopa kymmeniä rata- sen suuri. Toisaalta mikäli junassa on kevyempiä vaunuja ja niiden paino tunnetaan, pölkkyjä samanaikaisesti. Näiden lisäksi laitteisto on suhteellisen kompakti jaa helpos- pitää tärinän vaikutusta mittaustuloksiin hyvin pehmeillä pohjamailla sijaitsevilla ra- ti liikuteltavissa. Suurimpana kiihtyvyysantureiden käyttöää rajoittavana tekijänä voidaan v oletettavasti doilla. Kovan pohjamaan alueella sijaitsevien ratojen siirtymämittauksissa eii ole ha- vaittu merkittäviä tärinäongelmia. Toinen, ei niinkään rajoittava, mutta erityis- huomiota vaativaa tekijä on kiihtyvyysanturin mittausalue. TTY:n Maa- ja pohjaraken- ei teiden yksikön aiemmin tekemissä mittauksissa havaittiin, että ± 3 G:n mittausalue ole kaikissa kohteissa riittävä. Tämän vuoksi raportissa suositellaan käytettäväksi vähintään ±10 G:n antureita. Mittausaluetta ei voida kuitenkaan kasvattaa rajatto-

93 91 masti, sillä tarpeettoman suuri mittausalue heikentää mittausdatanm n laatua siirtymä- ole- mittauksen näkökulmasta. [80] Vertailtaessa geofoneja ja kiihtyvyysantureita, voidaan todeta geofonien käytön van teoriassa yksinkertaisempaa niiden mittausdatan vaatiessa ainoastaan yhden integrointikerran. Kiihtyvyysan nturit ovat kuitenkin anturiteknisestä näkökulmasta geofoneja parempiaa antureita. 4.6 Siirtymäanturit Teollisuudessa ja tekniikan aloilla on jo pitkään käytetty siirtymäantureita, joilla on tyypillisesti mitattu siirtymiä millimetrien osista alkaen aina muutamiin metreihin saakka. Siirtymäantureista on kehitetty useita erilaisia sovelluksia kulloisiinkinn mit- sähköisiin ja optisiin antureihin.. [82] taustarpeisiin. Yleisesti ottaen siirtymäanturit voidaann jakaa kahteen pääryhmään: Kenties käytetyin siirtymäanturityyppi sen kestävyyden ja jopa nanometriluokan mittaustarkkuuden ansiosta on differentiaalimuuntaja (Linear Variable Differential Trans- former, LVDT). Differentiaalimuuntajasta on olemassa useita rakenneratkaisuja, mutta pääpiirteissään anturi koostuu kuvan 4.27 mukaisesti primääri- ja kahteen osaan jae- sisällä liikkuu esimerkiksi ferromagneettinen sydän. [82] tusta sekundäärikäämistä, jonka osat on käämitty vastakkaissuuntaisesti. Käämien Kuva Periaatekuva differentiaalimuuntajan rakenteesta. [83] Toinen yleisesti käytetty siirtymäanturityyppi on resistiivinen siirtymäanturi, jota kut- resistiiviseen lankaan, jonka pituus ja vastaavasti resistanssi muuttuu anturinn kär- sutaan myös lineaaripotentiometriksi. Potentiometri perustuu kuvan 4.28 mukaisesti jen/karan liikkeen mukana. Potentiometrimittaus tapahtuu syöttämällä anturille esi- anturin karan sijaintia/siirtymää. merkiksi 5 V tasajännite. Tällöinn ulos saadaan tasajännite väliltä 0 5 V, joka ilmaisee [82]

94 92 Kuva Periaatekuva lineaaripotentiometrin rakenteesta. [82] Anderson & Rose [84] ovat mitanneet kiskon taipumia LVDT-tyypin siirtymäanturilla. Mittauksissa siirtymäanturi kiinnitettiin kiskoon ja kiskon taipumaa mitattiin suh- teessa tiiviiseen pohjamaahan tukeutuvaan referenssitankoon kuvan 4.29 mukaisesti. Kuva Siirtymäanturimittauksessaa käytetyn referenssitangon pää ja siirtymä- läh- anturi (vas.) sekä anturin kiinnitys kiskon jalkaan (oik.). Muokattutu teestä [84] Anderson & Rose [84] tekivät kuvassa 4.29 esitellyllä järjestelyllä mittauksia sekä puuratapölkky- että betoniratapölkkyraiteilla, joilla tukikerroksen ja pohjamaan väliin oli rakennettu eripaksuisia asfalttikerrok ksia. Kuvassa 4.30 on esitetty e taipumamit- paksui- taustulokset puuratapölkkyraiteelta, jonka alapuolellee oli rakennettu 200 mmm nen asfalttikerros.

95 93 Kuva Junann ohituksen aikana mitatut kiskon taipumat puuratapölkkyraiteella, jossa tukikerroksen ja pohjamaan välissä 2002 mm paksuinen asfalttiker- ros. Muokattu lähteestä [84] Kuvastaa 4.30 nähdään, että kiskon palautuvan taipuma-amplitudin olivat huomattavasti pienempiä. Tutki- suuruus on noin 7 mm. Betonipölkkyraiteelta mitatut taipumat musraportissa Anderson & Rosee [84] ovat myös laskeneet ratamoduuleja ja saaneet puuratapölkkyraiteisen radan ratamoduuliksi keskimäärin 17 MPa ja betoniratapölk- ilmi kyraiteisen radan ratamoduuliksi keskimäärin 52 MPa,, mutta raportista ei käy mitä määritysmenetelmää laskennassa on käytetty. Luvussa 4.5 mainitun SUPERTRACK-projektin [81] yhteydessä y käytettiin poten- tiometrejä kiskon taipuman sekä radan rakenneosien suhteellisten siirtymien mittaa- miseen. Kiskon taipumamittauksissa vertailupisteenä käytettiin raiteen viereen lyötyä tankoa. Tangon sivusuuntaisesta etäisyydestä raiteeseen tai lyöntisyvyydestä ei ole tarkempaa tietoa. Suhteellisia siirtymiä mitattiin muunn muassa kiskon jalan ja rata- ei tarkemmin esitelty potentiometrimittausten tuloksia tai niiden perusteella lasket- tuja ratamoduuleja. Suomessa potentiometrejä on käyttänyt rataympäristössä ainakin Tampereen teknil-t lisen yliopiston Rakennustekniikan laitos. Luomalan [63] esittelemissä mittauksissa potentiometriä käytettiin ratapölkyn routanousun seuraamiseen siten, että poten- tiometrii kiinnitettiinn ratapölkynn päähän ja siirtymää mitattiin m suhteessa ratapölkyn pään viereen asennettuun referenssitankoon. Referenssitanko on pituudeltaan 3 m, pölkyn pään välillä sekä ratapölkyn pään ja pengertäytekerroksen välillä. Raportissa joista kaksi ylintä metriä on erotettu ympäröivistä maakerroksista ja viimeinen metri koostuuu paksusta harjaterästangosta. Harjaterästangolla oletetaan saavutettavan riit- tävä kiinnittyminen/tartunta pohjamaahan. Vaikka kyseisessä tutkimuksessa poten- tiometriä käytettiin routanousun mittaamiseen ja mittauksia tehtiinn siten melko har- voin, on samankaltaisten mittausjärjestelyjen avulla mahdollista mitata myös esimer- kiksi ratapölkyn siirtymiä junan ohituksen aikana käyttämällä huomattavasti suurem- että paa mittaustaajuutta. Routaseurantamittausten yhteydessä havaittiin lisäksi, siirtymäanturit eivät aina ole täysin toimintavarmoja Suomen vaativissa talviolosuh- teissa.

96 94 Siirtymäantureiden käytön merkittävimpiä etuja ovat laitteiston hyvä saatavuus, laaja käyttökokemus, kannettavuus ja todellisen radalla liikkuvan kaluston käyttäminen kuormituksena. Varsinaisten siirtymäantureiden asentaminen voidaan tyypillisesti tehdä turvamiesmenettelyä käyttäen, mikäli muut olosuhteet sallivat turvamiesmenettelyn. Lisäksi siirtymäantureilla saatavat mittaustulokset vaativat vähän jatkokäsittelyä ja ovat tyypillisesti hyvin selkeitä ja helppolukuisia, jolloin kaikkien luvussa 3.2 esiteltyjen määritysmenetelmien käyttäminen on ainakin periaatteessa mahdollista. Siirtymäantureiden käytön ehdottomasti merkittävin rajoitus on liikkumattoman tuki- /referenssipisteen tarve. Tällaisia junan ohituksen aikana paikallaan pysyviä pisteitä on rataympäristössä luonnostaan hyvin harvassa, joten tyypillisesti siirtymäanturimittausten yhteydessä tukipisteet joudutaan rakentamaan erikseen esimerkiksi tiiviiseen pohjamaahan saakka asennettavien referenssitankojen avulla. Referenssitankojen asentaminen aukean tilan ulottuman (ATU) sisäpuolelle vaatii liikenteenohjauksen luvan ja raidevarauksen. Periaatteessa jopa kymmenien peräkkäisten siirtymäanturien käyttö on mahdollista samanaikaisesti, mutta käytännössä kiinteiden tukipisteiden määrä ja tukikehikon jäykkyysvaatimukset asettavat rajoituksia anturien määrälle. Talviolosuhteet tai hyvin kosteat olosuhteet saattavat rajoittaa siirtymäantureiden käyttöä, mutta lyhytkestoisissa mittauksissa nämä eivät luultavasti muodostu merkittäväksi ongelmaksi. 4.7 Kamerasovellukset Maailmalla kiskon ja muiden radan osien taipumia ja siirtymiä on mitattu myös erilaisin kamerasovelluksin. Erityisen lupaavaksi menetelmäksi on havaittu PIV-menetelmä (Particle Image Velocimetry). PIV on toimintaperiaatteeltaan nopeuden mittausmenetelmä, joka alun perin kehitettiin nestemekaniikan parissa luvun alussa PIVmenetelmää on käytetty maaperän muodonmuutosten mittaamiseen laboratoriossa ja kenttäolosuhteissa. Southamptonin yliopistossa Isossa-Britanniassa on kehitetty videokamerasovellus, joka hyödyntää PIV-tekniikkaa kiskon siirtymien mittaamisessa [77]. Tämän sovelluksen innoittamana myös Etelä-Afrikassa on käytetty videokameraa ja PIV-tekniikkaa kiskon ja muiden radan osien siirtymien mittaamiseen [85]. [86] Southamptonin yliopiston mittausjärjestely koostui yksinkertaistettuna tavallisesta videokamerasta, jonka eteen asennettiin kaukoputki. Kaukoputken käyttö mahdollisti kameran viemisen tarpeeksi kauas radasta siten, että liikennetärinä ei vaikuttanut mittaustuloksiin. Videokameran CCD-ilmaisimen (Charge-Coupled Device) resoluutio oli 640 x 480 pikseliä, joka vastaa pikselikokoa 5,6 μm. Data kerättiin AVI-muodossa nopeudella 30 ruutua sekunnissa resoluutiolla 320 x 240 pikseliä. Suljinnopeutena käytettiin 0,002 s ja asetukset säädettiin mahdollisimman optimaalisiksi hyvän kuvanlaadun saavuttamiseksi. Kaukoputken aukon koko oli 90 mm ja polttoväli 1250 mm antaen kuvan mittakaavaksi 165 kulmasekuntia/mm. Jokaisella 5,6 μm pikselillä on siten 0,924 kulmasekunnin kuva-alue, mikä vastaa 0,045 mm pikseliä kohden 10 m etäisyydellä kuvauskohteesta. Kuvauskohteena toimi ratapölkkyyn kiinnitetty kohdelevy, joka on esitetty kuvassa Kohdelevyn ruutujen koko oli 1 x 1 mm. [77]

97 95 Kuva Southamptonin yliopiston PIV-sovelluksessa käytetty ratapölkkyyn kiin- nitetty kohdelevy.. [77] Kuvauksella saadun AVI-datan käsittely tehtiin jakamalla data bittikarttakuvasarjoi- PIV- hin, joissa jokainen bittikarttaa vastasi yksittäistä kuvattua ruutua. Käytettyy tekniikka käsitteli jokaista ruutua matriisina, jonka elementit määrittelevät bittikartan pikseleiden värin. Datan analysointi tapahtui ottamalla osa kohdelevyä ensimmäises- tä bittikartasta koeosaksi ja etsimällä sitä seuraavasta bittikartasta b tietokoneavustei- ja sesti. Tuloksena saatava korrelaatiotaso ilmaisee samanlaisuuden astetta koeosan etsintäosan välillä. Näin saatiin selville koeosan siirtymävektori pikseleinä ilmaistuna. Siirtymävektorin muuntaminen pikseleistä millimetreiksi tehtiin määrittämällä bittiavulla, joiden keskipisteet olivat tarkalleen 20 mmm päässä toisistaan. Määrittämällä mitta- karttakuvan mittakaava kuvan 4.31 kohdelevyn reunoissa olevien ympyröiden kaava tällä tavoin kompensoitii n automaattisesti kulma, jolla kamerasysteemi osoitti kohdelevyyn. Kuitenkin parhaann tarkkuuden saavuttamiseksi kohdelevyä tulisi kuvata niin kohtisuorasta suunnasta kuin mahdollista. [77] Eteläafrikkalaisessaa sovelluksessa käytettiin tarkempaaa videokameraa ilman kauko- putkea kuvausetäisyyden ollessa pienempi kuin edellä esitellyssä e Southamptonin sovelluksessa. Kameran kuvausnopeus oli kuitenkin vain 252 ruutua sekunnissa. Kohde- levynä käytettiin levyä, jossa oli 20 x 20 mmm musta neliöö ja sen reunoilla 20 mm paksu valkoinen kaista. Mittaussysteemin resoluutio oli noin 0,001 mm ja tarkkuus laborato- riossa noin 0,010 mm ja kenttäolosuhteissa noin 0,050 mm. Potentiaaliseksi virhete- kijäksi mainittiin muutokset valaistusolosuhteissa ja kohdelevy suositeltiinkin sijoi- ja lisäksi tehty hyvin onnistuneita mittauksia yöaikaan kohdevalon k avulla. Artikkelissa mainitaan lisäksi, että kuormituksena käytettävästä kalustosta välittyvän tärinän vai- tettavaksi mahdollisuuksien mukaan varjoon. Myös erilaisia varjostimia on kehitetty kutuksia mittaukseen voitiin jonkin verran ehkäistä tekemällä parannuksia kameran jalustana toimineeseen kolmijalkaan. [85] Southamptonin mittausten yhteydessä mittausjärjestelyä testattiin myös laboratorio- Testeissä havaittiin, että jo 5 Hz kuormitustaajuudella videokamerav asovellus ei pysty- nyt havaitsemaan siirtymäamplitudin huippuja tarkasti. Tämä johtuii kuvausnopeuden (30 ruutua sekunnissa) alhaisuudesta. Kuormitustaajuuksilla 1 4 Hz videokamera- mittaustulosten ero vertailumenetelmänä käytetyn siirtymäanturimittauksen tuloksiin oli aina alle 0,1 mm. Kuvassa 4.32 on esitetty aiemmin kuvassa k 4.21 esitellyn mittaus- järjestelyn ratapölkyn nro 1 kohdalta sekä geofonilla että e videokamerasovelluksella mitatut siirtymät. Videokamera mittauksessa kamera oli sijoitettu vain 6 metrin pää- olosuhteissa siirtymävälillä 0 1 mm ja taajuusvälillä 1 5 Hz 15 metrin etäisyydeltä. hän radasta, mutta siitä huolimatta geofoni- ja videotulokset korreloivat hyvin keske- nään ja jopa yksittäiset akselit ovat jotenkinn tunnistettavissa. Ainakaan kyseisen koh- on teen pohjaolosuhteilla tärinä ei siis merkittävästi haitannut mittausta. Kuvasta myös hyvin havaittavissa videokameran alhaisen kuvausnopeuden aiheuttamat rajoi- tukset, sillä huomattavia aukkoja datapisteiden välillä alkaa syntyä. Kuormituksena

98 96 käytetyn junan nopeus oli 95 km/h, jolloin käytetyllää kuvausnopeudella saadaan ku- 500 Hz varuutu jokaista junan kulkemaa 880 mmm kohden. Vastaava luku geofonillee keruutaajuudella on 53 mm. [ 77] Kuva Ratapölkyn pään siirtymä mitattuna geofonilla (viiva) ja videosovelluk- sella saadut datapisteet (ympyrät). [77] Radan jäykkyyden laskemistaa ei näiden PIV-tekniikkaan perustuvien mittausten yh- niin teydessä esitelty. Jäykkyyden laskeminen on ainakinn periaatteessa mahdollista taipumamuotoon perustuvalla menetelmällä kuin yksittäis- tai moniakselikuom ormitukhieman seen perustuvilla menetelmillä optimaalisimman menetelmän vaihdellessa v kuormittavan junan ja mittaustulosten ominaisuuksien mukaan. VideosovelluV uksilla ei ole mahdollista seurata kuin yhden tai enintään muutamien ratapölkkyjen siirtymiä kerrallaan, joten taipumamuotoon perustuvaa testiä varten tehtävien useiden peräk- verran käisten tai lähes peräkkäisten ratapölkkyjen siirtymämittauksiin kuluu jonkin aikaa. Lisäksi kuormittavan akselin tulisii olla sama tai ainakin samanpainois inen kai- kissa mittauksissa, mikä hankaloittaa aikataulujen mukaan kulkevien junien hyödyn- tämistä kuormituksena. Videosovellusten etuna radan taipumien mittaamisessa ja jäykkyyden määrittämises- hyödyntää radallaa liikkuvia junia kuormituksena. Laitteisto on myös kustannuksiltaan halpa, sillä tavallisen digitaalisen videokameran saaa jo muutamalla sadalla a eurolla. sä on tarvittavan mittauskaluston pieni koko ja vähäinen määrää sekä mahdollisuus Lisäksi laitteita on runsaasti ja helposti saatavilla. Työmäärä kenttämittauksissa on vähäinen, sillä laitteisto ei vaadi erillistä kalibrointia. Suurimpana rajoituksena videosovellusten käytölle on ehdottomasti joidenkin kame- junan roiden melko alhainen kuvaustaajuus, mikä rajoittaaa kuormituksena toimivan suurinta mahdollista nopeutta. Ainakin Southamptonin mittauksissa [77] havaittu 5 Hz raja kuormitustaajuudellee on tyypillisessä rataympäristössä liian alhainen. Tätä rajoitusta voidaan kiertää käyttämällä suurnopeusvideokameroita, mutta samalla lait- euroja. teiston hinta kasvaa suurnopeuskameroiden maksaessa jopa useita tuhansiaa Toinen mahdollinen rajoittava tekijä on kuormituksena toimivien junien aiheuttama

99 97 tärinä. Alhaisilla nopeuksilla junien aiheuttama tärinä on luultavasti vähäisempää, joten nopeuksien laskeminen voisi poistaa tärinäongelm man. Kuten joo aiemmin mainit- tiin, nopeuksien laskeminen ei aikataulujen vuoksi ole välttämättä mahdollista. Toinen keino ehkäistä tärinää on viedä videokamera tarpeeksi etäällele radasta. Tällöin rajoitukseksi saattaa nousta videokuvan tarkkuus kuvausmatkan kasvaessa. Tarkkuu- kameravalinnalla, mutta kustannuksien voi odottaa vastaavasti nousevan kameran laadun parantuessa. Lisäksi joissain ympäristöissä esimerkiksi puusto tai korkeat penkereet eivät välttämättä mahdollista kameran viemistä kauemmaksi. Edellä esitellyistä tutkimuksistaa ei käynyt tarkasti ilmi mittaustulostm ten jatkokäsittelyn vaatimaa työmäärä. Videokuvaus smateriaalia voidaan tarkastella karkeasti myös perin- den heikentymistä voidaan ainakin tiettyyn rajaan asti ehkäistä laadukkaammalla teisillä mediaohjelmistoilla, mutta taipumatulosten tarkka ulossaaminen videokuvas- ja ta vaatii erillisen ohjelmiston, mikä kasvattaa menetelmän vaatimaa työmäärää kustannuksia. 4.8 Iskuvasaratesti Iskuvasaratesti (hammer excitation test, impact hammer) on kannettava mittausmene- telmä, jossa voima-anturilla kiskoa. Samalla esimerkiksi kiskoon tai ratapölkkyynn kiinnitetyt kiihty- vyysanturit rekisteröivät iskun aiheuttaman värähtelyn. Iskuvasaroita on erikokoisia aina kuvassa 4.33 esitetystä pienemmästä vasarasta suurempiin lekoihin asti. Vasa- instrumentoidulla vasarallaa isketään mitattavaa kohdet- ta, esimerkiksi roilla pystytään saavuttamaan alimmillaan Hz jaa korkeimmillaan Hz taajuuksia vaihtelemalla vasaran lyöntipään materiaalia esimerkiksi kumista me- talliin. [6], [10] Kuva Esimerkkejä iskuvasaratestistä ja kiihtyvyysantureiden sijoittelusta erilaisil- la radoilla. [10] Iskuvasaratestin tulostenkäsittelyssä mitatut signaalit muunnetaan Fast Fourier- olevan lineaarista. Taajuusvastefunktioiden käytön etuna on se, s etteivät ne ole herkkiä im- muunnoksella taajuusvastefunktioiksi olettaen samalla radan käyttäytymisen pulssikuorman suuruudelle tai kestolle. [10] Koska iskuvasaratestissä alimmatkin rekisteröitävät taajuudet ovat melko korkeita, soveltuuu testi parhaiten esimerkiksi meluun, tärinään tai pyörä-kisko-kontaktivoimiin liittyvien ongelmienn mittaamiseen. Varsinkin pienempien vasaroidenn kuormitusvaiku-

100 Yhteenveto pistemäisistää mittausmenetelmistä tuksen ollessa lisäksi vähäinen, ei iskuvasaratestiä voida pitää varteenotettavana me- netelmänä radan kokonaisjäykkyyden mittaamiseen. [6] Taulukkoon 4.2 on koottu tässä luvussa esiteltyjen pistemäisten mittausmenem etelmien etuja ja rajoituksia sekä arvioitu menetelmien ominaisuuksia erii kriteereiden perus- mene- teella. Koska luvussa 4.8 esitelty iskuvasaratesti ei vaikuttanut potentiaaliselta telmältä radan taipuman mittaamiseen, jätettiin se tämän yhteenvedon ulkopuolelle. Taulukko 4.2. Yhteenveto pistemäisten mittausmenetelmien eduista ja rajoituksista. Yleisesti ottaen kaikilla tässä luvussa esitellyillä pistemäisillä mittausmenetelmillä on sekä etuja että rajoituksia niiden käyttöön liittyen, joten menetelmien yksiselitteinen arvottaminen tai vertailu on hankalaa. Koemittauksissa käytettäviksi valitut pistemäi- set mittausmenetelmät esitellään luvussaa 6.2.

101 99 5 Jatkuvat mittausmenetelmät Maailmalla on kehitetty joitain sovelluksia radan jäykkyyden jatkuvaan mittaamiseen. Pistemäisten mittausmenetelmien palvellessa enemmänkin yksityiskohtaista ongelmakohteiden tutkimista, jatkuvat mittausmenetelmät vastaavat paremmin kokonaisten rataosien laajuiseen jäykkyyden mittaustarpeeseen. Tässä luvussa käsitellään ensin korkeuspoikkeaman mittaamisen periaatteita radantarkastuksessa ja niiden hyödyntämismahdollisuuksia jäykkyystarkasteluissa. Lisäksi esitellään maailmalla radan jäykkyyden jatkuvatoimiseen mittaamiseen kehitettyjä mittalaitteita sekä niiden etuja ja rajoituksia. Luvun lopuksi esitellään TTY:llä kehitelty jatkuvan mittausmenetelmän prototyyppi. 5.1 Radantarkastusvaunut Korkeuspoikkeaman mittaaminen radantarkastuksessa Radantarkastuksessa käytetään korkeuspoikkeamien mittaamisessa mittakantamittausta, joka voidaan tehdä joko mittapyörien tai lasereiden avulla. Toinen käytössä oleva menetelmä korkeuspoikkeamien mittaamiseen on inertiamittaus, joka perustuu liikettä mittaaviin kiihtyvyys- tai kulmanopeusantureihin. Korkeuspoikkeaman mittaus on radantarkastusmittauksista lähinnä radan jäykkyyden mittaamista, sillä se mittaa vaunun kuormituksesta aiheutuvan korkeuspoikkeaman ja radan epätasaisuudesta aiheutuvan korkeusvaihtelun summan. Mittaukset ovat suhteellisia eli mittaus tehdään suhteessa kiskon keskimääräiseen korkeusasemaan nähden. Mittakantamittaus tehdään kolmen pisteen avulla siten, että esimerkiksi mittausvaunun akseli on yksi tarkastelupiste ja tämän molemmilla puolilla sijaitsevat kaksi mittapyörää toimivat kahtena muuna tarkastelupisteenä. Ruotsalaisessa IMV100 radantarkastusvaunussa radan korkeuspoikkeaman, nuolikorkeuspoikkeaman, raideleveyden ja kierouden mittaus perustuu edellä kuvatulla tavalla vaunun akseliin ja kahteen mittausakseliin kuvan 5.1 mukaisesti. Y2 Y1 X1 X2 Kuva 5.1. Periaatekuva ruotsalaisen IMV100 radantarkastusvaunun korkeuspoikkeaman mittausjärjestelystä.

102 100 Mittauksessa käytettävien mittauspisteid den välimatka on ruotsalaisessa mittavau- takim- nussa 5,5 metriä etummaisen mittapyörän sijaitessaa 3 metrin etäisyydellä jaa maisen 2,5 metrin etäisyydellä vaunun akselista. Useissa kirjallisuuslähteissä maini- paikan taan 10 metrin mittakanta. Mittaustulos on yksi signaali, joka kertoo ajan tai suhteen miten kiskon korkeusasema vaihtelee suhteessa keskimääräiseen kiskon kor- (EMMA) mittaus tehdään mittaustelien avulla. Vaunun omat telit toimivat kahtena keusasemaan. Suomessa käytössä olevassaa Plasser & Theurerin EM 120 radantarkastusvaunussa tarkastelupisteenä ja erillinenn mittaustelii yhtenä. Suomessa korkeuspoikkeamien tarkastelussa käytetään 5 metrin laskennallista mittakantaa. EMMA:ssa (kuva 5.2) teli- vas- keskiöiden välinen etäisyys 12 metriä on selvästi enemmän kuin 5 metriä, mutta taavasti vähemmän kuin nuolikorkeuspoikkeamien määrittämisessä käytettävä mittakantaa 20 metriä. Kuva 5.2. Suomessa käytössä oleva radantarkastusvaunu Ttr1 51 (EMMA). [87] Mittakantamittausta voidaan tehdä myöss lasereilla vastaavasti kuten k pyöräkerroilla. Lisäksi epätasaisuutta voidaan mitata inertian avulla, jossa vaunun akselin tai telin suhteellista asemaa mitataan kiihtyvyysanturien ja/ /tai gyroskooppien avulla. Iner- muutosta ja kiihtyvyysanturitt ja gyroskoopit mahdollistavat tämän ilmiön havaitsemi- sen. Oikeastaan ainoa merkittävä ero menetelmien välillä on se, että mittakantamit- tauksessa mittaus tehdään fyysisesti kolmesta pisteestä, kun taas inertiamittaus teh- tiamittaus perustuu kappaleen hitauteenn eli sen taipumukseen vastustaa nopeuden dään vain yhdestä pisteestä. Inertiamittauksen mittaustuloksena saadaan suoraan radan geometria, kun taas mittakantamittauksessa tietyt pyörienn etäisyyksien perus- pienemmiksi. Tästä syystä mittakantamittauksen mittaustulos muutetaan vastaa- teella määräytyvät aallonpituudet joko korostuvat tai tulevat arvioiduksi todellisuutta maan radan geometriaa muuntofunktioiden avulla (Transfer Functions).

103 101 Perinteinen inertiamittaus tarvitsee toimiakseen tietyn ajonopeuden. Anturitekniikan kehityttyä on saatavilla lähes nollataajuuksia mittaavia kiihtyvyysantureita, mutta silti mittaustulos on hyvin pienillä ajonopeuksilla epätarkka. Plasser & Theurer [88] lupaa mittauksen toimivan t kuitenkin millä tahansa ajonopeudellala aina 300 km/h saakka. Teoriassa inertiamittauss toimiikin sitä paremminn mitä lujempaa ajetaan.. Kuva 5.3. Inertiamittauksenn toimintaperiaate. [88] Mittakantamittauksessa käytettävä mittakanta vaikuttaa olennaisesti mittaustulok- 3, 5 seen. Kuvassa 5.4 esitetyssä esimerkissä on käytössä kolme erilaistaa mittakantaa: ja 10 metriä. Aaltoviiva kuvaa kiskon keskimääräistä korkeusasemk maa, joka määrite- havaitaan, että epätasaisuuden ollessa pitkäaaltoinen, lyhyt l mittakanta huomaaa siitä tään mittaustuloksista mittakannan mittaisen liukuvan keskiarvonn avulla. Kuvasta vain osan, kun taass pidempi mittakanta havaitsee suuremman epätasaisuuden. Vas- kis- taavasti korkeuspoikkeaman ollessa hyvin pienipiirteinen, esimerkiksi lätistynyt kojatkos, saattaa pidempi mittakanta hukata korkeuspoikkeamavirheen, joka näkyisi selvästi lyhyellä mittakannalla. Inertiamittauksessa pisimmän käytettävissä olevan mittakannan määrittävät anturitekniikka, ajonopeus ja laskennassaa käytettävät suo- sel- dattimet. Inertiamittauksella pystytään määrittämään kuitenkin k epätasaisuuksia västi pidempään mittakantaan perustuen kuin mittapyörillä. Joissakin mittausvau- valmistamissa radantarkastusvaunuissa on kuitenkin käytössä ainoastaan inertiamit- taukseen perustuvia mittausjärjestelmiä, sillä kosketukseton mittaus mahdollistaa suuremmat ajonopeudet nuissa ovatkin käytössä molemmat mittaustekniikat. Uusissa Plasser & Theurerin [88].

104 102 Kuva 5.4. Mittakannan vaikutus mittaustulokseen mittakantamittauksessa.. Yksi olennainen pyörillä tapahtuvan mittakantamittaukseen vaikuttava asia on käy- mittaus korostaa tiettyjä aallonpituuksia ja aliarvioi toisia. Symmetrinen pyöräväli on tettävien pyörävälien keskinäinen etäisyys. Riippumatta käytettävästä pyörävälistä, kaikkein heikoin, sillä se käytännössä kadottaa pyörävälin mittaisen aallonpituuden. Lisäksi mittakantamittauksen laskennassa käytetään apuna trigonometrisia funktioi- syystä ta, jotka saavat nollakohdan aina tietyn aallonpituuden kerrannaisilla. Tästä laskennassa käytetään erityisiä muuntofunktioita, joilla pyritään minimoimaan mitta- hyvin uksesta aiheutuvat virheet. Tästä huolimatta mittakantamittaus ei havaitse yhtä kaikkia aallonpituuksia, erityisesti erittäinn lyhytaaltoiset geometriavirheet, kuten kor- pyöräväliä eri aallonpituudet havaitaan hieman paremmin. Radann tarkastuksessa tuli- rugaatio, eivät välttämättä tulostu t toivotulla tavalla. Käytettäessä epäsymmetristä si standardin [89] mukaan käyttää epäsymmetristä pyöräväliä Radantarkastustulosten hyödyntäminen jäykkyystarkasteluissa Radantarkastuksen mittaustulosraportit eivät sellaisenaan sovellu radan jäykkyyden arvioimiseen. Mittaustulos sisältää tiedonn radan jäykkyysmuutoksista, mutta tieto on sekoittuneena radan epätasaisuuksiin. Ruotsissa Eric Berggren on o kehittänyt paten- osiin toitua menetelmää, jossa mittausvaunun mittaama radan epätasaisuus jaetaan siten, että saadaan erilleen vaunun kuormasta aiheutuva radan taipuma ja kuormit- laskemiseksi tarvitaan kaksii eri mittausmenetelmää samalta akselilta, a jotka ovat tamattoman radan epätasaisuus. Berggreniltä saadun tiedon perusteella jäykkyyden ruotsalaisessa vaunussa mittapyöriin perustuva menetelmä ja inertiamittaus. Lasken- tarkastelu eteneee siten, että mittapyöriin perustuvan mittauksen avulla päätellään miten paljon vaunun raskas akseli on kuopassa suhteessa mittapyöriin ja tämä ero- tamenetelmän yksityiskohdatt eivät ole tarkalleen selvillä, muttaa yksinkertaistettuna tetaan radan epätasaisuudesta inertiamittauksen perusteella. Menetelmän käyttäminen edellyttää tietoa kuormituksesta, joka voidaan joko mitata tai laskea radan epätasaisuuteen tai kiihtyvyysmittaukseen perustuen. Lisäksi mene- telmän käyttöön liittyy epävarmuus kuorman aiheuttaman kiskon taipuman karakte- Berggrenin menetelmän selkeä etu olisi se, että jäykkyysmittaus tehtäisiin aina sa- ristisesta pituudesta, joka vaihtelee jonkin verran erilaisilla alustan jäykkyyksillä. malla, kun tehdään radantarkastusta. Radantarkastusvaunun mittaustulosten hyödyntämisessä voisi olla myös muita mah- syksyl- dollisuuksia, kuten eri vuodenaikoina tehtyjen mittausten vertailu. Esimerkiksi lä tehdyn mittauksen ja talvella routaantuneella ratarakenteellaa tehdyn mittauksen vertailu saattaisi tuoda esille kohtia, joissa jäykkyys vaihtelee sulan maan aikana pal- sekoit- jon. Toisaalta ratarakenteen routaantuessr sa epätasaiset routanousut saattavat taa tarkastelun. Talvimittauksia ei voi verrata keväällää tehtyihin mittauksiin, m sillä rou- ole dan sulaminen voi muuttaa olennaisesti tuentatilannetta eivätkää mittaustulokset enää jäykkyysnäkökulmasta vertailukelpo oisia. Mittaustulosten vertailu kertooo kuiten-

105 Oskilloivaan menetelmät RSMV massaan perustuvatt kin ainoastaan jäykkyyden vaihtelusta eli jäykkyyden absoluuttista tasoa sillä ei saa- da selville. Ruotsalainen RSMV (Rolling Stiffness Measurement Vehicle) on varta vasten radan jäykkyyden mittaamiseen kehitetty laite. Mittauslaite koostuu k kaksiakselisestaa vau- ku- nusta, jonka toisen akselin päälle on rakennettu dynaaminen kuormituslaitteisto van 5.5 mukaisesti. Kuormitusakselin staattinen akselipaino on 1800 kn, jonka lisäksi l kuormitusta voidaan vaihdella 60 kn dynaamisesti hydrauliikan avulla. Dynaaminen kuormitustaajuus on maksimissaan 50 Hz, mutta käytännön mittauksissa pitäydytään yleensä alle 10 Hz taajuuksissa, jotka vastaavat hienorakeisten pohjamaiden reso- nanssitaajuuksia. [90] Kuva 5.55 RSMV:n rakenne. Vasemmallaa kuormitettavan akselin yläpuolelle asen- netutt vastapainott ja oikealla lähikuva hydraulitunkilla varustetustaa sekä kiihtyvyysanturillaa ja voima-anturilla instrumentoidusta akselista. [90][ RSMV:llä tuotettu dynaaminen kuormitus jäljittelee sinimuotoa, joka saadaan aikaan kuormittamalla tunkilla akselia vastapainonn suhteen. Vastapaino sijaitsee vaunun si- vastapainon hitauteen, jolloin nopea kuormitus ei ehdi vielä juurikaan siirtää vasta- painoa, mutta tunkin voiman lisäys aiheuttaa akselipainon lisäyksen. Vastaavasti tun- sällä ja sen on mahdollista liikkua pystysuunnassa. KuormitustapK pahtuma perustuu kin tuottaman voiman nopeasti pienentyessä, vastapaino ei ehdi putoamaan yhtä no- ja peasti ja akselipaino pienenee. Kuormituksen suuruuss mitataan voima-anturilla kuormituksen aiheuttama siirtymä mitataan kiihtyvyysanturilla (kuva 5.5). Voima- siirtymä yhteyden perusteella voidaan laskea radan jäykkyys. Vaikka mittausvaunun rakennee on periaatteessa hyvin yksinkertainen, liittyy etenkin hydrauliikan tuottaman kuormituksen ohjaukseen useitaa muuttujia. Suurin tekninen haaste onkin Berggrenin mukaan ollut rakentaa kuorman tuottamiseen oikeanlainen ohjausjärjestelmä, joka

106 104 säätää kuormitusta mitatun voiman perusteella. Säätöparametrit eivät voi olla vakioita, sillä voimantuotto muuttuu alustan jäykkyyden muuttuessa. [90] Mittausteknisesti RSMV tuottaa juuri oikeanlaista mittaustulosta radan jäykkyydestä. Toisin kuin kaikissa geometrian mittaukseen perustuvissa mittausmenetelmissä, radan epätasaisuudet eivät vaikuta mittaustulokseen. Laite ei kuitenkaan mahdollista kovin pienten kuormitusten käyttöä, jolloin tuentatilanteen vaikutuksen erottaminen tuloksista on hankalaa. Mittaustulos kuormitusväliltä kn edustaa tilannetta, jossa kaikki radan komponentit ovat täydessä kontaktissa toisiinsa. Joissakin tapauksissa, kuten tukikerroksen vaihtotarpeen arvioinnissa, voisi olla tarpeen selvittää radan jäykkyys myös hyvin matalalla kuormitustasolla, mikä mahdollistaisi ratapölkkyjen heikon tukeutumistilanteen havaitsemisen mittaustuloksista. RSMV:n suurin mahdollinen ajonopeus mitattaessa on lähteestä riippuen km/h. Ajonopeuden määrää lopulta haluttu tarkastelutarkkuus ja tarkasteltava ratarakenne. Jos halutaan selvittää pohjamaan ominaisuuksia, täytyy kuormitustaajuuden olla alle 10 Hz [90]. Radan ylempien rakenneosien tarkastelussa voidaan käyttää korkeampiakin taajuuksia noin 30 Hz saakka. Yksittäinen mittaustulos koostuu aina useasta kuormituspulssista. Berggrenin mukaan olisi hyvä käyttää 30 pulssin keskiarvoa, mutta tätä liukuvaa keskiarvoa voidaan toki muuttaa. Alla kuvatut laskennalliset esimerkit osoittavat, että suurin mahdollinen ajonopeus ei ole kovin suuri. Esimerkki 1: Oletetaan, että halutaan neljä mittaustulosta metrille. Halutaan mitata pohjamaan jäykkyyttä savikolla. Käytetään kuormitustaajuutta 10 Hz ja 30 pulssin keskiarvostusta. Halutaan, että mittaustulos edustaa juuri kyseistä neljännesmetriä. Tarvitaan 120 pulssia metrille, ajonopeudeksi tulee 1/12 m/s eli 0,3 km/h. Esimerkki 2: Oletetaan, että halutaan yksi mittaustulos metriä kohden ja keskiarvostus tehdään liukuvana 30 pulssin yli siten, että yksi pulssi edustaa yhtä ratametriä. Tällöin ajonopeudeksi muodostuu 10 m/s eli 36 km/h. Mittaustulos edustaa 30 metrin keskiarvoa, vaikkakin mittaustulos voidaan tulostaa jokaiselle ratametrille. Esimerkki 1 antaa erittäin hyvän kuvan ratarakenteesta, mutta hitautensa takia se soveltuu käytettäväksi vain erikoiskohteisiin. Esimerkki 2 taas edustaa lähestulkoon teoreettista maksimia ja käytännössä RSMV:llä voidaan tehdä mittauksia näiden ääripäiden välillä. RSMV:n mittaustapahtuma on dynaaminen, jolloin rakenteiden resonanssitaajuudet vaikuttavat mittaustulokseen. Savipitoisten maalajien resonanssitaajuus on tyypillisesti alle 10 Hz (vrt. kuva 2.2) ja radan rakennekerrosmateriaalien tätä selvästi korkeampia, tyypillisesti Hz. Eri näkökulmista katsoen on mahdollista käyttää juuri jonkin rakenneosan resonanssitaajuutta tai sitten pyrkiä välttämään niitä. Etukäteen ei voi kuitenkaan tietää milloin mittaus tapahtuu jonkin rakenneosan resonanssitaajuudella. Yhden mittausajon aikana taajuutta ei ole järkevää muuttaa ja toisella eri mittaustaajuudella tehty ajo saattaa tuottaa hieman erilaisen tuloksen riippuen siitä aiheuttiko mittaustaajuus jonkin rakenneosan resonointia. Suoraviivaisinta olisi käyttää niin korkeaa mittaustaajuutta, että oltaisiin resonanssitaajuuksien yläpuolella. Tämä johtaisi käytännössä noin 50 Hz kuormitustaajuuteen, joka on puolestaan kuormituksena liian nopea, jotta kuormitusvaikutus tunkeutuisi kovin syvälle rakenteeseen. Yhteenvetona voitaneen todeta, että vaikka RSMV:n mittaustapahtuma on mittausteknisesti varsin yksinkertainen ja suoraan radan jäykkyyttä mittaava, joudutaan mittaustulosten analysoinnissa arvuuttelemaan sitä, kuvaako mittaustulos rata-

107 105 rakenteen käyttäytymistä jonkinn rakenneosan resonanssissa vai ei olisi saatu vähän erilaisella mittaustaajuudella. ja millainenn tulos Portancemetre Portancemetre on ranskalainenr n versio dynaamisesta radan r jäykkyyden mittauslait- teesta (kuva 5.6). Mittausperiaa ate on täsmälleen sama kuin k ruotsalaisessa RSMV:ssä, mutta voiman tuottamisen periaatteessa on hieman eroavaisuuksia. Portancemetre on erillinen laite, jota vedetään veturilla. Kuormituksen tuottava ja mittauksen tekevä t osa on erillinen kalustoyksikkö ja sen käyttämiseen tarvitaan toinen kalustoyksikkö, joka sisältää muun muassa kuormitukseen tarvittavan hydrauliikann ja elektroniikan. Mittaustieto kerätään kannettavalle tietokoneelle veturissa. Laitteistossa on neljää asiaa mittaavat anturit: kiihtyvyysanturit sekä jousittamattomassaa että jousitetussa massassa, vaihe/taajuusanturi kuormituksen synkronointia varten jaa matkaa mittaava pulssianturi. Lisäksi laitteistoonn kuuluu kamera, joka kuvaa k radan pintaa sekä GPS- an- paikannusjärjestelmä [91]. Voiman mittauksesta lähde ei mainitse mitään, mutta taa kaavan, jolla voima määritetään kiihtyvyyksien perusteella. Kuva 5.6. Portancemetre. [91] Dynaaminen kuormitus tuotetaan epäkeskisen massan avulla vastaavasti kuin täryjy-t sillä rissä. Kuormituksen ohjaus saattaa olla hieman yksinkertaisempi kuin RSMV:ssä, muuttujina ovat vain taajuus ja vaihe. Laitteen jousitettu massa on 2955 kg ja jousit- tamaton massa on muutettavissa. Raportoiduissa testeissä on käytetty jousittamat- tomia massoja kg ja 2940 kg sekä näiden lisäksi muuttuvaa m kuormaa, jonka suuon ol- ruudesta on annettu epäkeskinen momentti ja taajuus. Epäkeskinenn momentti lut testeissä 1.391, tai kgm ja taajuus 10, 20, 2 25, 30 taii 35 Hz. Kokonais- kuormituksen laskentakaavalla ei näiden tietojen perusteella pysty suoraan arvioi- maan toteutunutta kuormitusvä äliä, sillä kaava sisältää jousittamattoman ja jousitetun massan kiihtyvyydet. Esimerkinn mukaan toteutunut kuorma k olisii pyöräkohtaisesti noin 50 kn staattista kuormaa ja ±20 kn muuttuvaa kuormaa. Testeissä on käytetty ajonopeutena 6 km/ /h ja radan kokonaisjäykkyys on laskettu 30 peräkkäisen kuormi- tuspulssin keskiarvona. Esimerkki mittaustuloksista on esitetty e kuvassa 5.7.

108 106 Kuva 5.7. Esimerkki Portancemetrellää eri taajuuksilla toteutetuista mittauksista samalla rataosuudella. [91]] Kuvan 5.7 mittaustulosten mukaan kuormitustaajuudella olisi merkittävä vaikutus radan jäykkyyteen. Etenkin 25 Hz kuormitustaajuudella toteutettu mittaus onn tuotta- Hos- nut muihin taajuuksiin verrattuna selvästi suuremman kokonaisjäykkyyden. seingholian et al. [91] arvelivat, että tämää taajuus olisi hyvin lähellä radan resonanssi- jäyk- taajuutta, mutta oletus ei vaikuta uskottavalta, sillä yleisesti otaksutaan radan kyyden pienenevän resonanssissa. Toisaalta radan jäykkyyden pitäisi kasvaa kuormi- lähellä tustaajuuden kasvaessa ja siten olisi mahdollista, että 30 Hz taajuus olisikinn radan resonanssitaajuutta. Joka tapauksessa suurella kuormitustaajuudella toteutet- tavissa mittauksissa resonanssitaajuudet ja ylipäätään maarakenteiden taajuusriip- puvuudet tulevat mukaan yhtälöön ja ne vaikeuttavat mittaustulosten tulkintaa. 5.3 Geometrian mittaamiseen perustuvat menetelmät Track Loading Vehicle (TLV) Yhdysvaltalainen Transportation Technology Center Inc. (TTCI) on käyttänyt luvulta alkaen rataa hallitusti kuormittavia vaunuja. Ensimmäinen versio oli AAR:n kanssa yhteistyössä kehitetty DECAROTOR (ks. luku 4.2), joka oli saanut nimensä pyöriensä lukumäärän mukaan. Pidemmälle kehitelty versio edellisestä on myös lu- sekä vussa 4.2 esitelty Track Loading Vehicle (TLV), joka pystyy kuormittamaan rataa paikallaan että hitaassa, maksimissaan 16 km/h, liikkeessä. Kuormitusperiaate on hieman samankaltainen kuin RSMV:ssä ja Portancemetressä. NeliakselisenN n vaunun keskellä on kuvan 4.6 mukaisesti viides pyöräkerta, jota voidaan kuormittaa hydrauli- Jäyk- sesti sekä pysty- että vaakasuunnassa. Kuormitus voi vaihdella kn välillä. kyyden mittaus perustuu kahteen peräkkäiseen ajoon erilaisilla pystysuuntaisilla kuormituksilla. Testeissä on käytetty kevyttä 44 kn akselipainoaa ja raskastaa 178 kn akselipainoa. Näiden kahden mittauksen erotuksena saadaan laskettua kuorman lisä- pe- yksestä aiheutuvaa radan taipuma. Radan muotoa mitataan laserantureiden avulla rustuen mittakantamittaukseen. Mittauksia tehdään myös tyhjällä vaunulla, jonka

109 107 mittausteli on varustettu 9 kn kuormituksen tuottavilla paineilmasylp lintereillä. Erittäin kevyen akselin tuottama mittaustulos edustaa radan geometriavirheitä. [6] Kuvassaa 5.8 on esitetty lasereihin perustuvan mittakantamittauksen periaate. Radan pystysuuntainen geometria määritetään kolmen laserinn avulla vastaavasti kuin ruot- salaisen radantarkastusvaunun IMV100 kohdalla. Kuva 5.8. Radan geometrian mittaaminen lasereihinn perustuvalla mittakantame- en- netelmällä. [92] CARS Kiinan rautatieakatemia (The China Academy of Railwayy Sciences, CARS) oli yksi simmäisistä jatkuvan radan jäykkyyden mittalaitteen kehittäjistä. k Mittaus perustuu kahteen erilaisella akselipainolla varustettuun vaunuun, jotka molemmat mittaavat radan geometriaa mittakantami ittauksella kuvan 5.9 mukaisesti. Kevyen vaunun akse- ratapölkkyjen vaikutus mittaustuloksista. Kevyen vaunun tarkoituss on mitata radan lipaino on 40 kn ja sen s on katsottu olevan riittävä poistamaan heikosti tukeutuneiden kuormittamaton geometria eli selvittää radassa olevat geometriamuutokset. Ras- il- kaan vaunun akselipainoa voidaan vaihdella knn välillä. Radan jäykkyyttä mentää näiden kahden eripainoisen akselin mittaustulosten erotus samalla tavalla t kuin TLV:ssä. Toistamalla mittaus erilaisilla akselipainoilla voidaan saada selville myös jäykkyyden epälineaarinenn käyttäytyminen. Vaunun suurin sallittu ajonopeus on 60 km/h. [90], [93] Kuva 5.9. Kiinalaisen CARS:n jäykkyyden mittauslaite. [93]

110 UNL Nebraskan yliopisto (University of Nebraska, Lincoln, UNL) Yhdysvalloissa on kehittä- avulla nyt mittausjärjestelyn, joka mittaa kiskonn taipumaa viivalasereide en ja kameran kuvan 5.10 mukaisesti. Mittaus tehdään suhteessa pyörän ja kiskon kosketuspistee- (kuva seen eli taipuman mittauksen referenssipiste on taipumasupp pilon pohjalla 5.11), eikä taipumattomassa kohdassa rakennetta kuten yleensä. Jäykkyydenn ollessa heikko, pyörä kulkee ikään kuin kuopassaa ja kisko nousee lähemmäksi mittauspistettä pyörän vieressä. Viivalasereiden kiskoonn piirtämien viivojen välimatka muuttuu tai- lähin puman suuruuden suhteessa ja kamera tallentaa viivojen paikat kuviksi. Viivojen etäisyys selvitetään kuvista kuvankäsittelyn avulla [94]. Kuva Taipuman mittaaminen UNL-laitteen kameran ja viivalasereidenn avulla. [94] Kuva Kiskon taipumaa suhteessa mittauspisteeseen. [94] Mittausmenetelmän selkeä heikkous on se, että taipumaa ei pystytä mittaamaan kotaipuma konaisuudessaan, vaan taipuma mitataann suhteellisen läheltä pyörää, missä ei ole vielä ehtinyt kokonaan palautua. Osittaisen taipuman mittaus johtaa mallinta- aiheuttaa hieman virhettä, jonka suuruuss riippuu radan jäykkyydestä ja taipumamuo- don karakteristisesta pituudesta. Mittauspistettä ei pystytä viemään riittävänn kauaksi miseen, jossa kiskon kokonaistaipuma lasketaan BOEF-mallin avulla. Mallintaminen pyörästä, missä taipuma olisi nolla, sillää jyrkissä kaarteessa mittaus kohdistuu eri

111 109 kohtaan kiskoa kuin mistä pyörä kulkee. Norman et al. [94] ei ottanut kantaa siihen, s miten radan epätasaisuudet vaikuttavat mittaustuloks seen. Lähde kuitenkin toteaa, että kiskon muodon ei oleteta muuttuvan voimakkaasti lyhyellä matkalla ja että pyö- avulla. Ongelmaksi muodostuvat kuitenkin radan epätasaisuudet, jotka saattavat olla rän ja anturin kiinnityksen oletetaan olevan jäykkä. Vastaava mittaus olisi kohtalaisen helppo toteuttaa etäisyyttä mittaavien lasereiden selvästi suurempia kuin varsinaisesti mitattava suure. Ongelma voitaisiin ainakin osittain poistaa tekemällä mittaus kevyen ja raskaan akselin vierestä. Radan jäykkyys laskettaisiin näidenn kahden mittauksen erotuksena kuten monissa muissakin mene- telmissä. Tällainen menettely edellyttäisi kahden vaunun instrumentointia tai vaihto- jatkuvan jäykkyyden mittauslaitteen nimeltä SKMT. Laitteen mittausperiaate perus- tuu mittakantamittaukseen, joka on toteutettu rakentamalla kaksi neliosaista kehik- koa viiden akselin varaan tukemiskoneen ympärille kuvan 5.12 mukaisesti. Mittauk- sessa vierekkäisten kehikoidenn kallistuskulmia mitataan siirtymäantureilla, joiden j ehtoisesti kevyen mittaavan akselin sijoittamista raskaan vaunun alle SKMT Prahan teknillinen yliopisto ja KZV (Komercni Zeleznicni Vyzkum) ) ovat kehittäneet tuloksett voidaan edelleen muuntaa pystysuuntaiseksi taipumaksi. Kuormitus, jonka suuruuss kiskoa kohden on 80 kn, kohdistetaan kiskoihin tukemiskoneen muunnellun nostomekanismin avulla. [95] Kuva Tsekkiläinen mittauslaite SKMT. [95] SKMT-mittauksessaa tehdään kaksi erillistä mittausta mitattavalla m rataosuudella; toi- nen kuormitettuna ja j toinen kuormittamattomana. Näiden kahden mittausajon tulos- ilmeisesti 20,8 m mittakannalla a. Tämä todennäköisesti vastaa kehikoiden ulommais- ten akseleiden etäisyyttä. Raportissa ei ole mainintaa ajonopeudesta, jolla mittaukset on tehty. ten erotuksen avullaa voidaan laskea ratamoduuli BOEF-malliin perustuen. [95] SKMT-mittaustuloksista on pääteltävissä, että pystysuuntainen taipuma määritetään

112 SBB Sveitsin rautateiden (Schweizerische Bundesbahnen, SBB) kehittämä versio jäykkyy- ja on den mittalaitteesta perustuuu kahteen radan geometriaa mittaavaan vaunuun toimintaperiaatteeltaan hyvin samankaltainen kuin TLV ja CARS. SBB:n versiossa geometriaa mitataan hyvin kevyillä vaunuilla ja rataa kuormittaa tavallinenn tavara- vaunu, vaunu. Mittausjärjestelyyn kuuluu kuvan 5.13 mukaisesti vielä kolmaskin kevyt joka ilmeisesti liittyy raskaan akselin taipuman mittaukseen. [96] Kuva Sveitsiläisen SBB:n radan jäykkyyden mittauslaite. [96][ Useasta erillisestä vaunusta huolimatta sveitsiläisten mittausjärjestely on kohtalai- perään. Varsinaiset mittausjärjestelyt, kuten käytetyt anturit yms. seikat, eivät ilmene sen yksinkertainen ja se voidaan periaatteessa liittää minkä tahansa kalustoyksikön lähteestä [96] Kiihtyvyysantureihin perustuva mittaus Sussmann [97] on tutkinut mahdollisuutt ta instrumentoida kevyt ja j raskas akseli kiihtyvyysantureilla ja mitata radan jäykkyyttä inertiamittaukseen perustuen. p Perusaja- lasket- tuksena on samankaltainen mittaustapa kuin TLV:ssä ja CARS:ssaa eli jäykkyysys taisiin kahden eripainoisen akselin tuottaman geometrian erotuksena. Menetelmä edellyttäisi ilmeisesti mittaustulosten muuttamista tiettyyn mittakantaan jaa eri pai- oikeas- noisten akseleiden tuottamien korkeuspoikkeamien vertailua. Menetelmä M eii taan eroa mitenkään siitä, että tehtäisiin kaksi radantarkastusta eripainoisilla radan- (ks. tarkastusvaunuilla. Kiihtyvyysantureiden käytön ongelmana on se, että kaksinkertainen integrointi luku 4.5) edellyttää aina ylipäästösuodattimen käyttöä, minkä seurauksena signaalin nollataso menetetään. Käytännössä tämää tarkoittaa sitä, että menetelmä toimii vain tilanteissa, joissa jäykkyys vaihtelee jatkuvasti. Jos jäykkyys pysyy vakionaa matkan suhteen, mittaustulosten erotus on nolla. Vakiojäykkyyden omaava rata tuottaa siis kaksi täsmälleen samanmuotoista geometriaa, raskaampi pyörä vain kulkee painau- takia tuneena syvempään ratarakenteeseen. Koska nollataso on ylipäästösuodattimen menetetty, absoluuttista jäykkyyttä ei saada selville. Siinä todennäköisessä tapauk-

113 111 sessa, että jäykkyyss vaihtelee koko ajan matkan suhteen, menetelmän pitäisi teorias- taso jäänee selvittämättä HSD sa havaita jäykkyyden muutokset. Tässäkin tapauksessa jäykkyyden absoluuttinen Delftin teknillinen yliopisto on kehittänyt High Speed DeflectograpD ph -nimisen (HSD)( laitteen pinnan taipuman mittaamiseen. Mittaus perustuu laserdoppler-antureihin, jotka mittaavat taipumanopeutta absoluuttisen taipuman sijaan. Rautatiesovellusta ei ole tiettävästi rakennettu, muttaa tanskalainen Greenwood Engineering käyttää mene- telmää tierakenteenn taipuman mittaamiseen (kuva 5.14). [98], [99] Kuva HSD tekemässä taipumamittauksia tanskalaisella maantiellä. [99] Kuorma-auton perävaunun pyörä aiheuttaaa tien pintaan vastaavann kaltaisen taipu- pin- masuppilon kuin junan pyörä rataan. Kun ajoneuvo liikkuu maantienopeuksilla, nan nopeuden pystysuora komponentti kuvaa taipumanopeutta, joka kasvaa abso- esimerkkikuvaajia, joissa j mitattu taipumanopeus on ollut o tanskalaisella maantiellä tehdyissä testeissä noin 0,010 0,015 m/s ajonopeudell la km/h. Absoluuttinen taipumaa pudotuspainolaitteellaa tehdyissä mittauksissa oli vastaavasti noin 0,3 mm. luuttisen taipuman ja ajonopeuden kasvaessa. Rasmussen et al. [98] ovat esittäneet Antureiden mittaustarkkuuden kerrotaan paranevan ajonopeuden ja siten myös taiusein pumanopeuden kasvaessa. Rautatiesovelluksissa absoluuttinen taipuma olisi moninkertainen, joten myös taipumanopeus olisi moninkertainenn ja ajonopeuskin voisi olla selvästi suurempi. s Siten taipumanopeuden mittaustarkkum uus rautatiesovel- luksessa saattaisi olla jopa selvästi maantiesovellusta parempi. Mittausjärjestely vaatii vähintään yhden anturin, joka mittaa m taipumanopeutta tietys-t tai- sä kohdassa taipumasuppiloa ja toisen anturin joka mittaa tien epätasaisuudet pumasuppilon ulkopuolelta. Lisäksi tarvitaan kiihtyvyysanturit ja gyroskoopitt mit- ja taamaan ajoneuvonn liikkeitä, sillä mittaus tehdään jousitetun perävaunun suhteen perävaunun jousituksen aiheuttamat pystysuuntaiset liikkeet näkyvät myös taipuma-

114 112 nopeutena. Kumipyörillä toimiminen tuo menetelmään omat haasteensa, sillä myös pyörien jousto tuottaa vastaavaa nopeutta. Mittaus täytyy tehdä kohtisuorassa kulmassa mitattavaan pintaan nähden. Näin ei aina pystytä toimimaan, sillä anturin asento on mittauksessa vakio, mutta pinnanmuoto vaihtelee. Pienikin epätarkkuus kohtisuoruudessa lisää taipumanopeuteen komponentin ajonopeudesta ja se lisää helposti menetelmän epätarkkuutta, sillä ajonopeus on usein 100-kertainen taipumanopeuteen verrattuna. Jos mittauksella halutaan selvittää absoluuttinen taipuma, antureita pitää olla useampi taipumasuppilon matkalla, jotta niiden perusteella voidaan integroida taipumanopeudet siirtymiksi. Maksimitaipumaa ei pystytä HSD:ssä mittaamaan suoraan pyörän kohdalta, sillä taipumanopeus kyseisessä pisteessä on nolla. Mittaus on herkin jyrkimmässä kohdassa taipumasuppiloa kulkusuunnassa hieman pyörän edessä tai takana. Mittausjärjestelyssä on hyvin paljon yhtäläisyyksiä radan jäykkyyttä mittaavien mittalaitteiden toimintaperiaatteiden kanssa. Rautatiesovelluksessa mittausanturit voitaisiin kiinnittää jousittamattomaan massaan ja koska teräspyörien jousto on merkityksetön, mittauksessa olisi monta häiriötekijää vähemmän verrattuna maantiesovellukseen. 5.4 Prototyyppi Edellä kuvattuja mittauslaitteita ei pystytä sellaisenaan hyödyntämään Suomen rataverkolla lähinnä erilaisen raideleveyden takia. Esimerkiksi ruotsalaisen mittalaitteen muutostyöt aiheuttaisivat runsaasti kustannuksia ja mittausten volyymin täytyisi olla huomattavan suuri kattamaan muutostöistä aiheutuneet kulut. Ainoaksi käytännön vaihtoehdoksi jäi lopulta oman melko yksinkertaisen, ja siten huokean, mittauslaitteen rakentaminen. Edellä kuvattujen olemassa olevien jatkuvien mittauslaitteiden hyviä ja huonoja puolia tarkasteltiin huolellisesti. Oskilloivaan massaan perustuvan mittausmenetelmän selkeä etu olisi riippumattomuus raidegeometriasta. Yksinkertaisimmillaan mittauksia voitaisiin tehdä itsemittaavan täryjyrän avulla. Tämä vaihtoehto oli pitkään mietinnässä, sillä valmista jyrää voitaisiin käyttää kohtalaisen pienin muutoksin sellaisenaan. Täryjyrän toimintaperiaatetta ja soveltuvuutta maarakenteiden tiiviyden ja kantavuuden arviointiin ovat pohtineet muun muassa Kalliainen et al. [36]. Esimerkiksi asfaltoinneissa käytettävään kaksivalssiseen täryjyrään tarvitsisi vain rakentaa laipat valsseihin, jotta laite pysyisi kiskoilla ja mittauslaite olisi muilta osin valmis mittaustyöhön, sillä täryjyrissä on anturointi valmiina tiiviysmittausta varten ja samaa anturointia voitaisiin hyödyntää jäykkyysmittauksessa. Täryjyrän käytön suurin heikkous on sen kohtalaisen pieni massa, sillä suurimmat täryjyrät painavat vain noin 13 tonnia ja akselipaino olisi siten alle 70 kn. Huomioitaessa myös mittauksen dynaaminen osuus, menetelmällä olisi oletettavasti mahdollista mitata radan jäykkyyttä suunnilleen kuormitusvälillä kn, joka akselipainona olisi edelleen suhteellisen kevyt, mutta kuormituksen vaihteluvälinä jo kohtalaisen suuri. Täryjyrän käyttö sellaisenaan olisi oskilloivaan massaan perustuvista mittausjärjestelyistä käytännössä ainoa mahdollinen vaihtoehto, sillä esimerkiksi RSMV:tä vastaavan mittausjärjestelyn rakentaminen alusta loppuun katsottiin liian kalliiksi ja hankalaksi toteuttaa.

115 113 Mittausmenetelmiä arvioitaessa päädyttiin valitsemaan tarkempaan tarkasteluun geometriaa mittaavat menetelmät. Näistä selvästi yksinkertaisimmalta vaikutti SBB:n muutamaan kevyeen vaunuun perustuva jäykkyyden mittausmenetelmä. Toisaalta myös radantarkastusvaunuissa käytetty tekniikka eli pyörien avullaa tapahtuva mitta- soveltaen päädyttiin prototyyppiin, jossa junan akselin aiheuttama radan taipuma mitataan mittakantamittauksen avulla ja radan kuormittamaton geometria vastaaval- la tavalla taipumasuppilon ulkopuolelta kuvan 5.15 mukaisesti. Kuvassaa 5.15 siniset pyörät edustavat junann vaunun raskaita akseleita ja vihreät pyö- kantamittaus vaikutti erittäin hyvin toimivalta menetelmältä. Näitä kahta menetelmää rät mittakantamittauksessa tarvittavia pyöriä, joiden suhteen raskaan akselin aiheut- tama taipuma mitataan. Tämä mittaustuloss pitää sisällään sekä kuormasta aiheutu- kui- van radan taipuman että radann epätasaisuudet. Radann epätasaisuudet voidaan tenkin laskea pois mittaustuloksesta mittaamalla radan kuormittamaton geometria yhden lisäakselin avulla (punainen pyörä kuvassa 5.15). Itse mittaus perustuu kulmittaus tapahtuu siirtymäantureilla. Radan taipumaa saadaan selville siis melko yksinkertai- sella tavalla kahden siirtymäanturin mittaustuloksen erotuksena. e Ennen kuin varsi- manmuutokseen vihreiden pyörien akseleiden suhteen, mutta varsinainen nainen vähennyslasku voidaan tehdä, tarvitsee mittaustulokset sitoa paikkaan ja ra- tehdyksi kuormitetun geometrian mittaustulosten kanssa. Yksinkertaisimmin paik- dan kuormittamattoman geometrian mittaustulokset tulee siirtää samassa paikassa kaan sitominen voidaan toteuttaa pulssianturin avulla,, joka laskeee pyörässä olevan hammaskehän hampaita kuljetun matkan suhteen. Myös siirtymäanturien mittaustu- lokset voidaan tallentaa mitattujen pulssien eli matkann suhteen, jolloin kahden geo- vaihesiirrolla. Absoluuttisesti mittaustulos voidaan sitoaa paikkaan GPS-paikannuksen metriamittauksen siirtäminen s samaan vaiheeseen on helppo tehdä vakiopituisella avulla. Kuva Radan jäykkyydenn jatkuvan mittalaitteen prototyyppi. p Prototyyppi näytti toimivalta paperilla tehdyissä tarkasteluissa. Aivan varmoja mene- telmän toimivuudesta ei laskennallisten tarkastelujen valossa kuitenkaan oltu, sillä mittausmenetelmään liittyy useita vaikeasti ennakoitavia tekijöitä. Tällaisiaa ovat muun muassa mittausakseleiden sivusuuntainen vaeltelu kiskon pinnalla ja vaihesiir- toon tarvittava matkan mittaus ja erityisesti tähän liittyen pyörien osittaisluisto.. Myös orsien värähtely saattaisi aiheuttaa ongelmia ainakin suurissa nopeuksissa. Toisaalta mittakantamittaustaa tehdään 120 km/h nopeuksiin saakka mitta-akseleiden avulla, joten todennäköisesti ongelmatt olisivat ratkaistavissa. Idea I vaikuttii niin toteuttamis- idean kelpoiselta, että siitä päädyttiinn rakentamaan pienen mittakaavan m prototyyppi toimivuuden testaamiseksi laboratoriossa. Laboratoriotestejä varten tarvittiin aluksi pienen mittakaavan rautatie, joka rakennet- ja siksi kiskojen joustoa lisättiinn vaahtomuovin, puukuitulevyn ja luonnonkuminn avul- tiin tikapuita muistuttavasta kaapelihyllystä. Rata rakennettiin jäykälle betonilattialle la. Lattialle levitettiin ensin koko testiradan pituudelta vaahtomuovikaistale, jonka päälle levitettiin huokoinen puukuitulevykaistale osalle ja luonnonkumikaistale osalle matkaa testiratapituudesta. Näin saatiin aikaan rata, joka on riittävän joustava ku-

116 114 vaamaan todellista radan käyttäytymistää suurilla kuormilla ja toisaalta riittävän sta- jäyk- biili toistettavuuden kannalta. Tämän jälkeen rakennettiin kuvan 5.16 mukainen kyyden mittalaitteen prototyyppi radan mittojen mukaan. Laitteenn kiskopyörätt hankit- ainoas- tiin kaupasta ja muuten metallityöt tehtiin itse. Ensimmäinen versio tehtiinn taan suoran radan mittaukseen, sillä mittalaitteen runko ei ollut sivusuunnassa jousu, jonka tava. Mittalaitteeseen kuuluivat (kuvassaa 5.16 oikealta alkaen) junanvaunu akselipainoja pystyttiin muokkaamaan painojen avulla. Seuraavaksi laitteessa oli mittavaunu, joka mittaa radan geometria kuormitettuna ja viimeisenä akseli, joka mittaa radan kuormittamattoman geometrian mittavaunun suhteen. Alkuperäisessä ideassa kolme akselia vasemmalta alkaenn olisivat hyvin kevyitä junanvaunun akseleituli tar- hin verrattuna. Tässä pienenn mittakaavan järjestelyssä kevyistää akseleista peettoman raskaita junanvaunuun verrattuna, mutta mittaustavan toimintaperiaate kuitenkin havainnollistui. Mittauslaitteisto asennettiin mittavaunun kyytiin ja paino- oli jakauma tasattiin mahdollisimman hyvinn siten, että jokaisella kevyellä k akselilla saman verran painoa. Prototyypin pituus junanvaunuineen oli 3,22 metriä ja radan ko- konaispituus 12 metriä. Koska mittalaite mittaa radan kuormitetun ja kuormittamat- toman geometrian eri kohdista rataa, todellinen radan hyötypituus oli vajaat 8 metriä. Kuva Jatkuvatoimisen jäykkyydenn mittalaitteen prototyyppi laboratoriotes- teissä. Laboratoriossa tehtiin useita mittausajojaa samalla akselikuormalla menetelmän toisen taipu- tettavuuden varmistamiseksii ja akselipainoja myös vaihdeltiin absoluuttisea man muuttamiseksi. Kuvassaa 5.17 on esitetty yhden ajon siirtymäanturien mittaustu- Kuvaa- lokset vaihesiirron jälkeen muutettuna vastaamaan taipumaa millimetreissä. jasta havaitaan, että radan geometria eli korkeusasema vaihteleee jopa 5 mm suhteel- lisen lyhyellä matkalla. Jo tämän kuvan perusteella on ilmeistä, että radan kuormitta- mattoman geometrian mittaaminen on ensiarvoisenn tärkeää menetelmän toimivuu- ku- den kannalta. Kuvasta 5.17 havaitaan myös, että raskaan akselinn korkeusasemaa vaavaa signaali S1 on alemmalla tasollaa kuvaajassaa koko matkan ajan, mutta ero kuormittamattoman akselin korkeusasem maa kuvaavan signaalin S2 S suhteen vaihtelee. Radan taipuma onkin näiden kahden signaalin S2-S1 erotus.

117 115 Kuva Prototyypin siirtymäantureiden mittaustulos. Anturit mittaavat kaksi ra- dan pystysuuntais sta geometriaa, joiden erotus on radan taipuma. Mittausmenetelmänn toistettavuus oli testeissä erinomainen, sillä kolmen peräkkäisen ajon keskihajonta samalla s kuormituksella oli keskimäärin vain 0,024 mm. Kuvassa 5.18 on esitetty kahdella erilaisella kuormituksella toteutetut kolmee ajoa, jotka tulos- sel- tuvat radan taipumakuvaajiin lähes päällekkäin. Suurempi kuorma tuottaa rataan västi suuremman taipuman, mutta taipuma ei kasva täysin lineaarisesti. Suhteellisen hallituissa oloissa toteutetussat a testissä radan jäykkyyss vaihteli melko paljon radan taipuman ollessa pienimmilläänn 0,3 mm ja suurimmillaa an noin 2,5 mm. Kuva Prototyypin testauksessa ajetut kuusi mittausajoa kahdella erisuuruisel- la kuormituksella.. Kuvassaa 5.18 mittausdata on tallennettu noin 8 mm välein matkann suhteen. Käytän- nön mittauksessa näytetaajuus voisi olla vastaavan kaltainen, jolloinn se mahdollistai- riit- si liukuvan keskiarvon käytön mittaustulosten tulostuksessa. Tulostuskuvaajissa täisi helposti tulostus esimerkiksi 0,25 metrin välein, mikä lisää mittauksen tarkkuut- ta entisestään.

118 116 Kuvassa 5.19 on esitetty testiradan jäykkyys kahdellaa erilaisella junakuormalla mitat- selvästi tuna ja neljännesmetrin liukuvalla keskiarvolla tulostettuna. Kuvasta nähdäänn kolme jäykempäää kohtaa, jotka erottuvat keskimääräisestä testiradan jäykkyydestä. Nämää kolme kohtaa ovat testiradalla sijaitsevia lattian epätasaisuuksia, joihin kiskot tukeutuivat selvemmin. Kuva Testiradan jäykkyys kahdella erisuuruisella kuormituksella määritettynä. Prototyyppi vaikutti toimivan laboratoriotesteissä ennakoidulla tavalla ja ehkäpä vielä hieman odotuksiakin paremmin. Ainoaksi haittapuoleksi havaittiin se, että radan jäykkyyden absoluuttisen tason määrittäminen vaatiii jonkin muun menetelmän, jolla laite voidaan kalibroida. Testeissä kalibrointi tehtiin mittakelloilla, joilla mitattiin se- tai- kä raskaan pyörän aiheuttama taipuma että kaikkien muiden pyörien aiheuttama puma samassa pisteessä ja pääteltiin tämän perusteella mitä mittalaitteen tulisi saa- rataa, joten ainoastaan raskaan akselin tuottama taipuma pitää mitata m lähtötilantees- sa joko vaaitsemalla tai rataan kiinnitetyllä anturoinnilla. da mittaustulokseksi. Käytännön sovelluksessa mittavaunun ei oleteta o kuormittavan

119 117 6 Koemittauskohteet ja mittausjärjestelyt Tässä luvussa esitellään ensin pistemäisten mittausmenetelmien koemittauskohteiden suurpiirteinen sijainti rataverkolla ja perustelut juuri näiden kohteiden valinnalle. Lisäksi luvun alussa esitellään jatkotarkasteluun valitut pistemäiset mittausmenetelmät sekä perusteet niiden valinnalle. Kunkin mittausmenetelmän mittausjärjestelyt esitellään luvun alussa yleisesti pääpiirteissään ja yksityiskohtaisemmin, esimerkiksi tarkemman anturisijoittelun osalta, kunkin kohteen esittelyn kohdalla erikseen. Luvun loppuosuus koostuu kunkin koemittauskohteen ominaisuuksien ja kohteelle tunnusomaisten piirteiden tarkemmalla esittelyllä kohde kerrallaan esittelyn perustuessa esimerkiksi pohjatutkimustietoihin, maatutkadataan ja valokuviin sekä havaintoihin koemittausten aikana. 6.1 Koemittauskohteet ja mittausajankohdat Koemittauksia tehtiin yhteensä kolmessatoista kuvan 6.1 osoittamassa kohteessa. Näistä kohteet 1 9 ovat TTY:n muihin tutkimusprojekteihin liittyviä routaseurantakohteita tai ratapölkkyjen venymämittauskohteita. Routaseurantakohteet valittiin koemittauskohteiksi, koska niissä oli jo valmiiksi asennettuna referenssitangot siirtymäantureita varten yhden ratapölkyn kummassakin päässä. Lisäksi kohteet sijaitsevat kohtuullisen kattavasti rataverkon eri osissa ja ominaisuuksiltaan erilaisilla rataosuuksilla, jolloin tulokset mahdollistavat erilaisten ratarakenteiden keskinäisen vertailun. Ratapölkyn päiden viereen asennetut referenssitangot ovat pääsääntöisesti kolme metriä pitkiä. Mahdolliset poikkeukset referenssitankoihin liittyen on mainittu yksityiskohtaisemman kohde-esittelyn yhteydessä. Tankojen kaksi ylintä metriä on suojattu muovisella suojaputkella, joten ne eivät ole suorassa kontaktissa radan rakennekerroksiin. Alin metri, joka koostuu harjaterästangosta, ei ole suojaputkessa ja sen tarkoituksena on ankkuroida tanko ratapenkereeseen tai pohjamaahan routanousun seuraamista varten. Kohteissa tehtiin taipumamittauksia jatkotarkasteluun valituilla menetelmillä hieman erilaisin mittausjärjestelyin ennen kohteissa 1 9 tehtyjä koemittauksia, joten myös näiden mittausten tulokset soveltuvat hyvin tarkasteltaviksi tämän tutkimuksen puitteissa.

120 118 Kuva 6.1. Mittauskohteiden sijainti Suomen rataverkolla. Muokattu lähteestä [100] Koemittauksia haluttiin ajoittaa sekä sulan maan ajalle että talviaikaan radan jäyk- kyyden vuodenaikaisvaihtelun ja ratarakenteen routaantumisen vaikutuksien v tutkimi- toiset, seksi. Ensimmäiset koemittaukset tehtiin kohteissa 1 9 syyskuussa 2011 jaa niin sanotut talvimittaukset, helmikuussa Kohteissa tehtiin mittauksia ainoastaan sulan maan aikana elokuussa Koemittauksiin valitut mittaus- - menetelmät Edellisessä luvussa esiteltiin maailmallaa käytettyjä pistemäisiä mittausmenetelmiä. Näistä tämän tutkimuksen puitteissa tehtäviin koemittauksiin valikoituivat kiihty- va- vyysanturit, siirtymäanturit ja videokamerakuvaus. Kiihtyvyys- jaa siirtymäanturit littiin niiden aiemmissa, hieman samankaltaisissa mittauksissa osoittaman potenti- minkä lisäksi niillä voidaan mitata jopa kymmenien ratapölkkyjen n siirtymiä samanai- kaisesti. Videokamerakuvausta haluttiin kokeilla radan taipuman mittaamiseen sen aalin takia. Varsinkin kiihtyvyysanturit ovat helposti asennettavissa ja siirreltävissä, yksinkertaisuuden, nopeudenn ja helppouden vuoksi. Luvuissa onn esitelty hieman tarkemmin kunkin mittausmenetelmän ominaisuuksia ja mittausjärjestelyitä yleisesti Kiihtyvyysanturit Tämän tutkimuksen puitteissa esitellyissä koemittauksissa käytettiin VTI Technolo- oli joko gies Oy:n SCA610- ja SCA620-sarjan kiihtyvyysantureita, joiden mittausaluee 3 tai 12 G. Anturit kiinnitettiinn niihin kiinteästi kiinnitettyjen magneettien avulla ratarata- pölkkyihin kiinnitettyihin metallilevyihin. Kiihtyvyysantureiden asennusetäisyys pölkyn päästä oli kaikissa kohteissa sama, noin 50 mm.

121 119 Kuvan 6.1 kohteiden 1 9 mittausjärjestelyissä käytettiinn syyskuun 2011 mittauksissa pääsääntöisesti kahtakymmentä kiihtyvyysanturia. Näistä seitsemäntoista asennet- tiin tyypillisesti peräkkäisten ratapölkkyjen päihin, yksi kiihtyvyysanturi siirtymäantu- asennettiin siirtymäanturien vertailupisteinä toimineiden referenssitankojen päihin. Kuvassaa 6.2 on havainnollistettu kiihtyvyysanturien sijoittelua kohteissa 1 9. Kysei- nen kuva on kohteesta 7 Kivesjärvi Paltamo. reilla varustetun ratapölkyn vastakkaiseen päähän ja loput kaksi kiihtyvyysanturia Kuva 6.2. Esimerkkikuva kiihtyvyysanturisijoittelustaa kohteissa 1 9 syyskuussa Kuvassaa 6.2 nähdään etualallaa instrumentoitu ratapölkky, jossaa punaiset kiihty- vyysanturit on asennettu molempiin päihin ja referenssitankojen päihin kiinnitettyi- ra- hin vastinlevyihin. Loput kuusitoista kiihtyvyysanturia on o asennettuu peräkkäisten tapölkkyjen oikeanpuoleisiin päihin. Kohteissa 1 9 kaikilla käytetyillä kiihtyvyysantu- kahtatoista kiihtyvyysanturia siten, että ne asennettiin peräkkäisten ratapölkkyjen päihin samalle puolelle raidettaa kuvan 6.3 mukaisesti. Kyseinen K kuva on kohteesta 11 reilla oli 12 G:n mittausalue. Kuvan 6.1 kohteissa elokuussa 2011 tehdyissä mittauksissa käytettiin yhteensä Vihanti Tuomioja ratakilometriltä Kohteissaa 10 ja 12 käytettiin mittaus- alueeltaan 3 G:n kiihtyvyysantureita sekä kohteissa 11 ja 13 mittausalueeltaan 121 G:n kiihtyvyysantureita.

122 120 Kuva 6.3. Esimerkkikuva kiihtyvyysanturisijoittelusta kohteissaa elokuussa Talvimittauksissaa helmikuussa 2012 koemittauskohteissa 1 9 käytettiin k 244 kiihty- 3 G:n vyysanturia. Näistä 20 anturia oli mittausalueeltaan 12 G:n antureita ja neljä antureita. Kiihtyvyysanturit sijoiteltiin kuvan 6.4 mukaisesti siten, että neljään peräk- Lo- käiseen ratapölkkyyn asennettiin kiihtyvyysanturit molempiin päihin ja keskelle. put 12 anturia asennettiin peräkkäisten ratapölkkyjen päihin, samalle puolelle kuin syksyn 2011 mittauksissa. Kuva 6.4. Esimerkkikuva kiihtyvyysanturisijoittelusta talvimittauksissa kohteissa 1 9. Mahdolliset kohdekohtaiset muutokset mittausjärjestelyihin esitellään kunkin koh- teen yksityiskohtaisemman esittelyn puitteissa.

123 Siirtymäanturit Tämän tutkimuksen puitteissa tehdyissä mittauksissa käytettiin k kohteittain jokoo kahta, kolmea tai neljäää siirtymäanturia kerrallaan. Käytety siirtymäanturit olivat Novo- on technikin valmistamia potentiometrityypin TRS 50-antureita, joiden mittausalue 50 mm. Myöhemmin tässä raportissa siirtymäanturilla tarkoitetaann nimenomaan yl- niis- lämainittua anturityyppiä. TTY:n routaseurantakohteissa tehtiin syyskuussa 2011 siirtymäanturimittauksiaa sä kohteissa, joissa oli referenssitangot valmiiksi asennettuina yhden ratapölkyn kumpaankin päähän. Tällaisia kohteita olivat kuvan 6..1 kohteet 2 4 ja 6 9. Näissä routaseurantakohteissa tehdyissä mittauksissa käytettiin pääsääntöisesti kahta siir- kolmea siirtymäanturia. Siirtymäanturit kiinnitettiin yhden ratapölkyn kumpaankin päähän. Viiala Mattila-liikennepaikkavälillä siirtymäanturi asennettiin myös kyseisen ratapölkyn keskelle. Näissä mittauksissa siirtymäantureiden vertailupisteenä käytet- tiin referenssitangon päähän kiinnitettyä vastinlevyä. VastinlevyjenV n ja referenssitan- kojen mahdollisia siirtymiä seurattiin kiihtyvyysantureilla. Kuvassa 6.5 on havainnol- listettu siirtymäanturimittausjärjestelyä kohteiden 2 4 ja 6 9 osalta. Kuva on koh- tymäanturia kerrallaan lukuun ottamatta kohdetta 8 Viiala MattilaV a, jossa käytettiin teesta 9 Suoniemi Karkku. Talvimittauksien yhteydessä helmikuussa 2012 ei siirty- mäantureiden käyttöä nähty enää tarpeelliseksi. Kuva 6.5. Esimerkkikuva siirtymäanturimittausjärjestelyistä koemittauskohteissa 2 4 ja 6 9 syyskuussa Koemittauskohteissa elokuussa tehdyissä mittauksissaa käytettiin neljää siirtymäanturia, joilla kullakin mitattiin yhden ratapölkyn pään siirtymää. Mittausjär- joka jestely toteutettiin siten, s että neljä siirtymäanturia kiinnitettiin jäykkään palkkiin, kiinnitettiin tukevasti kahteen ratapölkkyjen väliin tiiviiseen pohjamaahan saakka kai- rattuun kairatankoon kuvan 6.6 mukaisesti.

124 122 Näissä mittauksissa käytetytt kairatangott oli varustettu painokairauksessa käytettä- vällä kierrekärjellä ankkuroitumisen vahvistamiseksi eikä näissä tiiviiseen pohjamo- reeniin/pohjamaahan asti kairatuissa tangoissa käytetty suojaputkia. Kuva 6.6. Esimerkkikuva siirtymäanturimittausjärjestelyistä koemittauskohteissa Mahdolliset kohdekohtaiset muutokset mittausjärjestelyihin esitellään tarkemmin kunkin kohteen yksityiskohtaisemman esittelyn puitteissa Videokamerakuvaus Videokamerakuvausta kokeiltiin sulan maan ajan koemittausten yhteydessä y kohteissa 1, 3, 5 ja Muissa kohteissa kuvaaminen ei ollut mahdollista sateisen sään takia. Talvimittauksien yhteydessä videokamerakuvausta ei enää käytetty. Kamerana käy- 210 tettiin Casion Exilim EX-FH20 digitaalikameraa, jonka kuvausnopeudeksi valittiin kuvaaa sekunnissa. Normaalissa videokamerakuvauksessa kuvausnopeus on tyypilli- puhua suurnopeusvideokuvasta. Kameran vakautta junan ohituksen aikana pyrittiin parantamaan käyttämällää jalusta- sesti kuvaa sekunnissa, joten käytetyn kuvausnopeuden kohdalla voitaneen na raskasta maanmittauskäyttöön tarkoitettua kolmijalkaa kuvann 6.7 mukaisesti. Ja- paino, jona toimi kivillä täytetty lustan vakautta pyrittiin osassa kohteita edelleen parantamaan ripustamalla jalustaan sanko.

125 123 Kuva 6.7. Yleiskuva videokamerakuvauksessa käytetystä laitteistosta. 6.3 Mäntsälä Sipilä Valtaosassa kohteista kuvauskohteena toimi kiskon varteen kiinnitetty rullamitan pala. Joissain kohteissa kuvattiin myös esimerkiksi sähkörataportaalinn perustusta,, millä pyrittiin todentamaan kameran paikallaan pysymistä junan ohituksen aikana. Kame- ran etäisyys kuvauskohteesta vaihteli huomattavasti kohteittain. Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Mäntsälä Sipilä rataosalla Kerava Hakosilta ratakilometrillä Mittauksia tehtiin kohteen k kaksoisraiteen eteläi- sellä raiteella aamupäivällä ja Kuvassa 6.8 on esitetty yleiskuva kohteesta kohti Sipilän liikennepaikkaa. Raidegeomet rialtaan mittausosuus viettää kohti Mäntsälää, eli lounaaseen, ja sijaitseee loivassa kaarteessa kuten kuvasta 6.8 on havaittavissa. Kohteen routaseurantalaitteisto on asennettu syksyllää 2008.

126 124 Kuva 6.8. Yleiskuva kohteesta koilliseen Sipilän liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluuu päällysrakenneluokkaan D. Kiskotus on tyyppiä 60 E1 ja betonira- tapölkyt tyyppiä BP Kiskonkiinnit tyksenä käytetään Vosslohin Skl 144 -kiinni- väliker- tystä, jossa on välilevynä tyypillisesti Zw 900 NT [7]. [101] Mittausosuuden kohdalla kalliomurskeesta rakennetun yhdistetyn eristys- jaa roksen kerrospaksuus on vuoden suunnitelma-asiakirjojen perusteella noin mm ja tukikerrospaksuus 550 mm. Roadscannersin mittausosuudellaa vuonna 2011 tekemien maatutkausten (liite 1) perusteella tukikerrospaksuus saattaa olla jon- on kin verran suurempi, keskimäärin noin 600 mm. Näin ollen rakennekerrospaksuus yhteensä noin 2550 mm. Pohjamaa radan alusrakennekerrosten alapuolella poikkileikkaukseltaan leikkaukses- pe- sa sijaitsevalla mittausosuudella koostuuu vuoden 2003 suunnitelma-asiakirjojen rusteella noin 0,6 metrin paksuisesta pohjamoreenikerroksesta, jonka j alapuolella on peruskallio. Maatutkaprofiilien perusteella alusrakennekerrosten alapuolella sijaitsee suunnitelma-asiakirjoista poiketen paalulaatta. Jäykkyystutkimuksen kannalta ei ole merkittävää, kumpi tulkinta on oikea. Mittausosuuden eteläpuolella ratakilometrivälil- va- lä ratapenger on perustettu kaivamalla tehdynn massanvaihdon raan ja tämän osuuden eteläpuolella paalulaatalle. Mittausosuuden pohjoispuolella suunnilleen ratakilometrivälillä pohjamaan pintakerross on yli 3 metrin paksuudelta savea, joka j edelleenn paksunee pohjoiseen mentäessä. m Kyseisen savikerroksen kokoonpuristumista on pyritty ennen rakentamista nopeuttamaan 0,5 metrin paksuisella ylipenkereellä. Peruskallion pinta viettää mittausosuudelta poispäin molempiin suuntiin radan pituussuunnassaa kallionpinnan sijaitessa mitta- usosuudella suunnilleen tasolla Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia (mustatt ympyrät) peräkkäi- siin ratapölkkyihin ratakilometrivälille ja talvella kiihty- tavalla ratakilometrivälille Mittauksien tekeminen kolmessa eri vyysanturia (punaiset ja siniset ympyrät) ) kolmena eri sarjana kuvan 6.9 osoittamalla sarjassa johtui rajallisesta anturimäärästä. Kuvassa 6.9 ratakilometrilukemaa kasvaa Sipilän liikennepaikkaa kohti. Siirtymäantureita ei tässä kohteessa käytetty, sillä koh-

127 125 teessa ei ollut valmiiksi asennettuja referenssitankoja niitä n varten. Kiihtyvyysanturei- den lisäksi kohteessa kuvattiinn videokameralla suunnilleen ratakilometrille kiskon varteen kiinnitettyä rullamitan palaa. Kamera sijoitettiin viereiselle huolto- tielle eli noin 15 m etäisyydelle kohteesta. Kuva 6.9. Periaatekuva kohteen 1 Mäntsälä Sipilä mittausjärjestm telyistä. Tarkasteltaessa , ja eli melko m lähellää mittausajankoh- ajankohtana raiteessa ei ilmennyt raja-arvot ylittäviä virheitä. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut 1,6 metrin syvyydelle saakka raiteen keskeltä ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna. taa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia, voidaan todeta, että ainakaan kyseisenä 6.4 Kesälahti Puhos Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Kesälahti Puhos rataosalla Kouvola Joensuuu ratakilometrillä Rataosaa on sähköistetty. Mittauksia tehtiin koh- teessa aamupäivällää ja iltapäivällä Kuvassa K on esitetty yleis- kuva kohteesta etelään kohti Kesälahden liikennepaikkaa. Raidegeometrialtaan mit- tausosuus viettää kohti Puhostaa eli pohjoista ja sijaitseee kaarteen alussa kuten kuvas- ta 6.10 on havaittavissa. Kohteen routaseurantalaitteistoo on asennettu loppuvuodesta 2010.

128 126 Kuva Yleiskuva kohteesta eteläänn Kesälahden liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluuu päällysrakenneluokkaan C2. Kiskotus on tyyppiä 54 E1 ja betonira- on tapölkyt tyyppiä B Kiskonkiinnityksenä on Vosslohin Skl 144 -kiinnitys, jossa välilevynä tyypillisesti Zw 9000 NT [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuudella on mm ja alusrakennekerrospaksuus noin mm eli rakennekerrospaksuus yhteensä on noin mm. Radan väli- ja eristyskerros ovat vuonna 2011 tehdyn näytteenoton perusteellaa soraista hiekkaa. Mittausosuudella rata sijaitsee lähes 5 m korkealla penkereellä. Ratakilo- melko metrillä pengertäytettä on lähess 5 m paksuudelta ja kyseinen täyte on löyhää painokairausvastuksen ollessa keskimäärin alle 20 puolikierrosta/0,2 m. Pen- 100 kg kuormituksella noin 1 metrin. Vuonna 2011 tehdyn näytteenoton perusteella pengertäytemateriaali on silttistä hiekkamoreenia. Pengertäytte en alapuolisen poh- gertäytekerroksen alaosassaa painokairaa on tunkeutunut täytteeseen painamalla jamaan maalajia ei pystytty tulkitsemaant n poikkileikkauksista, mutta pohjamaan painokairausvastus on ollut mittausalueen molemmin puolin noin 606 pk/0,2 m.. Vuoden 2011 maatutkausten (liite 1) ja vuoden 1983 kairausten perusteella mittausosuuden pohjoispuolella pengertäytepaksuus pienenee nopeasti ollen ratakilometrillä enää 600 mm. Kairaukset on lopetettu määräsyvyyteen, joten kallion ylä- ja pinnan sijainnistaa mittausosuudella ei olee tietoa. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kaksi siirtymäanturia talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.11 osoittamalla tavallaa ratakilometrivälille Ratakilometrilukemaa kasvaa Puhokselle päin. Tässä kohteessa siirtymäanturien vertailupisteinä käytetyt referenssitangot eivät todennäköisesti tusateisen keutuneet tiiviiseen maakerrokseen. Kohteessa ei kuvattu videokameralla sään takia.

129 127 Kuva Periaatekuva kohteen 2 Kesälahti Puhos mittausjärjesm stelyistä. Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia, voidaan todeta, että ainakaan kyseisenä ajankohtana raiteessa ei ilmennyt raja-arvot ylittäviä virheitä. Mittausosuudella jaa sen lähistöllä on havaittu useana keväänä epätasaista routanousua, mikä on aiheuttanut virherajojen ylityksiä muun muassa kierouden ja korkeuspoikkeamien kohdalla. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut 1,8 metrin syvyydelle saakka raiteen keskeltä ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna. 6.5 Varkaus Heinävesi Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillää Varkaus Heinävesi-rataosalla Pieksämä- tehtiin t ki Joensuu-ratakilometrillä Rataosa on sähköistämätön. Mittauksia kohteessa iltapäivällä ja iltapäivällä Kuvassaa 6.12 on esitetty yleiskuva kohteesta itään kohti Heinäveden liikennepaikkaa. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää kohti Varkautta eli länttä ja sijaitsee suoralla. Kohteen routaseu- rantalaitteisto on asennettu loppuvuodesta Kuva Yleiskuva kohteesta itään Heinäveden liikennepaikalle e päin.

130 128 Rataosuus kuuluuu päällysrakenneluokkaan C2. Kiskotus on tyyppiä 54 E1 ja betonira- on tapölkyt tyyppiä B Kiskonkiinnityksenä on Vosslohin Skl 144 -kiinnitys, jossa välilevynä tyypillisesti Zw 9000 NT [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuudella on 600 mm ja alusrakennekerrospaksuus noin 600 mm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 1200 mm. Poikkileikkaukseltaan mittausosuus sijaitsee lähes leikkauksen jaa penkereen muutos- eli itää kohti mentäessä rata sijaitsee noin 100 metrin matkalla leikkauksessl sa, kuten kohdassa, hiukan leikkauksen puolella. Mittausosuudelta Heinäveden liikennepaikkaa kuvasta 6.12 on havaittavissa. Vuonna 2011 tehdyn maatutkauksen (liite 1) perusteella kallionpinta sijaitsee mittausosuudella alusrakennekerrosten alapuolella. a Mittaus osuuden länsipuolella eli Varkautta kohti mentäessä pohjamaa muuttuu vuosina ja tehtyjen suunnitelma-asiakirjojen mukaan turpeeksi. Turvekerros on ollut paksuimmillaan, eli noinn 6 7 metriä,, ratakilometrillä , mistä turvekerros ohenee melko tasaisesti mittausosuudelle päin. Turvekerroksen alapuolella on tiivis pohjamoreenikerros. Turvekerroksen paksuuden voidaan katsoa edustavan kuitenkin ainoastaan ratapenkereen ulkopuolista aluetta, sillä radan rakennekerrokset ovat maaperätutkimusten mukaan vuosien saatossa painuneet turvekerrokseen siten, että esimerkiksi ratakilometrillä rakennekerrokset ulottuvat lähes tiiviiseen poh- perusteella materiaaliltaan soraista s hiekkamoreenia. Kuitenkin esimerkiksi e ratakilo- jamoreeniin saakka. Radan alusrakennek kerrokset ovat vuonna 2011 otetun näytteen metrillä ratapenkereen alla on ollut vielä vuosina ohuimmillaan- kin noin 2 metrin paksuinen turvekerros. Välillä radan stabiliteet- 0,6 m tia onkin tuolloin pyritty parantamaan rakentamalla radan molemmille puolille paksuiset ja 8 m leveät vastapenkereet.. Kairaukset ovat turveosuudella päättyneet tiiviin pohjamoreenin kiviin, joten j kallion yläpinnan sijainnista ei tuolla osuudella ole varmuutta. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kaksi siirtymäanturia ja talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.13 osoittamalla tavallaa ratakilometrivälille Ratakilometrilukemaa kasvaa Heinävedelle päin. Tässä kohteessa siirtymäanturien vertailupisteinä käytettyjen referenssitankojenn voitaneenn olettaa tukeutuneen tiiviiseen pohjamaahan. Kohteessa kuvattiin videokameralla kiskon var- teen kiinnitettyä rullamitan palaa sivuojann ulkoluiskan päältä. Kuva Periaatekuva kohteen 3 Varkaus Heinävesi mittausjärjestelyistä.

131 Airaksela Kurkimäki Tarkasteltaessa eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkas- ei tusajojen tuloksia, voidaan todeta, että ainakaan kyseisenä ajankohtana raiteessa ilmennyt raja-arvot ylittäviä virheitä. Mittausosuudella ja sen lähistöllä on havaittu useana keväänä epätasaista routanousua, mikä on joinain vuosina aiheuttanut virhe- 1,1 metrin syvyydelle saakka raiteen keskeltä ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna. rajojen ylityksiä muun muassa kierouden ja korkeuspoikkeamien kohdalla. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Airaksela Kurkimäki-rataosalla Pieksä- teh- mäki Kontiomäki-ratakilometrillä Rataosa onn sähköistetty. Mittauksia tiin kohteessa aamupäivällä ja aamupäivällä Kuvassa 6.14 on esi- tetty yleiskuva kohteesta pohjoiseen kohti Kurkimäen liikennepaikkaa. Raidegeomet- Kohteen routaseurantalaitteistoo on asennettu loppuvuodesta rialtaan mittausosuus viettää kohti Kurkimäen liikennepaikkaa ja sijaitsee suoralla Kuva Yleiskuva kohteesta pohjoiseen Kurkimäenn liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluu päällysrakenn neluokkaan C2. Kiskotus on tyyppiä 54 E1 ja betonira- on tapölkytt tyyppiä B Kiskonkiinnityksenä on Vosslohin Skl 14 -kiinnitys, jossa välilevynä tyypillisesti Zw 900 NT [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuu udella on 500 mm ja alusrakennekerrospaksuuss noin 700 mmm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 1200 mm. m Näytteenoton yhteydessä havaittiin lisäksi tukikerroksenn ja alusrakenteen välissä 50 mmm paksuinen EPS- routalevy. Poikkileikkaukseltaan mittausosuus sijaitsee penkereellä. Juuri mittausosuuden koh- dalta ei ollut saatavissa pohjatutkimustietoja. Mittausosuuden välittömästä läheisyy- destä vuonna 2011 otetun näytteen perusteella radan alusrakennekerrosmateriaali on

132 130 sorainen hiekka, minkä alapuolinen pohjamaa koostuu silttisestä hiekkamoreenista. Mittausosuuden eteläpuolella eli Airakselan liikennepaikkaa kohti mentäessä pohja- alapuolella pääosin tiivistä hiekkaa tai hiekkamoreenia ainakin ratakilometrille asti. Tosin ratakilometrillä on rakennekerrosten alapuolellaa havait- maa on vuonna 1981 tehtyjen maaperätutkimusten mukaan radan rakennekerrosten tu myös 0,5 metrin paksuinenn löyhä turvekerros. Pääosin kairaukset on tuolloin lopetettu määräsyvyyteen, mutta lähellä mittausosuutta ratakilometr illä kairaus on päättynyt tiiviin pohjamaan kiveen tai kallioon suunnilleen tasolla t radan korkeusviivan sijaitessa suunnilleen tasolla , jolloin kallionpinta sijaitsee noin 1,3 metrin syvyydellä alusrakennekerrosten alapinnasta. Mittausosuuden pohjoispuolella eli Kurkimäen liikennepaikkaa kohti mentäessä on edellä mainittujen maaperätutkimusten yhteydessä ratakilometrillä havaittu rakennekerrostenn alapuolella noin 0,5 metrin paksuinen löyhä turvekerros ja sen ala- mää- puolella yli kolmen metrin paksuinen löyhä silttikerros. Kairaus on päätetty räsyvyyteen silttikerroksen alkaessa muuttua tiiviimmäksi, joten kalliopinnann tasosta ei tuolla kohdallaa ole tietoa. Oy VR-Rataa Ab:n vuonna 2005 tekemien suunnitelma- asiakirjojen mukaan ratakilometrillä rakennekerrosten alapuolisen a turveker- pohja- roksen paksuus on paksuimmillaan yli 1,,5 metriä. Turvekerroksen alapuolella maa muuttuu ensin löyhäksi siltiksi ja sen alapuolella keskitiiviiksi tai tiiviiksi hiekkallioon kamoreeniksi. Kairaukset ovat päättyneet tiiviin pohjamoreeninn kiviin tai keskimäärin 8,6 metrin syvyyteen tasollaa sijainneesta radan korkeusviivasta. Edellä esiteltyjen pohjatutkimustietojen perusteella voitaneen todeta mittausosuuden sijaitsevan kantavan pohjamaan ja pehmeikköalueen välisellä muutososuudella. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kaksi siirtymäanturia ja talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.15 osoittamalla tavallaa ratakilometrivälille Ratakilometrilukema kasvaa Kurkimäen liikennepaikalle päin. Tässää kohteessa siirtymäanturien vertailupisteinä käytettyjen referenssitankojen voi- daan olettaa tukeutuneen tiiviiseen pohjamaahan. Kohteessa ei käytetty videokame- rakuvausta sateisen sään takia. Kuva Periaatekuva kohteen 4 Airaksela Kurkimäki mittausjärjestelystä. Kuten kuvasta on havaittavissa, tässä kohteessa siirtymäanturit eivät poikkeuk- sellisesti sijainneet saman ratapölkyn päissä.

133 Kangas Oulainen Tarkasteltaessa eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkas- ratakilometrivälillä suurehkoja korkeuspoikkk keamia. Korkeus- poikkeamat eivät kuitenkaan ylittäneet virherajoja. Mittausosuudella ja sen lähistöllä on havaittu useana keväänä epätasaista routanousua, mikä m on joinain vuosina aiheut- tanut virherajojen ylityksiä korkeuspoikkeamien kohdalla. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut 0,85 metrin syvyydelle saakka raiteen keskeltä ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattu- tusajojen tuloksia, voidaan todeta, että raiteentarkastuksessa havaittiin suunnilleen na. Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillää Kangas Oulainen-rataosalla Seinäjoki Oulu-ratakilometrillä Rataosa on sähköistetty. Mittauksiaa tehtiin kohteessa iltapäivällä ja Kuvassa 6.16 on esitetty yleiskuva kohteesta pohjoi- kohti seen kohti Oulaisen liikennepaikkaa. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettäää Kankaan liikennepaikkaa eli etelään ja sijaitsee suoralla. Kuva Yleiskuva kohteesta Oulaisen liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluu päällysrakenn neluokkaan D. Kiskotus on tyyppiä 60 E1 ja betonira- jossa on välilevynä tyypillisesti t Zw 900 NT [7]. [101] tapölkytt tyyppiä B Kiskonkiinnityksenä käytetäänn Vosslohin Skl 14 -kiinnitystä, Kohteessa ei tehty maatutkausta, joten tukikerroksen ja alusrakennekerrostenn pak- suuksista ei ole tarkempaa tietoa. Lisäksi kohde ei kuulunut TTY:n routaseurantakoh- teisiin, joten roudan syvyydestä talvimittausten aikana ei e ole tietoa. Poikkileikkaukseltaan mittausosuus sijaitsee penkereellä, jonka korkeus ympäröiväs- tä maanpinnasta on noin 2 metriä. Penkereen korkeus pienenee mittausosuuden poh- joispuolella Oulaisiaa kohti mentäessä. Mittausosuus ja sen ympäristö on pohjamaal- taan kohtuullisen kantavaa. Mittausosuuden eteläpuolella pohjamaa sisältää kuiten-

134 132 kin kantavuudeltaan heikompiakin kerroksia. Vuonna 1980 ratajohtopylväitä varten tehdyissä maaperätutkimuksissa mittausosuuden eteläpuolella ratakilometrillä radan rakennekerrosten alapuolella on havaittu 0,2 metrin paksuinen siltti- ovat kuitenkin olleet melko löyhiä kairausvastuksen oltua alle 20 puolikierros- ta/0,2 m. Kairaus on päätetty määräsyvyyteen noin 1,7 metrin syvyydelle rakenneker- rosten alapinnasta, joten kalliopinnan sijainnista ei ole tietoa. Vuonna 1979 penger- kerros, jonka alapuolella pohjamaa muuttuu hiekkamoreeniksi. Kyseiset kerrokset tutkimuksen yhteydessä ratapenkereen itäpuolella mittausosuuden kohdalla tehtyjen kairausten perusteella voidaan todeta pintamaan olevan humusta tai turvetta noin 0,5 metrin paksuudelta. Tämän kerroksenn alapuolella pohjamaa muuttuu m pääosin silt- huo- tiseksi hiekaksi tai silttiseks hiekkamoreeniksi, jonka kairausvastus vaihtelee mattavasti. Kyseisissä kerroksissa on paikoin havaittu ohuita vapaapainumaosuuksia. Tämän kantavuudeltaan vaihtelevan kerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu melko nopeasti tiiviiksii hiekkamoreeniksi. Kairaukset on lopetettu lyömällä l tiiviin mo- reenikerroksen yläosaan suunnilleen 2 metrin syvyydelle rakennekerrosten alapinnas- kaira- ta. Mittausosuuden pohjoispuolella ratakilometrillä vuonnaa 1980 tehdyn uksen mukaan pohjamaa muuttuu radann rakennekerrosten alapuolella tiiviiksi hiek- kamoreeniksi, johon kairaus on myös päätetty. Vuonna 1979 ratapenkereen itäpuolel- ei le tehtyjen kairausten mukaan ratakilometrivälillä pohjamaa turpeista pintakerrosta lukuun ottamattaa sisällä kantavuudeltaan heikkoja kerroksia lainkaan. Tällä osuudella kairaukset ovat päättyneet tiiviin pohjamoreenikerroksen kiviin noin 1,5 metrin syvyydelle ratapenkereen alapinnasta. Ratapenkereen läpi rata- on ai- kilometrillä tehdyn kairauksen perusteella löyhät pintamaakerrokset kanaan kaivettu pois ennen radan rakentamista, sillä niitä ei kyseisessä pisteessä havaittu. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia ja talvella kiihty- rataki- vyysanturia peräkkäisten ratapölkkyjen päihin kuvan 6.17 osoittamalla tavallala lometrivälille Ratakilometrilukema kasvaaa Oulaisen liikenne- var- paikalle päin. Kohteessa ei ollut asennettuna referenssitankoja siirtymäantureita ten, koska kohde ei kuulu TTY:n routaseurantakohteisiin. Täten tässä t kohteessa käy- mitta- tettiin pelkästään kiihtyvyysantureita. Kohteessa lisäksi videokuvattiin syksyn usten yhteydessä sekä kiskon varressa ollutta kohdetta että sähköratatolppaa junan ohitusten aikana. Kuva Periaatekuva kohteen 5 Kangas Oulainen mittausjärjestelystä.

135 Liminka Kempele Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia,, voidaan todeta, että ainakaan kyseisinä ajankohtina raiteessa ei ilmennyt raja-arvot ylittäviä virheitä. Mittausosuudella jaa sen lähistöllä on havaittu virherajojen ylityksiin johtaneita korkeuspoikkeamia ainoastaan epäjatku- vuuskohtien, kuten tasoristeykst en ja sillan, välittömässä ä läheisyydessä. Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillää Liminka Kempele-rataosalla Seinäjoki Oulu-ratakilometrillä Rataosa on sähköistetty. Mittauksia tehtiin kohteessa iltapäivällä ja aamupäivällä Kuvassa 6.18 on esitetty yleiskuva kohteesta etelään kohti Limingan liikennepaikkaa. Raidegeometrialtaan mittausosuus sijaitseee suoralla. Kohteen routaseurantalaitteisto on asennettu syksyllä Kuva Yleiskuva kohteesta etelään Limingan liikennepaikalle e päin. Rataosuus kuuluu päällysraken nneluokkaan D. Kiskotuss on tyyppiää 60 E1 ja betoni- ratapölkyt tyyppiä BP Kiskonkiinnityksenä käytetään Vosslohin Skl 14 -kiinni- tukikerrospaksuus mittausosuu udella on 900 mm ja alusrakennekerrospaksuuss noin tystä, jossa on välilevynä tyypillisesti Zw 900 NT [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella 500 mmm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 1400 mm. m Näytteenoton yhteydessä havaittiin lisäksi tukikerroksenn ja alusrakenteen välissä 50 mmm paksuinen EPS- penkereellä. Vuonna 2011 tehdyn näytteenoton perusteella alusrakennekerrokset ovat routalevy. Poikkileikkaukseltaan rata sijaitsee mittausosuudella ja sen ympäristössä korkealla materiaaliltaan hiekkaa ja pengertäyte materiaaliltaan hiekkaista h silttimoreenia. Penkereen korkeus ympäröivästä maanpinnastaa esimerkiks ratakilometrillä on noin 3,8 metriä. Pohjamaa pengertäytteenn alapuolellaa sekä mittausosuuden eteläettä pohjoispuolella on hyvin löyhää liejuista silttiä suunnilleen 3 4 metrin paksuu- delta. Tähän löyhään kerrokseen painokaira on tunkeutunut painamalla kg

136 134 kuormituksella. Hyvin löyhän kerroksen alapuolella liejuinen siltti on jonkinn verran tiiviimpää. Tähän suunnilleenn 3 4 metrinn paksuiseen kerrokseenn painokairaa on tun- pohjamaa muuttuu silttiseksi hiekaksi, johon painokaira on tunkeutunut nopeudella pk/0,2 m. Kalliopinnan sijainnistaa ei ole täyttä varmuutta, mutta yksittäisen kairauspisteen perusteella tiivis pohjamoreenin tai kallion yläpinta sijaitsee suunnil- keutunut nopeudella <15 puolikierrosta/ /0,2 m. Liejuisen silttikerroksen alapuolella leen 15 metrin syvyydellä ratapenkerettää ympäröivästä maanpinnasta. Yhteenvetona voitaneen todeta mittausosuuden sijaitsevan pohjamaaolosuhteiltaan haastavalla pehmeikköalueella. Pohjamaan voitaneenn kuitenkin olettaa lujittuneen jonkin verran penkereen alla vuosikymmenten kuluessa. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kaksi siirtymäanturia ja talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.19 osoittamalla tavallaa ratakilometrivälille Ratakilometrilukemaa kasvaa Kempeleelle päin. Tässä kohteessa kokeiltiin syksyn mittauksissaa myös kahden kiihtyvyysanturin asentamista kiskon jal- kaan, mutta mittaustulosten analysointi oli hankalaa ja siirtymiä ei saatu luotettavas- eivät todennäköisesti tukeutuneet tiiviiseen maakerrokseen. Kohteessa ei käytetty ti selville. Tässä kohteessa siirtymäanturien vertailupisteinä käytetyt referenssitangot videokamerakuvausta korkean penkereenn asettamien rajoitusten takia. t Kuva Periaatekuva kohteen 6 Liminka Kempele mittausjärjestelystä. Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia, voidaan todeta, että ainakaan kyseisinä ajankohtina raiteessa ei ilmennyt raja-arvot ylittäviä virheitä. Mittausosuuden lähistöllä ratakilo- metrillä sijaitsevan siltarummunn kohdalla havaittiin jonkin verran kohonnei- Mitta- ta korkeuspoikkeamia. Poikkeamat eivät kuitenkaan ole ylittäneet virherajoja. usosuuden lähistöllä on havaittu useanaa keväänä epätasaista routanousua, mikä on johtanut virherajojen ylityksiin useiden raiteentarkastusajossa tarkasteltavienn suurei- 1,3 den kohdalla. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut metrin syvyydellee saakka raiteen keskeltää ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna.

137 Kivesjärvi Paltamo Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Kivesjärvi Paltamo-rataosalla Mittauksia tehtiin t Oulu Kontiomäki-ratakilometrillä Rataosa on sähköistetty. kohteessa aamupäivällä ja iltapäivällä Kuvassaa 6.20 on esitetty yleiskuva kohteesta länteen kohti Kivesjärven liikennepaikkaa. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää itään kohti Paltamon liikennepaikka ja sijaitsee suoralla.. Koh- teen routaseurantalaitteisto on asennettu loppuvuodesta Kuva Yleiskuva kohteesta länteen Kivesjärven liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluu päällysrakenn neluokkaan C1. Kiskotus on tyyppiä 54 E1 ja kohteessa on puiset ratapölkyt. Kiskonkiinnityksenä käytetään Heyy Back -kiinnitystä [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuu udella on 550 mm ja alusrakennekerrospaksuuss noin 1450 mmm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 2000 mm. m Poikkileikkaukseltaan rata sijaitsee mittausosuudella jaa sen ympäristössä penkereel- lä. Radan alusrakennekerrokset ovat näytteenoton perusteella hiekkaa. Kohteesta ei ollut saatavilla mitään pohjatutkimus- tai suunnitteluas aineistoa. Geologi- an tutkimuskeskuksen maaperäkartta-aineiston perusteella pohjamaalaji mittaus- sa- osuudella on savea. Tarkasteltaessa mittausosuuden ympäristöä, voidaan nähdä ven säilyvän pohjamaalajina ainakin muutaman sadan metrin etäisyydelle mittaus- osuudesta radan pituussuunnassa. Pintamaalajit eivät käy k kartasta ilmi. Vuonna 2011 tehdyn näytteenoton perusteellaa pohjamaa alusrakennekerrosten alapuolella on hiek- kamoreenia. On huomioitava, että maaperäkarttatarkastelu edustaaa suuren mittakaa- vansa myötä melko suurpiirteistä tarkastelua ja sen perusteella ei voida tehdä yksi- perusteella tehtyä tulkintaa on pidettävä tässä luotettavampana. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturiaa sekä kaksi siirtymäanturia ja tyiskohtaisia johtopäätöksiä mittausosuuden pohjaolosuhteista. Täten näytteenoton talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.21 osoittamalla tavalla ratakilometrivälille

138 Ratakilometrilukema kasvaa Paltamoon päin. Siirtymäanturien vertailupisteinä käytettyjen eferenssitankojen tukeutumisesta ei ole tietoa. Kohtees- noin 25 sa kuvattiin videokameralla ratapenkereen vierestä radan pituussuunnassa metrin päässä ollutta sähkörataportaalia. Kuva Periaatekuva kohteen 7 Kivesjärvi Paltamo mittausjärjestelystä. Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia, voidaan todeta, että mittausosuuden lähistöllä on esiintynyt jopa virherajat ylittäviä korkeuspoikkeamia. Mittausosuuden lähistöllä, ra- vuon- takilometrivälillä , on havaittu useana keväänä, erityisesti na 2010, epätasaista routanousua, mikä on johtanut virherajojen ylityksiin useiden tarkasteltavien suureiden kohdalla. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut 1,4 metrin syvyydellee saakka raiteen keskeltää ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna Viiala Mattila Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Viiala Mattila-rataosalla Riihimäki Tampere-ratakilometrillä Rataosa on sähköistetty. Mittauksia tehtiin kohen länsi- teessa aamupäivällä ja iltapäivällä kohteen kaksoisraiteek raiteella. Kuvassaa 6.22 on esitetty yleiskuva kohteesta Viialan liikennepaikkaaa eli ete- liiken- lää kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää pohjoiseen kohti k Mattilan nepaikka ja sijaitsee kaarteessa. Kohteen routaseurantalaitteisto on asennettuu syksyl- lä 2008.

139 137 Kuva Yleiskuva kohteesta Viialan liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluu päällysraken nneluokkaan D. Kiskotuss on tyyppiää 60 E1 ja betoni- [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuu udella on 650 mm ja alusrakennekerrospaksuuss noin ratapölkyt tyyppiä BP89. Kiskonn kiinnitysjärjestelmänä on Pandrolin e-clip -kiinnitys 450 mmm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 1100 mm. m Näytteenoton yhteydessä havaittiin lisäksi alusrakentee n ja pohjamaan välissä 100 mm paksuinen XPS- soraistaa hiekkamoreenia. Poikkileikkaukseltaan rata sijaitsee mittausosuuden kohdalla lähes tasamaalla johtu-j en molemmin puolin rataa kulkevista sorateistä. Vuonna 1991 suunnilleen nykyisen itäraiteen kohdalla ja sen itäpuolella tehtyjen pohjatutkimusten perusteella mittaus- osuus sijaitsee hyvin tiiviin pohjamaan alueen ja savipehmeikön muutosalueella. Mit- routalevy. Näytteenoton perusteella radan alusrakennek kerrokset ovat materiaaliltaan tausosuuden eteläpuolella ratakilometrivälillä pohjamaa on maaperätutkimusten mukaan pääosin hyvin tiivistä moreenia tai soraa. Näytteenoton perusteella pohjamaa alusrakennekerrostenn alapuolella koostuu silttisestä hiekkamo- reenista. Pohjamaan seassa on maaperätutkimuksissa havaittu h myös suurempia kiviä ja lohkareita, jotka on ratakilometriltä alkaenn pohjoiseenn päin mentäessä poistettu tasolle kv-0,päin mentäessä alkaa savipehmeikköosuus, jonka alueellaa on käytettyy poh- m ulottuvan massanvaihdon avulla. Ratakilometriltä etelään janvahvistusmenetelminä sekä esikuormituspengertä että paalulaattaa. Pohjaolosuhteita läntisen raiteen eli mittausraiteen alueella voidaan arvioida vuonna 1972 ratajohtopylväiden suunnitelluilla paikoilla tehtyjen maaperätutkimusten perus- teella. Rataa on oikaistu kyseisten tutkimusten jälkeen,, mutta oikaisun sivusiirtymä- vaikutus mittausosuuden kohdalla on ollut hyvin vähäinen, enintäänn muutaman met- rin luokkaa. Vuoden 1972 tutkimuksissa ratakilometrillää on radan rakenne- koostuva löyhähkö kerros. Tämän kerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu hyvin löy- kerrosten alapuolella havaittu noin 2,6 metrin paksuinen hienorakeisista maalajeista häksi saveksi, jonka kerrospaksuus on noinn 1,5 metriä. Tähän savikerrokseen paino-

140 138 kaira on tunkeutunut painamalla. Savikerroksen alapuolella kairaus on päättynyt tii- on ollut yhteensä vain noin 0,6 metriä. Ratakilometrillä pohjamaa on ollut viin pohjamoreenin kiveen. Radan itäpuolella hienorakeisten maalajien kerrospaksuus radan molemmin puolin hyvin samankaltaista. Rakennekerrostenn alapuolellaa on ha- tä- vaittu noin 2,4 metrin paksuinen löyhähkö savikerros. Painokairaa on tunkeutunut hän kerrokseen kiertämällä nopeudella pk/0,2 m. Radan itäpuolella kairaus on päättynyt tiiviin pohjamaan kiveen savikerroksen alapuolella. Radan länsipuolella kai- poh- raus on päätetty määräsyvyyteen samallee tasolle itäpuolen kanssa, joten tiiviin jamaakerroksen yläpinnan tasosta ei radan länsipuolella ole tietoa. Mittausosuuden pohjoispuolella radan rakennekerrospaksuus kasvaa. Suunnilleen ratakilometrivälillä pohjamaa on löyhää savea, jonka kerrospak- muuttuu jälleen hyvin tiiviiksi. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kolme siirtymäanturia ja talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.23 osoittamalla tavalla länsiraiteeseen ratakilometrivälille Ratakilometrilukema kasvaa Mattilan liiken- suus on paksuimmillaan yli 5 metriä. Ratakilometriltä alkaen pohjamaa nepaikalle päin. Tässä kohteessa siirtymäanturien vertailupistei inä käytettyjen refevoidaan renssitankojen päissä oli poikkeuksellisesti kairakärjet. Referenssitankojen olettaa tukeutuneen tiiviiseen pohjamaahan. Kohteessa kuvattiinn videokameralla ra- etäi- tapenkereen viereiseltä huoltotieltä kiskoa ja sähkörataportaaliaa noin 5 metrin syydeltä. Kuva Periaatekuva kohteen 8 Viiala Mattila mittausjärjes stelystä. Tarkasteltaessa eli lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajo- raja- jen tuloksia, voidaan todeta, että mittausosuuden lähistöllä ei ole esiintynyt arvot ylittäviä virheitä tai korkeita tarkistussuureiden arvoja. Mittausosuudenn välittömikä on mässä läheisyydessä on havaittu useanaa keväänä epätasaista routanousua, joinain vuosina johtanut virherajojen ylityksiin. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 atarakenne oli o routaantunut 0,8 metrin syvyydellee saakka raiteen keskeltää ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna.

141 Suoniemi Karkku Mittauskohde sijaitsee liikennepaikkavälillä Suoniemi Karkku-rataosalla Lielahti Kokemäki-ratakilometrillä Rataosa on sähköistetty ja sille on suunnitteilla perusparannushanke, joka valmistunee vuonna Mittauksia tehtiin kohteessa iltapäivällä ja aamulla Kuvassa on esitetty yleiskuva koh- viettää kohti Suoniemen liikennepaikka ja sijaitsee suunnilleen kaarteen ja suoran s teesta Suoniemen liikennepaikkl kaa eli itää kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus yhtymäkohdassa. Kohteen routaseurantalaitteisto on asennettu syksyllä Kuvassaa 6.24 on oikealla havaittavissa mittausosuuden välittömässä läheisyydessä sijainnut poistettu tasoristeys. t Tasoristeyksen kohdalla sivuoja oli radan pohjoispuo- ei ole lella osittain tukossa ja eteläpuolelle asennetun rumpuputken toimivuudesta varmuutta. Lisäksi suunnilleen s tasoristeyksen kohdalla raiteessa havaittiin hitsi, jon- ka kohdalta kisko oli kulunut poikkeavasti. Kuva Yleiskuva kohteesta itään Suoniemen liikennepaikalle päin. Rataosuus kuuluu päällysrakenn neluokkaan C1. Kiskotus on tyyppiä 54 E1 ja betonira- tapölkytt tyyppiä B75. Kiskon kiinnitysjärjestelmänä on Pandrol P e -kiinnitys [7]. [101] Loppuvuodesta 2011 routatutkimuksen yhteydessä tehdyn näytteenoton perusteella tukikerrospaksuus mittausosuu udella on 700 mm ja alusrakennekerrospaksuuss noin 450 mmm eli rakennekerrospaksuus on yhteensä 1150 mm. m Näytteenoton perusteella radan alusrakennekerrokset ovat materiaaliltaan soraista hiekkamoreenia ja rakenne- eteläisen sivuojan toisella t puolella on pelloille johtava tie. Pohjatutkimustietoja ei kerrosten alapuolinen pohjamaaa savea. Poikkileikkaukseltaan rata sijaitsee mittausosuudella penkereellä. Mittausosuuden ollut saatavilla juuri j mittausosuuden kohdalta, mutta ratakilometriväliltä saatiin vuosien pengertutkimuksen maaperätutki- joka musaineistoa. Sen mukaan radan pengertäytteenä on aikoinaan a käytetty silttiä, painokairauksissa on osoittautunut löyhäksi. Kyseinen,, noin 1,5 2 metrin paksuinen silttitäyte on painokairauksissa sisältänyt myös ohuita vapaapainumv maosuuksia. Siltti-

142 140 kerroksen alapuolella pohjamaa tiivistyy nopeasti ja kairaukset ovat o päättyneet tuon tiiviin pohjamoreenin kiviin noin 1,5 metrin syvyydelle penkereenn alapinnasta. Pohja- ympä- moreenikerroksenn yläpinta on sijainnut suunnilleen yhden metrin syvyydellä röivästä maanpinnasta. Mittausosuuden länsipuolen pohjaolosuh teista ei ole tarkempaa tietoa. t Suurpiirteisen maaperäkarttatarkastelun perusteella länsipuoli vaikuttaisi olevan pohjamaaltaan samankaltaista ylempänä esitellyn itäpuolen kanssa. Maatutkauksen yhteydessä huh- ja tikuussa 2011 otetut näytteet tukevat tätää näkemystä. Kohteessa asennettiin syksyllä kiihtyvyysanturia sekä kaksi siirtymäanturia talvella kiihtyvyysanturia kuvan 6.25 osoittamalla tavallaa ratakilometrivälille Ratakilometrilukema kasvaa länteen Karkun liikennepaikalle päin. Siirtymäanturien vertailupisteinä käytettyjen referenssitan nkojen tukeutumisti- poh- lasta ei ole tarkempaa tietoa. Kohteessa kuvattiin videokamerallaa ratapenkereen joisen puoleiselta pellolta kiskoa ja ratakilometrillä sijaitsevaa sähkörata- portaalia noin 10 metrin etäisyydeltä. Kuva Periaatekuva kohteen 9 Suoniemi - Karkku mittausjärjestelystä. Tarkasteltaessa eli melko lähellä mittausajankohtaa tehdyn raiteentarkas- ylit- tusajon tuloksia, voidaan todeta, että mittausosuuden kohdalla esiintyi virherajat täviä arvoja korkeuspoikkeamien kohdalla. Mittausosuuden välittömässä läheisyydes- 1,2 sä on myös useana keväänä havaittu epätasaista routanousua. Talvimittausten mittaushetkellä helmikuussa 2012 ratarakenne oli routaantunut metrin syvyydellee saakka raiteen keskeltää ja ratapölkkyjen yläpinnasta mitattuna Vihanti Tuomioja Mittauskohteet sijaitsevat liikennepaikkavälillä Vihanti Tuomioja-rataosalla Seinäjosillä on ki Oulu-ratakilometreillä ja Rataosa on sähköistetty ja parhaillaan käynnissä mittava tasonnostohanke. Rataosa kuuluu päällysrakenne- lii- luokkaan D [101]. Mittauksia tehtiin t kohteissa iltapäivällä Kuvassa 6.26 on esitetty yleiskuva ratakilometrin kohteesta Tuomiojan kennepaikkaa eli pohjoista kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettäää pohjoi- seen eli Tuomiojan liikennepaikkaa kohti ja sijaitsee suoralla.

143 141 Kuva Yleiskuva kohteesta pohjoiseen Tuomiojan T liikennepaikalle päin. Kohteessa kiskotus on tyyppiä 60 E1 [101]] ja betoniratapölkyt tyyppiä BP Kiskon kiinnitysjärjestelmänä on Vosslohin Skl 14 -kiinnitys, jossa on väli- on levynä tyypillisesti Zw 900 NT [7]. Poikkileikkaukseltaan kohde sijaitsee matalalla penkereellä. Kohteeseen aikoinaan rakennettu noin 1 metrin paksuiset vastapenkereet molemmin puolin rai- havaintojen perusteella rakennekerrospaksuus mittausosuudella on noin 1,5 2 metriä. Rakennekerrosten alapuolella pohjamaa muuttuu hyvin löyhäksi tai löyhäksi turpeek- si. Turvekerroksen paksuus on mittausosuuden lähistöllä pohjatutkimustietojen mu- detta. Pohjatutkimusaineiston ja referenssitankojen asennuksen yhteydessä tehtyjen kaan 2-3 metriä. Referenssitankojen asennuksen yhteydessä turvekerroksen paksuu- siltiksi s deksi arvioitiin noinn 2 metriä. Turvekerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu tai hiekaksi, joka tiivistyy nopeasti niin, että painokaira tunkeutuuu kerrokseen enää lyömällä. Tiiviin pohjamoreenin yläpinta sijaitsee arviolta 5 metrin syvyydessä korke- usviivasta. Kohteessa referenssitangot lyötiin lähes 6 metrin m syvyyteen, joten niiden voidaan olettaa ukeutuneen tiiviiseen pohjamaahan n. Kyseinen pohjamaakuvaus edustaaa ainoastaan ratakilometriväliä Tämän osuuden ulkopuo- lii- lisesta alueesta ei ollut saatavilla pohjatutkimusaineistoa. Kuvassaa 6.27 on esitetty yleiskuva ratakilometrin kohteesta Vihannin kennepaikkaa eli etelää kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää etelään eli Vihannin liikennepaikkaa kohti ja sijaitsee suoralla.

144 142 Kuva Yleiskuva kohteesta etelään Vihannin liikennepaikalle päin. Kohteessa kiskotuss on tyyppiä 60 E1 [101] ja betoniratapölkyt tyyppiä B Kiskon kiinnitysjärjestelmänä on Vosslohin Skl 14 -kiinnitys,, jossa on välilevynä tyypillisesti Zw 900 NT [7]. Poikkileikkaukseltaan kohde sijaitsee matalalla penkereellä. Kohteeseen on kohteen tavoin rakennettu aikoinaan noin 1 metrin paksuiset ja 6 metriä le- ulkopuolella, mutta kohteessa ne eivät olleet kovin selkeästi havaittavissa. Pohjatutkimusaineiston ja eferenssitankojen asennuksen yhteydessä tehtyjen ha- veät vastapenkereet molemmin puolin raidetta. Sivuojat sijaitsevat vastapenkereiden vaintojen perusteella rakennekerrospaksuus mittausosuudella on noin 1,5 metriä. Ra- Turvekerroksen paksuus on mittausosuud den lähistöllä pohjatutkimustietojen mukaan kennekerrosten alapuolella pohjamaa muuttuu hyvin löyhäksi tai löyhäksi turpeeksi. noin 1,5 m. Referenssitankojen asennuksen yhteydessä tehdyt havainnot tukevat tätä näkemystä. Turvekerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu hiekaksi tai moreeniksi, joka tiivistyy nopeasti niin, että painokaira tunkeutuu kerrokseenn enää lyömällä. Tii- Kohteessa referenssitangot lyötiin lähess 4 metrin syvyyteen, joten niiden voidaan viin pohjamoreenin yläpinta sijaitsee arviolta 3 metrin syvyydessä korkeusviivasta. olettaa tukeutuneen tiiviiseen pohjamoreeniin. Kyseinen pohjamaakuvaus edustaa ainoastaan ratakilometriväliää Tämän osuuden ulkopuolisesta alueesta ei ollut saatavilla pohjatutkimusaineistoa. Kohteissa ja asennettiin 12 kiihtyvyysanturia sekä neljä siirtymä- anturia kuvan 6.28 osoittamalla tavalla ratakilometriväleille ja Ratakilometrilukema kasvaa Tuomiojan liikennepaikalle päin. Kohteessa kiihtyvyysanturiosuuden molemmissa päissää kaksi reunimmaista anturia olivat mittausalueeltaan 3 G ja loput kiihtyvyysanturit keskellä alueeltaan 12 G. Kohteessa kaikkien käytettyjen kiihtyvyysantureiden mittausalue oli 12 G. Molemmissa kohteissa kolmannessa ratapölkyssä etelästä päin, eli kuvasta va- puolel- semmalta luettuna, suunniteltu kiihtyvyysanturi siirrettiin ratapölkyn oikeallaa la olleen referenssitangon päähän tangon mahdollisten siirtymien seuraamiseksi. Kohteessa kuvattiin myös videokameralla ratapölkyn päähän ja siirtymä-

145 143 anturipalkkiin kiinnitettyjä rullamitan paloja vastapenkereen päältä noin 3 metrin etäisyydeltä. Kuva Periaatekuva kohteiden 10 ja 11 Vihanti Tuomioja T mittausjärjestelyistä. Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia,, voidaan todeta, että kummankaan kohteen mittaus- osuuksien kohdalla ei esiintynytt huomattavia epätasaisuuksia Hirvineva Liminka Mittauskohteet sijaitsevat liikennepaikkavälillä Hirvineva Liminka-rataosalla tehtiin kohteissa iltapäi- vällä Rataosa kuuluuu päällysrakenneluokkaan D [101]. Kohteissa kiskotus on tyyppiä 60 E1 [101] ja betoniratapölkyt tyyppiä BP99-00/01. Kiskon kiinnitysjär- jestelmänä on Vosslohin Skl 14 -kiinnitys, jossa on välilevynä tyypillisesti Zw 900 NT Seinä- joki Oulu-ratakilometreillä ja Mittauksia [7]. Kuvassaa 6.29 on esitetty yleiskuva ratakilometrin kohteesta Hirvinevan lii- ja kennepaikkaa eli etelää kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää etelään sijaitseee suoralla.

146 144 Kuva Yleiskuva kohteesta etelään Hirvinevan liikennepaikallee päin. Poikkileikkaukseltaan kohde sijaitsee ympäröivään maanpintaan verrattuna noin 2 metriä korkealla penkereellä. Kohteeseen on rakennettu aikoinaan vastapenke- asen- reet molemmin puolin raidetta. Pohjatutkimusaineiston ja referenssitankojen nuksen yhteydessä tehtyjen havaintojen perusteella rakennekerrospaksuus mittaus- hyvin osuudella on noin 2 metriä. Rakennekerrosten alapuolella pohjamaa muuttuu löyhäksi tai löyhäksi turpeeksi. Turvekerroksen paksuus on mittausosuuden lähistöllä pohjatutkimustietojen mukaan noin 1,55 m. Turvekerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu silttiseksi hiekaksi tai t hiekaksi. Referenssitankojen asennuksen yhteydessä turvekerroksen ja löyhän hiekkakerroksenn yhteispaksuudeksi arvioitiin noin 4 metriä, mitä myös pohjatutkimushavainnot tukevat. Silttisen hiekkakerroksen alapuolella pohjamaa muuttuu soraksi tai moreeniksi ja tiivistyy nopeasti niin, n että painokaira tunkeutuu kerrokseen enää lyömällä. Tiiviin pohjamoreenin yläpinta sijaitseee arviolta 7 metrin syvyydessä korkeusviivasta. Kohteessa referenssitangot lyötiin noin 7,5 ja 8 metrin syvyyksiin, joten niiden voidaann olettaa tukeutuneen tiiviiseen pohjamoree Tämän osuuden ulkopuolisesta alueesta ei ollut saatavilla poh- niin. Kyseinenn pohjamaakuvaus edustaa ainoastaan ratakilometriväliä jatutkimusaineistoa. Kuvassa 6.30 on esitetty yleiskuva ratakilometrin kohteesta Hirvinevan lii- ja kennepaikkaa eli etelää kohti. Raidegeometrialtaan mittausosuus viettää etelään sijaitsee suoralla.

147 145 Kuva Yleiskuva kohteesta etelään Hirvinevan liikennepaikalle päin. Poikkileikkaukseltaan kohde sijaitsee ympäröivään maanpintaan verrattuna noin 2 metriä korkealla penkereellä. Pohjatutkimusaineiston ja referenssitankojen asennuksen yhteydessä tehtyjen havaintojen perusteella rakennekerrospaksuudesta ei ole täyttä varmuutta kohteenn pohjamaan ollessa kohtuullisen tiivistä hiekkaa tai hiekkamoreenia, jolloin rakennekerroksia oli hankalaa erottaa muista tiiviistä maaker- ha- roksista. Rakennekerrosten alapuolella pohjamaassa eii havaittu turvetta, mutta vaittiin myös hieman löyhempiä kerroksia ennen hyvinn tiivistä pohjamoreenia.. Koh- teessa referenssitangot lyötiin noin 4 ja 5 metrin syvyyteen hyvin tiiviiseen kerrok- tuolla tasolla. Kallion yläpinnann sijainnistaa ei ole tietoa. Kyseinenn pohjamaakuvaus edustaaa ainoastaan ratakilometriväliä Tämän osuuden ulkopuo- lisesta alueesta ei ollut saatavilla pohjatutkimusaineistoa. Kohteissa ja asennettiinn 12 kiihtyvyysanturia sekä neljä siirtymä- anturia kuvan 6.31 osoittamalla tavalla ratakilometriväleille ja seen, joten tiiviin pohjamoreen nin yläpinnan voidaan olettaa sijaitsevan suunnilleen Kaikki kohteessa käytety kiihtyvyysanturit olivat mit- koh- tausalueeltaan 3 G ja j kohteessaa käytetyt kiihtyvyysanturit 12 G. Näissää teissa referenssitankojen liikkeitä ei seurattu kiihtyvyysantureilla. Kohteessa kuvattiin videokamera alla ratapölkyn päähän, kiskon varteen ja siirtymäantu- ripalkkiin kiinnitettyjä rullamitan palasia noin 3 metrin etäisyydeltä. e

148 146 Kuva Periaatekuva kohteiden 12 ja 13 Hirvineva Liminka mittausjärjesm stelyistä. Tarkasteltaessa ja eli melko lähellä mittausajankohtaa tehtyjen raiteentarkastusajojen tuloksia, voidaan todeta, että kohteiden ja mittausosuuksien kohdilla ei esiintynyt epätasaisuuksia tai virheitä Koemittauskohteiden ja yhteenveto -järjestelyidenn Koemittauskohteiden ominaisuudet on esitelty tiivistetysti liitteen 2 taulukossa. Taulukosta nähdään, että pohjamaaolosuhteet vaihtelevat huomattavasti eri koemittauskohteiden välillä. Esimerkiksii kohteet 1 Mäntsälä Sipilä ja 3 Varkaus Heinävesi sijaitsevat hyvin kantavalla pohjamaallaa tai kallioleikkauksessa. Myös kohteen 8 Viiala Mattila pohjamaa voitaneen olettaaa kohtuullisen kantavaksi, mutta tässää kohteessa on huomioitava 100 mmm paksuisen XPS-routalevyn vaikutus. Näistä kohteiden 3 ja 8 rakennekerrospaksuudett ovat suunnilleen samatt kohteen 1 rakenne- on kohteen 3 kiskotyyppi 54 E1. Pehmeikkökohteiksi voitaneen varmuudella katsoa kohde 6 Liminka Kempele, kohteet Vihanti Tuomioja sekä kohde 12 ( ) liikennepaikkaväliltä Hirvi- kerrospaksuuden ollessa edellisiin verrattuna yli kaksinkertainen. Huomionarvoista neva Liminka. Erikseen on nostettava esiin kohde 7 Kivesjärvi Paltamo, joka oli koemittauskohteista ainoaa puuratapölkkyraiteellinen kohde. Lisäksi tuossa kohteessa rakennekerros- melko paksuus on kohtuullisen suuri, suunnilleen 2000 mm. Samankaltaisuuksien havaitseminen muiden koemittauskohteiden välillä on hankalaa. Tosin rakennekerrospaksuus onn kohteissa 2, 4, 5 ja 9 suunnilleen sama. Yleisesti ottaen koemittauskohteiden ominaispiirteiden vertailuaa hankaloittii joiden- tai kin koemittauskohteiden kohdalla saatavilla olleen aineiston vähäinen määrä ajantasaisuus. Lisäksi aineistoa ei aina ollut saatavilla juuri mittausosuudelta vaan sen ympäristöstä. Liitteen 2 taulukon t ja luvun 5 avulla pystynee kuitenkin k muodosta- maan kohtalaisen hyvän yleiskuvan kustakin koemittauskohteesta.

149 147 7 Koemittaustulokset Tässä luvussa esitellään kohteittain koemittauksissa saadut tulokset ja huomioita niihin liittyen. Kokemuksia videokamerakuvauksesta rataympäristössä esitellään ly- hyesti luvun lopussa. Jäykkyysarvojen ja ratamoduulienn laskemistaa koemittaustulos- ten perusteella käsitellään luvussa 8. Tässä luvussa esiteltyjä tuloskuvia tarkasteltaessa on otettava o huomioon, että kuvis- sa pystyakselin maksimiarvo vaihtelee kohteittain. Tuloskuvissa mainittujen kalusto- tyyppien keskimääräiset akselipainot on esitelty luvussaa Mäntsälä Sipilä Kohde esiteltiin luvussa 6.3. Kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautuvia pai- kahdeksan junan ylityksen aikana. Kohteen kaksoisraiteen eteläisellä raiteella kaikki numia syyskuussa 2011 viiden junan ylityksen aikana ja helmikuussa 2012 yhteensä junat kulkivat kohti Sipilän liikennepaikkaa. Kuvassaa 7.1 on esitetty kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen eteläpäiden palau- tuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana ratakilometrir ivälillä sekä syksyllä (yhtenäinen viiva, neliösymboli) että talvellaa (katkoviiva, ruu- tusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty neljän ratapölkyn osalta myös niiden keski- palautuvat painumat talvimittauksissa. kohdan (pisteviiva, rastisymboli) ja pohjoispäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) Kuva 7.1. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden ja keskikohtien palau- tuvatt painumat kohteessa 1 Mäntsälä Sipi ilä ratakilometrivälillä Kuvastaa voidaan nähdä palautuvien painumien olleen sekä syksyllä että talvella hyvin samansuuruisia eri junien välillä InterCity-junien painumat. sähkövetureiden aiheuttaessa ras- kaimpina jonkin verran suuremmat

150 148 Yleisesti ottaen painumat ovat suuruudeltaan melko tasaisia. Tämä ei kuitenkaan pä- joiden de ratakilometrin läheisyydessää sijaitsevien ratapölkkyjen kohdalla, painuma oli jopa kolminkertainen verrattuna pienimpiin painumiin sekä syksyllä että talvella. Tämä painumien huippukohta on saattanut syntyä juuri samassa kohdassa sijaitsevan routaseurantalaitteiston asentamisen seurauksena. HuomionarvoH oista on, että samaisten ratapölkkyjen pohjoispäiden palautuvat painumatt olivat talvimittauk- huip- sissa huomattavasti pienempiä. Samankaltainen, mutta jonkin verran pienempi, pukohta on havaittavissa ratakilometrillä Tämä pienemp huippukohta poik- kuor- keaa edellisestä siinä mielessä, että kyseessä on vain yksittäinen poikkeavasti mituksen alaisena käyttäytyvä ratapölkky, kun taas suurempi painumien huippukohta ulottui kolmen peräkkäisen ratapölkyn alueelle. Kuvassa 7.2 on esitetty ratapölkkyjen eteläpäiden palautuvat painumat 20 peräkkäi- ra- selle ratapölkylle syksyn (yhtenäinen viiva) mittauksien osalta ja 48 peräkkäiselle tapölkylle talven (katkoviiva) mittausten osalta. Kuvasta 7.2 havaitaan, että edellä esi- painu- tellyissä huippukohdissa esiintyy myös talvella poikkeavan suuria palautuviaa mia. Lisäksi havaitaan, että suuruudeltaas an ratakilometrin huippukohtaa vas- tois- taavia, ja useammankin peräkkäisen ratapölkyn käsittäviä, huippukohtia esiintyy tuvasti edempänää ratakilometrilukeman kasvusuunnassa. Kuva 7.2. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kohteessa 1 Mäntsälä Sipilää ratakilometrivälillä Kaikki kuvassa 7..2 esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen eteläpäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudella olivat syksyllä 0,70 mm ja talvella 0,34 mm. Täten syksyn painumat olivat keskimäärin 2,1-kertaisia verrattuna talven painumiin. Tarkasteltaessa Sr2-veturin alta samalta 16 peräkkäistä ratapölkkyä käsittävältä ratakilometriväliltä mitattuja palautuvia painumia, voidaan todeta keskimääräisen palautuvan painumann olevan syksyllä 0,78 mm ja tal- vella 0,39 mm eli syksyn painumat olivat kaksinkertaisia talven vastaaviin verrattuna.

151 149 Yleisesti kuvien 7.1 ja 7.2 painumakuvaajia tarkasteltaessa huomio kiinnittyy useisiin painumien huippukohtiin mittausosuuden varrella. Erään ajatusmallin mukaan talven t mittauksissa havaittu kahden peräkkäisen ratapölkyn paikoin jopa viisinkertainen painumaero toisiinsa nähden selittyy näiden ratapölkkyjen erilaatuisilla tukeutumis- selittäisi ainakin osan huomattavasta painumaerosta. PienemmistäP ä painumien huip- tilanteilla. Tällöin esimerkiksi enemmän painuvan ratapölkyn alapuolinen tyhjätila pukohdista saattaa kuormituskertamäärän kasvaessa ja j mahdollisten ratapölkkyjen alapuolisten tyhjätilojen aiheuttamien iskukuormien vaikutuksesta kasvaa suuruudel- taan ratametrin +078 suurta huippukohtaa vastaavia. 7.2 Kesälahti Puhos Kohde esiteltiin luvussa 6.4. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- aikana. via painumia sekä syyskuussa 2011 että helmikuussa 2012 kahden junan ylityksen Kuvassaa 7.3 on esitetty kiihtyvyysantureillaa mitatut ratapölkkyjen länsipäiden palau- tuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä s (yhtenäinen viiva, neneljän, kuvassaa oikeanpuolimaisen, ratapölkyn osalta myös niiden keskikohdan (pisteviiva, rastisymboli) ja itäpäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) palautuvat painumat tal- liösymboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty vimittauksissa. Kuvasta voidaan nähdä painumien olevan hyvin samansuuruisia eri junien välillä, mikä on seurausta sähkövetureiden lähess samansuuruisista akselipai- kuin hitaammalla tavarajunalla. Yleisesti ottaen painumat mittausosuudella ovat sekä noista. Syksyllä nopeammalla IC-junalla painumat olivat paikoin hieman suurempia syksyllä että talvellaa hyvin tasaisia lukuun ottamatta ratakilometrillälä havait- tavaa huippukohtaa. Tämä painumien huippukohta onn saattanut edellisen kohteen tapaan syntyä juuri samassa kohdassa sijaitsevan routaseurantalaitteiston asentami- kohdan ratapölkkyjen itäpäiden painumista. sen seurauksena. Tässäkään kohteessa huippukohta ei ole havaittavissa kyseisen Kuva 7.3. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden ja keskikohtien palau- tuvatt painumat kohteessa 2 Kesälahti Puhos.

152 150 Kaikki kuvassa 7..3 esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen länsipäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudella olivat syksyllä 0,93 mm ja talvella 0,39 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimäärin 2,4- kertaisia verrattuna talven palautuviin painumiin. Kuvassa 7.4 on esitetty niin sanotun s instrumentoidunn eli referenssitangoilla varuste- tun ratapölkyn päiden siirtymät. Siirtymäantureilla mitattu painuma on havainnollis- (ks. lu- tettu sinisellä värillä ja kiihtyvyysantureilla mitattu referenssitangon siirtymää ku ) punaisella värillä. Edellisten avulla yhteenlasketun painuman vieressä on esitetty vihreällää vastaavan ratapölkyn pään kiihtyvyysanturillaa mitattu palautuva painuma. Kuva 7.4. Instrumentoidun ratapölkynn päiden palautuva painuma siirtymäantu- 2 Ke- reilla ja kiihtyvyysantureillaa mitattuna syyskuussa 2011 kohteessa sälahti Puhos. Kuvasta 7.4 nähdään, että siirtymäanturin ja vastinlevyn painumien yhteenlaskettu palautuva painuma vastaa erittäin hyvin kiihtyvyysantureilla mitattuja arvoja. Instru- suu- mentoidun ratapölkyn länsipään painumat ovat huomattavasti itäpään painumia rempia. Tämä saattaa osittain selittyä myös sillä, että ratapölkyn länsipää sijaitsee sisäkaarteen puolella, mutta todennäköisemmin routaseurantalaitteiston asennus on ollut suurempien painumien alkutekijä. Huomionarvoista on referenssitankojen suh- 3 teellisen suuret siirtymät, keskimäärin noin 0,25 mm, jotka todennäköisesti johtuvat metrin pituisten määrämittaisten referenssitankojen käytöstä. Tangot eivät siis tässä kohteessa ulottuneet tiiviiseen pohjamaakerrokseen saakka. 7.3 Varkaus Heinävesii Kohde esiteltiin luvussa 6.5. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- aikana. Kuvassa 7.5 on esitetty kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen pohjoispäiden pa- via painumia sekä syyskuussa 2011 ettää helmikuussa 2012 kahden junan ylityksen lautuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä (yhtenäinen viiva, neliösymboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty nel- (pis- jän, kuvassa vasemmanpuolimaisen, ratapölkyn osalta myös niiden keskikohdan teviiva, rastisymboli) ja eteläpäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) palautuvat painumat talvimittauksissa.

153 151 Kuva 7.5. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden ja keskikohtien palau- tuvatt painumat kohteessa 3 Varkaus Hein ävesi. Kaikki kuvassa 7.5 esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen poh- 0,43 mmm ja talvella 0,13 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimäärin 3,3-kertaisia verrattuna talven palautuviin painumiin. Tässä kohteessa palautuvat painumat olivat yleisesti ottaenn hyvin pieniä, mikä hankaloitti jonkin verran tulosten tulkintaa. Tästä johtuen painumia kaikkien ratapölkkyjen kohdilla ei saatu luotetta- vasti tulkituksi. Kuvassaa 7.6 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut instrumen- toidun ratapölkyn päiden siirtymät. joispäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudella olivat syksyllä Kuva 7.6. Instrumentoidun ratapölkyn päiden palautuva painumaa siirtymä kohteessa 3 antureilla ja kiihtyvyysantureilla mitattunaa syyskuussaa Varkaus Heinävesi. Kuvastaa 7.6 nähdään, että siirtymäanturin ja vastinlevyn painumien yhteenlaskettu palautuva painuma on hyvin lähellä kiihtyvyysantureillaa mitattuja arvoja. Referenssi- ei tankojen oletettavasti tukeutuessa tässä kohteessa tiiviiseen pohjamaakerrokseen, niiden päihin asennetuilla kiihtyvyysantureilla pystytty juuri havaitsemaan painumia junan ohituksen aikana. Tästä huolimatta tangot saattavat liikkua hyvin vähän junan ohituksen aikana liikkeen suuruuden ollessa kuitenkin mittaustulosm sten kannaltaa mer-

154 152 kityksetön. Instrumentoidun ratapölkyn rempia. pohjoispään painumat ovat o eteläpäätä suu- Hyvin pienet mitatut painumat selittynevät pääosin kohteen sijainnilla kallioleikkauk- Pienien painumien voidaan nähdä kertovan radan varsin rajallisista jousto- sessa sekä osittain myös kuormituksena käytetystä suhteellisen kevyestä kalustosta. ominaisuuksista dynaamisia kuormituksia vastaan varsinkin talvella. On kuitenkin huomioitava, että koemittauksissa painumat mitattiin ratapölkkyjen päistä, jolloin välilevyn tuoma jousto ja painumaosuus eivät tule huomioiduksi. 7.4 Airaksela Kurkimäki Kohde esiteltiin luvussa 6.6. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- ju- via painumia syyskuussa 2011 neljän junan ylityksen ja helmikuussa 2012 kahden nan ylityksen aikana. Kuvassa 7.7 on esitetty kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyje n itäpäiden palautu- neliö- vat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä (yhtenäinen viiva, symboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty ratamet- rastisymboli) ja länsipäiden (yhtenäinenn viiva, kolmiosymboli) palautuvat p painumat talvimittauksissa. rivälillä neljän ratapölkyn osalta myös niiden keskikohdan (pisteviiva, Kuva 7.7. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden jaa keskikohtienn palau- tuvat painumatt kohteessa 4 Airaksela Kurkimäki. Kuvasta 7.7 havaitaan palautuvien painumien olleen syksyn mittauksissa hyvin tasai- sia raskaimman Sr1-veturin aiheuttaessa a suurimmat painumat. Myös M talven mittauk- huip- sissa palautuvat painumat olivat suhteellisen tasaisia lukuun ottamatta kahta pukohtaa ratametrivälillä Huippukohdat eivät ole havaittavissah a syksyn mittaustuloksissa. Kaikki kuvassa esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden rata- syk- pölkkyjen itäpäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudella olivat syllä 1,50 mm ja talvella 0,36 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimää- rin 4,,2-kertaisia verrattuna talven palautuviin painumiin. Tässä kohteessa routaseu-

155 153 rantalaitteiston asennus ei ole tametrille aiheuttanut ainakaan huomattavaa huippukohtaa ra- Kuvassaa 7.8 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut instrumen- vas- toitujen ratapölkkyjen päiden siirtymät. Kuvasta nähdään, että siirtymäanturin ja tinlevynn painumien yhteenlaskettu palautuva painuma on pääosin hyvin lähellää kiih- tyvyysantureilla mitattuja arvoja. Referenssitankojen päihin asennetuilla kiihty- vyysantureilla ei juuri havaittu painumia junan ohituksen aikana. Tässä kohteessa referenssitangot eivät sijainneett saman ratapölkyn päissä, vaan kuvan 6.15 mukaises- ti. Kuva 7.8. Instrumentoidun ratapölkyn päiden palautuva painumaa siirtymä kohteessa 4 antureilla ja kiihtyvyysantureilla mitattunaa syyskuussaa Airaksela Kurkimäki. Tarkasteltaessa talvimittauksissa saatuja painuma, voidaan todeta, että tukikerroksen alapuolinen 50 mm paksuinen EPS-routalevy ei ainakaan tässä kohteessa aiheuttanut huomattavia painumia. Tämän kohteen ja kohteen 3 Varkaus Heinävesi syksyn mitta- pai- usten painumia tarkastelemalla havaitaan hyvin pohjamaan vaikutuss palautuvien numien suuruuteen kohteiden päällysrakenteiden ja alusrakenteiden ollessa suhteel- tukeutumistilanteesta ei ole kummassakaan kohteessa tarkempaa tietoa, mutta, lu- lisen samankaltaisiaa yllä mainittua routalevyä lukuun ottamatta. o Tosin ratapölkkyjen kuun ottamatta tämän kohteen ratametrivälin kahta huippukohtaa, tal- kohteissa vähintäänn kohtuulliseksi. vimittausten painumien perusteella tukeutumistilanne voitaneen v olettaa molemmissa 7.5 Kangas Oulainen Kohde esiteltiin luvussa 6.7. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- junan ylityksen aikana. Kuvassaa 7.9 on esitetty kiihtyvyysantureillaa mitatut ratapölkkyjen länsipäiden palau- tuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä s (yhtenäinen viiva, ne- via painumia syyskuussa 2011 kolmen junan ylityksen ja helmikuussa 2012 kahden liösymboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassaa on esitetty rata- metrivälillä neljänn ratapölkyn osalta myöss niiden keskikohdan (pistevii- va, rastisymboli) ja länsipäidenn (yhtenäinenn viiva, kolmiosymboli) palautuvat painu- mat talvimittauksissa.

156 154 Kuva 7.9. Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden jaa keskikohtienn palau- tuvat painumatt kohteessa 5 Kangas Oulainen. Kuvasta 7.9 havaitaan palautuvien painumien olleen sekä syksyn että talven mittauk- ot- sissa suhteellisen tasaisia muutamia talvimittauksien pieniä huippukohtia lukuun tamatta. Kaikki kuvassa esitellyt tuloksett ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen länsipäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuud della olivat syksyllä 1,55 mm ja talvella 0,26 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimäärin 6,0-kertaisia verrattuna talven palautuviin painumiin. Neljän, ratametrivälillä sijaitsevan, ratapölkyn molempien päiden ja keskikohtien palautuvat painumat olivat suunnilleen samansuuruis isia. Tässää kohteessa huomionarvoista on ratapenkereen routaantumisen erittäinn merkit- havait- tävä vaikutus mitattuihin palautuviin painumiin. Lisäksi talvimittaustuloksissaa tavatt muutamat painumien huippukohdatt saattavat indikoida kyseisten ratapölkkyjen heikentyneestä ukeutumistilanteesta. 7.6 Liminka Kempele Kohde esiteltiin luvussa 6.8. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- aikana. Kuvassa 7.10 on esitetty kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyje n länsipäiden palau- via painumia sekä syyskuussa 2011 ettää helmikuussa 2012 kahden junan ylityksen tuvatt painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä (yhtenäinen viiva, ne- rata- liösymboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty metrivälillä neljän ratapölkyn osalta myös niiden keskikohdan (pistevii- painu- va, rastisymboli) ja länsipäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) palautuvat mat talvimittauksissa.

157 155 Kuva Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden ja keskikohtien palau- tuvatt painumat kohteessa 6 Liminka Kempele. Kuvastaa 7.10 havaitaan palautuvien painumien olleen syksyn s mittauksissa kohtuulli- mit- sen tasaisia ja talven mittauksissa hyvin tasaisia radan pituussuunnassa. Syksyn taustuloksissa on huomionarvo oista palautuvien painumien suuruus. Kaikki kuvassa esitellytt tulokset ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen länsipäiden keskimääräi- 0,46 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimäärin 5,4-kertaisia verrat- tuna talven palautuviin painumiin. Tässä kohteessa routaseurantalaitteiston asennus ei ole ainakaan talvimittausten perusteella aiheuttanut huippukohtia ratametrille +527, vaan neljän, ratametrivälillä sijaitsevan, ratapölkyn molempien päiden ja keskikohtien palautuvat painumat olivat suunnilleen samansuuruisia. Kuvassaa 7.11 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut instrumen- toidun ratapölkyn päiden siirtymät. Kuvastaa nähdään, että siirtymäanturin ja vastinle- vyn painumien yhteenlaskettu palautuva painuma vastaa hyvin kiihtyvyysantureilla mitattuja arvoja. Huomionarvoista on referenssitankojen suurehkot siirtymät, jotka set palautuvat painumat mittausosuudella olivat syksyllä 2,477 mm ja talvella ovat keskimäärin noin 0,91 mm. Instrumentoidun ratapölkyn länsi- ja itäpään painu- missa oli jonkin verran suuruuseroa. Kuva Instrumentoidun ratapölkyn päiden palautuva painumaa siirtymäantu- reilla ja kiihtyvyysantureilla mitattuna syyskuussa kohteessa 6 Li- minka Kempele.

158 156 Kohteen 5 Kangas Oulainen tavoin tässää kohteessa ratapenkereen routaantumisella oli erittäin merkittävä vaikutus mitattuihin palautuviin painumiin. Yleisesti ottaen syksyn mittauksissa palautuvat painumat olivat varsin suuria mittausosuudm den sijai- tessa pehmeiköllä Kivesjärvi Paltamo Kohde esiteltiin luvussa 6.9. Tässä kohteessa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautu- ylityk- via painumia syyskuussa 2011 kahden junan ja helmikuussa yhden junan sen aikana. Kuvassa 7.12 on esitetty kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen itäpäiden palautu- neliö- vat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä (yhtenäinen viiva, symboli) että talvella (katkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa on esitetty ratamet- ras- rivälillä neljän ratapölkyn osalta myös niiden keskikohdan (pisteviiva, tisymboli) ja länsipäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) palautuvat painumat tal- epä- vimittauksissa. Kuvasta 7.12 havaitaan palautuvien painumien olleen syksyn mittauksissa melko tasaisia radan pituussuunnassa, minkä oletetaan johtuvan kohteen puuratapölkyistä. Talvimittaustulosten perusteella palautuvat painumat näyttäisivät olevan tässä koh- peräk- teessa talvella tasaisempia, mutta esimerkiksi ratametrivälin neljän käisen ratapölkyn eri päiden ja keskikohtien painumat ovat suhteellisen epätasaisia. Kaikki kuvassa esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen itäpäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudella olivat syksyllä 1,54 mmm ja tal- verrattuna talven palautuviin vella 0,46 mm. Täten syksyn palautuvatt painumat olivat keskimäärin 3,4-kertaisia painumiin. Kuva Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden jaa keskikohtienn palau- tuvat painumatt kohteessa 7 Kivesjärvi Paltamo. Kuvassa 7.13 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut ratametrillä +51 sijaitsevan instrumentoidun ratapölkyn päiden siirtymät. Kuvasta nähdään, että siirtymäanturin ja vastinlevyn painumienn yhteenlaskettu palautuva painumaa vastaa hyvin kiihtyvyysantureilla mitattuja arvoja. Referenssitankojen päihin asennetuilla kiihtyvyysantureilla ei juuri havaittu painumia junan ohituksen aikana.

159 157 Kuva Instrumentoidun ratapölkyn päiden palautuva painumaa siirtymäantu- reilla ja kiihtyvyysantureilla mitattuna syyskuussa kohteessa 7 Ki- vesjärvi Paltamo.. Tässä kohteessa poikkeavaa verrattuna muihin koemittauskohteisiin on puuratapölk- että kyraide. Sekä syksyn että talvenn mittaustuloksia tarkasteltaessa vaikuttaisi siltä, puuratapölkyt jonkin verran epäsäännöllistävät ratapölkyn päiden painumia. Kuvasta 7.12 on lisäksi havaittavissa, että talvella ratametrivälillä ratapölkkyjen keskikohtien palautuvat painumat olivat vastaavien ratapölkkyjen päiden palautuvia painumia suurempia. Tämä johtunee tuentatilanteen ja ratapölkkymateriaalin yhteis- vaikutuksesta. 7.8 Viiala Mattilaa Kohde esiteltiin luvussa Tässä kohteessa mitattiinn ratapölkkyjen päiden palau- tuvia painumia syyskuussa 2011 neljän junan ja helmikuussa 2012 kolmen junan yli neljän peräkkäisenn ratapölkyn keskelle ja itäpäihin asennetuilla kiihty- vyysantureilla mitattiin ainoastaan yhden junan ylitys. tyksen aikana. Poikkeuksena edelliseen talvimittauksissa ratametrivälille Kuvassaa 7.14 on esitetty kiihtyvyysantureillaa mitatut ratapölkkyjen länsipäiden palau- tuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä s (yhtenäinen viiva, ne- on esitetty ratametrivälillä neljän ratapölkyn osalta myös niiden keski- liösymboli) että talvella (katkoviiva ja pistekatkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa kohtien (pisteviiva, rastisymboli) ja itäpäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) pa- lautuvatt painumat talvimittauksissa yhden junan ylityksen aikana.

160 158 Kuva Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden jaa keskikohtienn palau- tuvat painumatt kohteessa 8 Viiala Mattila. Kuvasta 7.14 havaitaan palautuvien painumien olleen syksyn mittauksissa kohtuulli- jonkin sen tasaisia radan pituussuunnassa raskaimpien Sr2-vetureiden aiheuttaessa verran suuremmat painumat kuin kevyempi sähkömoottorikalusto. Talvimittauksissa ratametrivälin palautuvat painumat olivat syksyn painumia tasaisempia, mutta ratametrivälillä mitatut painumat olivat talvella paikoin jopa suu- ja rempia kuin syksyllä ja kohtuullisen epätasaisia. Kaikki kuvassa esitellyt tulokset mitatut junat huomioiden ratapölkkyjen länsipäiden keskimääräiset palautuvat pai- syksyn numat mittausosuudella olivat syksyllä 0,90 mm ja talvella 0,599 mm. Tätenn palautuvat painumat olivat keskimäärin 1,5-kertaisia verrattunaa talven palautuviin painumiin. Kuvassa 7.15 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut ratametrillä +291 sijaitsevan instrumentoidun ratapölkyn päiden ja keskikohdan siirtymät yhden junann ylityksen aikana. Kuvasta nähdään, että siirtymäanturien ja j vastinlevyjen pai- numien yhteenlaskettu palautuva painuma vastaa kohtuullisen hyvin h kiihtyvyysantu- havaittiin keskimäärin 0,14 mm siirtymät junan ohituksen aikana. Instrumentoidun ratapölkyn länsi- ja itäpäiden sekä keskikohdan painumat olivat lähes samansuurui- reilla mitattuja arvoja. Referenssitankojen päihin asennetuilla kiihtyvyysantureilla sia. Kuva Instrumentoidun ratapölkynn päiden palautuva painuma siirtymä- 8 antureilla ja kiihtyvyysantureilla mitattuna syyskuussa 2011 kohteessa Viiala Mattila.

161 159 Tämä kohde oli ainoa koemittauskohde, jossa havaittiinn talvimittauksissa suurempia palautuvia painumiaa kuin syksyllä. Tämä saattaa selittyä ratametrivälin routimisella raiteen keskeltä, jolloin ratapölkkyjen päiden alueella tuenta heikkenee ja palautuvat painumat kasvavat routanousun kasvaessa. Tätä näkökulmaa puoltavat talvella ratapölkkyjen keskeltä mitatut painumat, jotka ovat hyvin pieniä ja samanai- mitattu lähes syksyn painumien suuruinen painuma. kaisestii esimerkiksii kuvassa 7.14 vasemmalta lukien neljännen ratapölkyn itäpäästä 7.9 Suoniemi Karkku Kohde esiteltiin luvussa Tässä kohteessa mitattiinn ratapölkkyjen päiden palau- tuvia painumia syyskuussa 2011 neljän junan ja helmikuussa 2012 kolmen junan yli- tyksen aikana. Kuvassaa 7.16 on esitetty kiihtyvyysantureillaa mitatut ratapölkkyjen eteläpäiden palau- tuvat painumat mitattujen junien ylitysten aikana sekä syksyllä s (yhtenäinen viiva, ne- on esitetty ratametrivälillä neljän ratapölkyn osalta myös niiden keski- liösymboli) että talvella (katkoviiva ja pistekatkoviiva, ruutusymboli). Lisäksi kuvassa kohtien (pisteviiva, rastisymboli) ja pohjoispäiden (yhtenäinen viiva, kolmiosymboli) palautuvat painumat talvimittauksissa. Kuva Kiihtyvyysantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden ja keskikohtien palau- tuvatt painumat kohteessa 9 Suoniemi Karkku. Kuvastaa 7.16 havaitaan palautuvien painumien olleen syksyn s mittauksissa kohtuulli- sen tasaisia radan pituussuunn assa. Suurimmillaan painumat olivat syksyn mittauk- Instrumentoidun ratapölkyn tuentatilanne on saattanutt jonkin verran heiketä routa- sissa suunnilleen ratametrillä sijaitsevan instrumentoidun ratapölkyn kohdalla. seurantalaitteiston asennuksen yhteydessä. Talvimittauksissa kaikki mitatut palautu- pieniä. Kaikki kuvassa 7.16 esitellyt tulokset ja mitatut junat huomioiden h ratapölkkyjen ete- vat painumat olivatt radan pituussuunnassaa hyvin tasaisia ja suuruudeltaan läpäiden keskimääräiset palautuvat painumat mittausosuudellaa olivat syksyllä 1,00 mmm ja talvella 0,19 mm. Täten syksyn palautuvat painumat olivat keskimäärin 5,3-kertaisia verrattuna talven palautuviin painumiin eli ratapenkereen routaantumi- sella oli tässä kohteessa erittäinn merkittävä vaikutus palautuviin painumiin.

162 160 Kuvassa 7.17 on esitetty siirtymäantureilla ja kiihtyvyysantureilla mitatut ratametrillä sijaitsevan instrumentoidun ratapölkyn päiden siirtymät kahden junan ylityksen aikana. Kuvasta nähdään, että siirtymäanturien ja vastinlevyjen painumien yhteenlas- ar- kettu palautuva painuma vastaa kohtuullisen hyvin kiihtyvyysant tureilla mitattuja voja. Referenssitankojen päihin asennetuilla kiihtyvyysantureilla ei havaittu mainitta- etelä- via siirtymiä junan ohituksen aikana. Instrumentoidun ratapölkyn pohjois- ja päiden painumat olivat lähes samansuuruisia. Kuva Instrumentoidun ratapölkyn päiden palautuva painuma siirtymäantu- 9 reilla ja kiihtyvyysantureillaa mitattuna syyskuussa 2011 kohteessa Suoniemi Karkku Vihanti Tuomioja Kohteet esiteltiin luvussa Näissä kohteissa mitattiin ratapölkkyjen länsipäiden palautuvia painumia elokuussa Kuvissa 7.18 ja 7.19 on esitetty vastaavassa järjestyksessä kohteiden ja ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kolmen erilaisen junatyypin osalta. Tuloksiksii kuvissa on valittu suurimman dynaamisen liikkeen aiheuttaman te- täy- lin palautuva painuma. Tavarajunalla suurimman painuman aiheuttivat raskaat teen kuormatut tavaravaunutt ja IC-junalla Sr2-veturin teli. Pendolinolla kaikkien teli- junat en aiheuttama palautuva painuma oli käytännössä samansuuruinen. Mitatut olivat molemmissa kohteissa samat.

163 161 Kuva Kiihtyvyysantureilla ja siirtymäantureilla mitatut m ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kohteessa 10 Vihanti Tuomioja ratakilometrillä Kuva Kiihtyvyysantureilla ja siirtymäantureilla mitatut m ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kohteessa 11 Vihanti Tuomioja ratakilometrillä Kuvista 7.18 ja 7.19 havaitaan palautuvien painumien olleen molemmissa kohteissa suuruusluokaltaan varsin suuria. Osin tämänkaltainen tulos oli odotettavissa molem- pien kohteiden sijaitessa 1,5 2,0 metrin paksuisella turvepehmeiköllä. Molemmissa kohteissa on havaittavissa ero siirtymäanturien ja kiihtyvyysantureiden mittaustulok- siir- sissa. Kohteessa tämää ero on hyvin selkeä. Mittaustulosten ero johtuu tymäanturimittauksessa referenssipisteinä käytettyjen kairatankojen siirtymistä, jol- loin kiihtyvyysanturit mittaavat suurempia painumia kuin siirtymäanturit. Molemmis- sa kohteissa toisen kairatangonn päähän asennettiin kiihtyvyysanturi tangon siirtymi- oli en seuraamiseksi ja havaittiin, että kiihtyvyysanturin mittaama tangon siirtymä yhtenevä siirtymäanturi- ja kiihtyvyysanturimittaustulosten eron kanssa. Näissää koh- kuin teissa kiihtyvyysanturimittauksen tuloksia voidaan pitää siten luotettavampinaa siirtymäanturien mittaustuloksia. Kohteen huomattavash sti selkeämpi ero tuloksissa verrattuna kohteeseen johtunee siitä, että ensinn mainitussaa koh- teessa rakennekerrosten läpäiseminen kairatangoilla oli hyvin hankalaa ja tangot jäi-

164 162 vät selkeästi vinoon. Kohteessa kairatankojen asentaminen onnistui huo- pai- mattavasti paremmin ja suorempaan. Molemmissa kohteissa kevyin Pendolinoo (Sm3) aiheutti pienimmät palautuvat numat, jotka olivat kiihtyvyysantureilla mitattuna kohteessa keskimäärin 2,84 mm ja kohteessa keskimäärin 3,15 mm. Kuvista ja 7.19 havaitaan tavarajunan aiheuttaneen huomattavastii Sr2-veturia suuremmat palautuvat painu- ak- mat, vaikka tavarajunan raskaasti kuormattujen vaunujen ja IC-junan Sr2-veturin selipainot olivat lähes samansuuruiset. Sr2-veturin aiheuttamat palautuvat p painumat olivat kiihtyvyysantureilla mitattuna kohteessa keskimäärin 3,299 mm ja kohteessa keskimäärin 4,16 mm, kun taas tavarajunan aiheuttamat suurimmat palautuvat painumat olivat kiihtyvyysantureilla mitattuna kohteessa keskimäärin 5,09 mm ja kohteessa keskimäärin 5,56 mm. Painumien suuruuseroa selittää niiden poimiminen suurimman palautuvan painuman kohdalta. Kuvassa 7.20 on esitetty siirtymäantureilla mitatut palautuvat p painumat tavarajunan ylityksen aikana kohteessa Kuvan tulokset on otettu tavaraju- Mediaanin laskemista varten neljän peräkkäisen ratapölkyn siirtymäsignaalitt kohdis- nan ylityksen aikana siirtymäantureilla mitattujen ratapölkyn liikkeiden mediaanina. tettiin mittausaikaa muuttamalla samanhetkisiksi tapahtumiksi. Ilman tätä vaihesiir- junan toa aika-siirtymäkuvassa eri ratapölkkyjen liikkeet tapahtuvat luonnollisesti liikkeestä johtuen eriaikaisesti. Aika-akselilla lukuarvo tarkoittaa mittausnäytteiden lukumäärää eli näytettä tarkoittaaa 2 sekuntia ajassa. Painumien suuruutta tar- kasteltaessa on huomioitava, että kuvan 7.20 siirtymäanturituloksissa ei ole huomioi- tu kairatankojen siirtymien osuutta. Kuva Kohteessa 10 Vihanti Tuom mioja ratakilometrillä siirtymäantu- siirtymän mediaani. reilla mitattu tavarajunan aiheuttama ratapölkkyjenn pystysuuntaisen Kuvasta 7.20 havaitaan, että kuvassa vasemmalla näkyvät Sr1-veturin neljä teliä aihe- telit. Kohteissa oli toisen tutkimusprojektin kautta käytettävissä tietoa kuormi- uttavat huomattavasti pienemmät painumat kuin veturia seuraavien tavaravaunujen tuksena toimineiden junien tarkoista t akselipainoistaa ja kalustotyypeistä, joiden pe- syitä. rusteella voidaan arvioida veturin ja vaunujen aiheuttamien painumien erojen Pääosin painumaero johtuu tämän junan kohdalla akselipainoiltaan 10 % tarkkuudel-

165 163 la samansuuruisten Sr1-veturin telien ja tavarajunassa olleiden o VTad-vaunujen telien erisuuruisista akseliväleistä. Sr1-veturin telien akseliväli on 2700 mmm ja VTad-vaunun 1850 mm, minkä vaikutuksesta vaunun telin akseleiden kuormitusvaikutus on keskit- tyneempi ja pistemäisempi aiheuttaen suuremman palautuvan painuman. Vertailun vuoksi mainittakoon, että Sr2-veturin telin akseliväli on 2800 mm eli vajaat 4 % suu- pa- rempi kuin Sr1-veturilla. Junan pituudella ja telien akselivälillä näyttäisi siis olevan merkittäväkin vaikutus lautuvan painuman mittaustulokseen ainakin kyseisissä pohjamaaolosuhteissaa (vrt. luku 3.2.2). Kantavammilla pohjamailla ja talvella ratarakenteen routaannuttua telien akselivälin vaikutus on luultavasti vähäisempi Hirvineva Liminka Kohteett esiteltiin luvussa Näissä kohteissa mitattiin ratapölkkyjen länsipäiden palautuvia painumiaa elokuussa Kuvissa 7.21 ja on esitetty vastaavassa järjestyksessä kohteiden ja ratapölkkyjen päiden palautuvat painumatt kolmen erilaisen junatyypin osalta. Tuloksiksi kuvissa on valittu suurimman dynaamisen liikkeen aiheuttaman telin palautuva painuma liikennepaikkavälin Vihanti Tuomioja kohteiden tapaan.. Kuva Kiihtyvyysantureilla ja siirtymäantureilla mitatut m ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kohteessa 12 Hirvineva Liminka ratakilometrillä

166 164 Kuva Kiihtyvyysantureilla ja siirtymäantureilla mitatut ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat kohteessa 13 Hirvineva Liminka ratakilometrillä Kuvista 7.21 ja 7.22 havaitaan palautuvien painumien olleen molemmissa kohteissa suuruusluokaltaan kohtuullisen suuria, mutta huomattavasti edellisessä luvussa esi- Lisäk- teltyjä, liikennepaikkaväliltä Vihanti Tuomioja mitattuja painumia pienempiä. si havaitaan, että kohteessa mitatut painumat ovat jonkin verran suurempia kuin kohteesta mitatut painumat. Tämänkaltainen tulos oli odotettavissa kohteen sijaitessa turvepehmeiköllä, jonka alapuolella on o heikosti kantavaa silttistä hiekkaa. Kohde oli sitä vastoin valittu kohtuullisen kantavan pohja- pie- maan alueelta vertailukohteeksi. Molemmissa kohteissa on paikoin havaittavissa niä eroja siirtymäanturien ja kiihtyvyysantureiden mittaustuloks sissa, jotka johtuvat kairatankojen siirtymistä. Kummassakaan kohteessa kairatankojen siirtymiää ei kui- sa- tenkaan mitattu kiihtyvyysantureilla. Molemmissa kohteissa Pendolino (Sm3) ja IC-junan Sr2-veturi aiheuttivat a lähes mansuuruiset palautuvat painumat, jotka olivat kiihtyvyysantureilla mitattunaa Pendo- 1,53 mm sekä Sr2-veturille kohteessa keskimäärin 2,18 mm ja kohteessa keskimäärin 1,61 mm. Kuvista 7.21 ja 7.22 havaitaan tavarajunan aiheutta- neen jonkin verran Sr2-veturia ja Pendolinoa suuremmat palautuvat painumat, vaikka linolle kohteessa keskimäärin 1,91 mm ja kohteessa keskimäärin tavarajunan raskaasti kuormattujen vaunujen ja IC-junan Sr2-veturin akselipainot ovat oletettavasti lähes samansuuruiset. Tavarajunann aiheuttamat suurimmat painumat olivat kiihtyvyysantureilla mitattuna kohteessa keskimäärin 3,03 mm ja kohteessa keskimäärin 2,02 mm. Tätä havaintoa selittää jo edellisten koh- teiden kohdalla esitelty kaluston telien erisuuruisten akselivälien vaikutus kuormituk- vetävänä kalustoyksikkönä toimi Dr16 ja vaunujen tyypit vaihtelivat. Kuvassaa 7.23 on sen keskittymiseen ja painumien suuruuteen, mutta tässä tapauksessa tavarajunan vielä kootusti esitetty liikennepaikkaväleillä Hirvineva Liminka ja j Vihanti Tuomioja sijainneiden kolmen turvepehmeikkökohteen sekä vertailukohte een kiihty- Painumat on poimittu suurimman palautuvan painuman aiheuttaneen akselinn kohdal- vyysantureilla mitattujen palautuvien painumien keskiarvot kullekin kalustotyypille. ta.

167 165 Kuvassaa 7.24 on esitetty yhteenveto keskimääräisistä Sr1- S tai Sr2-veturin alta mita- Sr- tuista ratapölkyn päiden palautuvista painumista. Kohteissa K 3 ja 6 tietoa vetureiden aiheuttamista painumista ei ollut saatavilla ja näiden kohteiden kohdalla tarkasteltu kalustotyyppi on ilmoitettu kuvassa. Kuvassa 7.24 esitellyissä tuloksissa on huomioitu kaikki ratapölkkyjen päistä kyseiselle kalustotyypillee mitatut tulokset, myös mahdolliset huomattavan suuret painumat instrumentoitujen ratapölkkyjen kohdilla. Kuva Turvepehmeikkökohteiden ja vertailukohte een palautuvien painumien keskiarvot kiihtyvyysantureillaa mitattuna kullekin k kalustotyypille koemit- tauskohteissa Yleisesti turvepehmeikkömittauksista voidaan todeta, että ennakkoon pehmeiköillä epävarmaksi oletettu kiihtyvyysanturimittaus toimi ainakin näissää kohteissa moit- tu- teetta. Sitä vastoin aiemmin erittäin luotettavana pidetty tiiviiseen pohjamaahan keutuviin kairatankoihin perustuva siirtymäanturimittaus osoittautui hieman epävar- maksi. Siirtymäanturimittauksen varmuus todennäköis esti paranisi, mikäli referens- sipisteinä toimivat kairatangot asennettaisiin suojaputkeen ainakin radan rakenne- kerrosten osuudella Koemittaustulosten yhteenveto

168 166 Kuva Yhteenveto pääosin Sr1- taii Sr2-vetureiden alta mitatuista ratapölkkyjen päiden keskimääräisistä palautuvista painumista koemittauskohteissa syksyllä 2011 ja talvella Kohdekohtaisia palautuvia painumia käsiteltiin aiemmin tässä luvussa. Yleisesti ku- vassaa 7.24 esiteltyjen palautuvien painumien suuruutta voidaan arvioida Ratateknis- olevilla ten ohjeiden osan 3 Radan rakenne avulla, jossa todetaan, että olemassaa maanvaraisesti perustetuilla radoilla ratapölkystä mitattavan radan palautuvan, pys- alaisena oltava vähintään 1 mm. Enimmäisarvo palautuvalle painumalle on vastaavas- ti 10 mm ratapölkystä mitattuna. Vastaavasti RATO3:n mukaan uudet maanvarai- sesti perustettavat radat tulee suunnitella ja rakentaa siten, ettää radalla käytettävän kaluston sallitun akselipainon suuruinen kuormitus aikaansaa ratapölkyssä 1 3 mm tysuuntaisen painuman on kaluston sallitun akselipainon suuruisen kuormituksen palautuvan pystysuuntaisen painuman. Turvepohjamailla sallitaan kuitenkin pys- kes- tysuuntaisen palautuvan painuman olevann enintään 5 mm. [34] Verrattaessa olemassa oleville radoille annettuja arvoja kuvassa esitettyihin kimääräisiin palautuviin painumiin havaitaan, että syksyllä kohteissa 1 3 ja 8 palautuvat painumat olivat keskimäärin alle 1 mm. Myös muissa kohteissaa esiintyi yksittäisiä alle 1 mm suuruisia palautuviaa painumia. Talvella keskimääräiset pa- lautuvat painumat olivat kaikissa koemittauskohteissa 1 9 alle 1 mm m suuruisia Videokamerakuvaus radan taipumatarkasteluissa Jo alustavissa videokamerakuvaustulosten tarkasteluissa kävi ilmi, että kameralla ei ainakaan kyseisissä kohteissa voida luotettavasti mitata kiskon taipumaa johtuen kuormituksena käytetyn kaluston aiheuttamasta tärinästä ja ilmavirroista. Kameraa yritettiin myös siirtää kauemmas radasta tärinävaikutuksen vähentämiseksi, mutta tällöin käytetyn kameran optiikka ei enää riittänyt ja menetelmän tarkkuus heikkeni merkittävästi. Myös valaistusolosuhteilla havaittiin olevan hyvin merkittävä vaikutus mittauksilla saatavan videokuvan laatuun.

169 167 8 Jäykkyyden laskeminen koemittaustuloksista Tässä luvussa esitellään jäykkyysarvojen ja ratamoduulien laskemista koemittauksilla saatujen painumatietojen perusteella. Aluksi luvussaa esitelläänn koemittauksissa kuormituksena käytetyn radallaa liikkuvan kaluston aiheuttaman kuormituksen suuniille ruuden arviointia. Lisäksi luvussa esitellään laskentaan valitut menetelmät ja käytettävät lähtöarvot sekä käsitellään menetelmien käyttöön liittyviä rajoituksia ja huomioita. Luvun lopussa esitellään saadut tulokset ja analysoidaan koemittauskoh- teille eri vuodenaikoina saatuja jäykkyysarvoja ja ratamoduuleja. 8.1 Kuormitusten suuruus koemittauksissa Koemittauksissa käytettiin kuormituksena radalla aikataulujen mukaan liikkuvaa, tyypiltään vaihtelevaa kalustoa. Kyseisen kaluston aiheuttaman kuormituksen suutämän t ruuden tarkka selvittäminen olisi vaatinut akselipainojen mittaamista, johon tutkimuksen yhteydessä ei ryhdytty. Eri kalustotyyppien akselipainoja voidaan kui- tenkin riittävän tarkasti arvioida Samppalan [102] diplomityössäänn tekemän pyörä- voimailmaisimien mittausdatan n analysoinnin avulla. Taulukossa 8. 1 on esitetty pyö- kul- rävoimailmaisimien mittausdatasta saadut staattisten akselipainojea en keskiarvot lekin koemittauksissa kuormituksena käytetylle kalustotyypille lukuun ottamatta ka- lustotyyppejä Sm4 ja j Sm6, joillee esitetyt akselipainot ovat raportin tekijän omia arvi- kalustotyypeittäin. oita. Taulukko 8.1. Pyörävoimailmaisilla mitattujen staattisten akselipainojen keskiarvot Koska radalla liikkuvan kaluston rataan kohdistavat kuormituksetk t ovat sekä kvasi- laskennassa dynaamisella voimakertoimella. Samppalan [102] diplomityön mukaan perusteltuna arvonaa dynaamiselle voimakertoimelle voidaan pitää arvoa 1,1, sillä lovi- staattisia että dynaamisia, päätettiin dynaamiset kuormitukset huomioida jäykkyyden pyörien aiheuttamiaa tai muita hyvin korkeataajuisia dynaamisia kuormituksia ei ole tässä tapauksessa syytä s huomioida.

170 168 Dynaamisen voimakertoimen mukainen kuormituslisäys ei kuitenkaan toteudu jokaisen yksittäisen ratapölkyn kohdalla eli voimakertoimen käyttö paikoin yliarvioi kuormituksen suuruutta. Kertoimen käytöllä voidaan kuitenkin huomioida ratapölkkyjen kiskoille tarjoamasta epäjatkuvasta tuesta radan pituussuunnassa mahdollisesti aiheutuvan pienipiirteisen jäykkyysvaihtelun tuottamaa kuormituslisäystä, joten kertoimen käyttö on tältä osin perusteltua. 8.2 Laskentamenetelmät Radan taipuma-/painumamittaustuloksille käytettäviä jäykkyyden laskentamenetelmiä esiteltiin luvussa 3.2. Huomattavaksi rajoitukseksi liittyen menetelmien suoraan käyttöön nousi se, että koemittauskohteissa mitattiin ratapölkkyjen päiden palautuvia painumia kiskon taipuman sijaan, jolloin välilevyn vaikutus taipumaan jää ottamatta huomioon. Laskentamenetelmiä voitiin kuitenkin hieman soveltaen käyttää myös ratapölkkyjen päiden painumatuloksien avulla Yksittäisestä ratapölkystä mitattu radan jäykkyys Luvussa esitelty yksittäisen pisteen kuormitustesti vaikutti hyvin yksinkertaiselta ja nopealta tavalta ratkaista radan jäykkyys taipumamittaustuloksesta, sillä se vaatii taipuma-/painumamittaustuloksen ainoastaan yhdestä pisteestä. Koska koemittauksissa käytettiin kuormituksena radalla aikataulujen mukaan liikkuvaa kalustoa, ei kuormituksen säätely ollut mahdollista ja näin ollen myöskään jäykkyyden määrittäminen tietyltä kuormitusväliltä ei ollut mahdollista. Täten päädyttiin käyttämään jäykkyyden laskennassa yhtälöä 2.2 muistuttavaa yhtälöä 8.1. K 0,5 Q 1,1 akseli rp (8.1) yrp missä K rp on yksittäisestä ratapölkystä mitattu radan jäykkyys [kn/mm] Q akseli on staattinen akselipaino taulukon 8.1 mukaisesti [kn] y rp on ratapölkyn pään palautuva painuma [mm] Yhtälössä 8.1 käytetty kerroin 0,5 johtuu siitä, että jäykkyys lasketaan ainoastaan ratapölkyn toiselle päälle, jolloin akselipaino tulee muuttaa pyöräkuormaksi kyseisellä kertoimella. Kerroin 1,1 on aiemmin esitelty dynaaminen voimakerroin. Yksittäisistä ratapölkyistä mitattujen radan jäykkyyksien laskennassa käytettiin tyypillisesti kaksiakselisen telin yksittäisen akselin alta mitattua palautuvaa painumaa. Näin ollen telin toisen akselin mahdollinen vaikutus laskennassa käytettyyn painumaan jäi huomioimatta. Ainakin pehmeiden pohjamaiden alueilla saman telin toisen akselin kuormitusvaikutus vaikuttaa osittain mittaustulokseen, etenkin telin akselivälin ollessa suhteellisen pieni (ks. luku 7.10). Yhtälön 2.4 mukaista radan jäykkyyden ja ratamoduulin välistä muutosyhtälöä ei voida ainakaan suoraan käyttää yhtälöllä 8.1 määritetyn yksittäisestä ratapölkystä mitatun radan jäykkyyden kohdalla.

171 Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuva ratamoduuli Luvussa esiteltiin kiskon taipumamuotoon perustuva testi. Tämänkaltainen laskentamenetelmä vaikutti mielenkiintoiselta, sillä se huomioi kerrallaan yksittäistä ratapölkkyä pidemmän osuuden radasta ja kaksiakselisen telin molempien akselien aiheuttama kuormitus voidaan ottaa huomioon. Luvussa esitellyn taipumamuotoon perustuvan testin kohdalla taipumamuoto selvitettiin mittaamalla paikallaan pysyvän kuormituksen aiheuttamat taipumat koko taipumasuppilon alueella, mikä vaatii runsaasti taipumamittauksia eri pisteissä. Koemittauksissa saaduille ratapölkkyjen päiden palautuville painumille taipumamuotoon perustuvaa menetelmää sovellettiin siten, että tarkasteluun valittiin yksi, mittausosuuden keskimääräistä palautuvaa painumaa edustava, ratapölkky. Tämän ratapölkyn pään painumamittausprofiilista poimittiin yhden telin aiheuttama taipumamuoto, jonka oletettiin vastaavan paikallaan pysyvän kuormituksen ja useiden taipumamittausten käytöllä saavutettavaa taipumasuppiloa (vrt. kuva 4.22). Näin saadun taipumamuodon avulla laskettiin ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuva ratamoduuli yhtälön 8.2 mukaisesti. Yhtälö on samankaltainen kuin taipumamuotoon perustuvan testin yhteydessä esitelty yhtälö 3.18 ja geofonien mittaustulosten hyödyntämisen yhteydessä esitelty yhtälö 4.2. missä u u rp 0,5 n Q A v rp akseli 1,1 (8.2) rp on ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuva ratamoduuli [N/mm/mm] n on rataa kuormittavien akseleiden lukumäärä Q on staattinen akselipaino taulukon 8.1 mukaisesti [kn] A v akseli rp on ratapölkystä mitatun taipumamuodon pinta-ala ajan suhteen [mm s] on kuormittavan kaluston nopeus [m/s] Yhtälössä 8.2 käytetty kerroin 0,5 johtuu akselipainon muuntamisesta pyöräkuormaksi kyseisellä kertoimella. Kerroin 1,1 on aiemmin esitelty dynaaminen voimakerroin. Taipumamuodon pinta-alan laskemiseen käytettiin koemittaustulosten käsittelyyn käytettyä ohjelmistoa. Koska mittaukset tehtiin ajan suhteen, saadaan pinta-alan yksiköksi mm s. Kerrottaessa kyseinen pinta-ala kuormituksena käytetyn kaluston nopeudella, aikayksiköt supistuvat pois yhtälöstä. On huomioitava, että käytettäessä yhtälöä 8.2 oletetaan ratamoduulin olevan vakio koko taipumasuppilon alueella. Käytännössä taipumasuppilon alueella ratamoduuli voi kuitenkin vaihdella huomattavastikin esimerkiksi ratapölkkyjen erilaisen tukeutumistilan seurauksena.

172 Jäykkyys- ja ratamoduulitulokset Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet Kuvissa 8.1 ja 8.2 on esitetty vastaavassaa järjestyksessä syksyllä 2011 ja talvella 2012 koemittauskohteissa tehtyjen mittaustenn tulosten perusteella yhtälöllä 8.1 lasketut ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet. j Kuvissa on esitetty peräkkäistä rata- ratapölkyistä mitattu radan jäykkyys sekä pienin ja suurin yksittäisestä ratapölkystä mitattu radan jäykkyys kussakin koemittauskohteessa. Kuvia tarkasteltaessa on huo- pölkkyä sisältäneiltä, luvussa 7 esitellyiltä, mittausosuuksilta saatu keskimääräinen mioitava niiden jäykkyysakseleiden erilaiset skaalaukset. Yksityiskohtaisemmat jäyk- 3. kyysprofiilit kunkin koemittauskohteen koko mittausosuudelta on esitetty liitteessä Jäykkyystuloksia tarkasteltaessa on huomioitava, että kohteissa 1, 1 2 ja 9 routaseuran- jä- taa varten instrumentoidun ratapölkyn r huomattavan suuret palautuvat painumat tettiin kuvissa 8. 1 ja 8.2 esitellyissä tuloksissa huomioimatta, sillä niiden katsottiin johtuneen routaseurantalaitteiston asennuksesta. Liitteen 3 jäykkyysprofiileissa näi- denkin ratapölkkyjen tuloksett on esitetty. Kuva 8.1. Pienin, keskimääräinen ja suurin yksittäisestä ratapölkystä mitattu ra- dan jäykkyys koemittauskohteissa syksyllä Kuvassa 8.1 esiteltyjä syksyllä 2011 ratapölkyistä mitattuja keskimääräisiä radan jäykkyyksiä tarkasteltaessa havaitaan niiden vaihtelevan suunnilleen välillä kn/mm. Pienimmät jäykkyydet mitattiin turvepehmeikkökohteista 10 ja 11 liikenne- radan paikkaväliltä Vihanti Tuomioja. Suurimmat yksittäisistä ratapölkyistä mitatut jäykkyydet mitattiin syksyllä kohteista 1 ja 3, joissa kallionpinta sijaitsee hyvin lähellä rakennekerrostenn alapintaa. Kohteessa 3 kuormittavana kalustotyyppinä toimi muista kohteista poiketen Dm12. Yleisesti ottaen vaikuttaisii siltä, että suhteellisen s alhaista keskimääräistä jäykkyyttä edustavien kohteiden kohdalla myös ratapölkystä r mitatun radan jäykkyyden vaihteluvälii on pienempi.

173 171 Kuva 8.2. Pienin, keskimääräinen ja suurin yksittäisestä ratapölkystä mitattu ra- dan jäykkyys koemittauskohteissa talvella Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit Kuvassaa 8.2 esiteltyjä talvella 2012 ratapölkyistä mitattuja keskimääräisiä jäykkyyksiä tarkasteltaessa havaitaan keskimääräisten jäykkyyksien vaihtelevann suunnilleenn välil- jäyk- lä kn/mmm eli jäykkyydet ovat huomattavasti syksyllä 2011 mitattujaa kyyksiä suurempia. Laskennassaa käytetyt kalustotyypit on o ilmoitettuu kuvassa 8.2 koh- on teen nimen jälkeen.. Yleisesti vaikuttaisi siltä, että talvella jäykkyyden vaihteluväli huomattavasti sulan maan aikaaa laajempi. Tämä vaihteluvälin laajeneminen johtunee siitä, että talvimittauksille tyypillisillä pienillä painuma-arvoilla on suurempi.. Jäykkyysvaihtelu on pienintä kohteissa 2 ja 6, joissa rata sijaitsee korkealla penkereellä ja suurinta kohteissa 1 ja 3, joissa sulan maan aikana mitatut keskimääräiset t jäykkyydet olivat palautuvien painumi- en muutoksien vaikutus laskennalliseen jäykkyyteen suhteellisen korkeita. Tarkasteltaessa liitteessä 3 esitettyjä syksyn ja talven jäykkyysprofiileja rinnakkain havaitaan, että sulan maan aikainen jäykkyysvaihtelu vaikuttaa merkityksettömältä talven jäykkyysvaihtelun rinnalla. Lisäksi liitteen 3 jäykkyysprofiileista havaitaan, että raskaimpien kalustotyyppien Sr1 ja Sr2 aiheuttamien palautuvien p painumien perus- teella yhtälöllä 8.1 lasketut jäykkyydet ovat tyypillisesti kevyempien kalustotyyppien aiheuttamista palautuvista painumista laskettuja suurempia. Tämä johtunee pääosin radan kuormituskäyttäytymisenn epälineaarisesta luonteesta ja siitä,, että jäykkyyksien laskennassa käytettiin kuormitusvälinä nollakuorman jaa täyden kuormituksen erotus- ta tukeutumiskuorman ja täydenn kuormituksen erotuksen sijaan. Kuvassaa 8.3 on esitetty yhtälöllää 8.2 lasketut ratapölkystä mitattuunn taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit sekä näitä vastaavien taipumamuotojen pituudet radan pi- mitattuun taipumamuotoon perustuvia ratamoduuleja, havaitaan niiden vaihtelevan suuruudeltaan välillä N/mm/mm. Suurin ratamoduuli saatiin kohteesta 3, tuussuunnassa koemittauskohteissa 1-13 syksyllä Tarkasteltaessa ratapölkystä jossa myös keskimääräinen yksittäisestä ratapölkystä mitattu m radann jäykkyys oli suu- Dm12, kun muiden kohteiden kohdilla ratamoduulit laskettiin Sr-vetureiden aiheut- tamista taipumamuodoista. Pienimmät ratamoduulit saatiin pehmeikkökohteista 6 ja rin. Kohteessa 3 kuormittavanaa kalustona toimi muistaa kohteista poiketen kevyehkö

174 172 Tarkasteltaessa taipumamuotojen pituuksia syksyllä 2011, havaitaan niiden vaihtelu- vastaa välin olevan noin 7 10,5 m eli taipumamuotojen pituuksien ääriarvojen erotus 5-6 ratapölkkyväliä välin ollessa 0,61 m. Telien alta mitatut taipumamuodot vastasi- lu- vat siis noin ratapölkkyväliä eli telien kuormitus jakaantui huomattavasti vussa esiteltyjä yleistyksiä pidemmälle osuudelle radan pituussuunnassa. Ylei- pituus on suhteellisen suuri, mutta suuri taipumamuodon pituus ei e aina indikoi pientä sesti ottaen vaikuttaisi siltä, että alhaisen ratamoduulin kohdalla taipumamuodon ratamoduulia. Tämä käy hyvin ilmi esimerkiksi vertailemalla kohteita 1 ja 9, joissa saadun ratamoduulin suuruus on suunnilleen sama, vaikka taipumamuotojen pituus eroaaa noin 3 m. Vastaavasti vertailemalla a kohteita 3 ja 4 havaitaan, että samalla taipumamuodon pituudella voidaan saada hyvinkin erisuuruiset ratamoduulit. On kui- on jonkin verran riippuvaistaa datan laadusta eikä näin ollen olee aina absoluuttisen tarkkaa. Likimääräistä kohteiden välistää vertailua on kuitenkin mahdollistaa tehdä, tenkin huomattava, että taipumamuodonn määritys kiihtyvyysanturimittaustuloksesta koska kaikkien kohteiden taipumamuodott valittiin samoin periaattein. Kuva 8.3. Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit (va- sen pystyakseli) ja vastaavien taipumamuotojen pituus (oikea pysty- akseli) koemittauskohteissaa 1-13 syksyllä Kuvassa 8.4 on esitetty yhtälöllä 8.2 lasketut ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit sekä näitä vastaavien taipumamuotojenn pituudet radan pi- Sr- tuussuunnassa koemittauskohteissa 1-99 talvella Laskennassa käytettiin vetureiden aiheuttamia taipumamuotojaa lukuun ottamatta kohteita 3 ja 6, joissa kuormittavat kalustotyypit olivat vastaavassa järjestyksessä Dv12 ja Sm3.

175 173 Kuva 8.4. Ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat p ratamoduulit (va- sen pystyakseli) jaa vastaavien taipumamuotojen pituuss (oikea pystyak- seli) koemittausko ohteissa 1-9 talvella Talvellaa ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit vaihtelivat suunnilleen välillä N/mm/mm ollen huomattavasti syksynn vastaavia arvoja suurempia. Suurin ratamoduuli r saatiin myös talvella kohteesta 3 jaa pienin pehmeik- niiden vaihteluvälin olevan noinn 5,3 10 m eli taipumamuotojen pituuksien ääriarvo- jen erotus vastaa 7 8 ratapölkkyväliä välin ollessa 0,611 m. Taipumamuodon pituus ei kökohteesta 6. Tarkasteltaessa taipumamuotojen pituuksia talvellaa 2012, havaitaan siis lyhentynyt syksyn mittauksista saatuihin pituuksiinn verrattuna läheskään samas- sa suhteessa kuin ratamoduulitt kasvoivat. Tämä viittaa siihen, että yhtälöllä 8.2 saa- pai- tavaan ratamoduulin arvoon vaikuttaa taipumamuodon pituutta merkittävämmin numien suuruustaso. 8.4 Tulosten analysointi Kuvissa 8.5 ja 8.6 on esitetty vastaavassa järjestyksess sä syksyn 2011 ja talven 2012 mittaustuloksista saadut keskimääräiset ratapölkystä mitatut m jäykkyydet ja ratapöl- 1 9 kystä mitattuun taipumamuotoon perustuvat ratamoduulit koemittauskohteiden osalta.

176 174 Kuva 8.5. Keskimääräiset ratapölkystä mitatut jäykkyydet (vasen pystyakseli) ja ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvatt ratamoduulit (oikea pystyakseli) koemittauskohteissa 1 9 syksyllä Kuva 8.6. Keskimääräiset ratapölkystä mitatut jäykkyydet (vasen pystyakseli) ja ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvatt ratamoduulit (oikea pystyakseli) koemittauskohteissa 1 9 talvella Kuvissa 8.5 ja 8. 6 esitettyjen tulosten lukuarvopohjainen vertailu eri laskentamene- telmien välillä ei liene tarkoituksenmukaista johtuen menetelmienn erilaisista mahdol- pidempi lisuuksista huomioida esimerkiksi useampi lähekkäin oleva akselikuorma tai osuuss radan pituussuunnassa. Sen sijaann vertailemalla eri laskentamenetelmillä saa- tietoa esimerkiks ratapölkkyjen tukeutumistilasta. Suhteellisen vertailun v helpottami- seksi molempien kuvien pystyakseleiden maksimiarvojen suhde on sama. tujen tulosten suhteellisia muutoksia eri vuodenaikoina saatetaan saada hyödyllistä Yleisesti ottaen kuvista 8.5 ja 8.6 on havaittavissa, että ratamoduulien suhteellinen kasvu syksyn ja talven välillä on ratapölkystä mitattujen jäykkyyksien suhteellista kasvua suurempaa lukuun ottamatta pehmeikkökohdetta 6. Tarkasteltaessa esimerkiksi kohteiden 1 ja 3 välisiää jäykkyyksien ja ratamoduulien suhteellisia muutoksia syksyn ja talven mittausten välillä havaitaan, että syksyllä molempien kohteiden ratapölkystä mitatut jäykkyydet ovat suunnilleen samat. Talvella

177 175 tilanne on muuttunut siten, että kohteessa 1 ratapölkystä mitattu jäykkyys on kasvanut huomattavasti kohdetta 3 vähemmän. Tämä voidaan tulkita myös siten, että kohteessa 1 ratapenkereen jäätyminen on vaikuttanut huomattavasti vähemmän palautuvien painumien suuruuteen kuin kohteessa 3. Ilmiötä mahdollisesti selittävänä tekijänä voidaan nostaa esiin ratapölkkyjen heikko tukeutumistilanne, sillä se mahdollistaa kohtuullisen suurten palautuvien painumien syntymisen myös talvella ratarakenteen routaannuttua. Samankaltainen ilmiö on havaittavissa myös kohteessa 2. Myös kohteen 8 kohdalla on havaittavissa, että jäykkyyden ja ratamoduulin suhteellinen kasvu syksyn ja talven välillä on muita kohteita vähäisempää. Tämä saattaa selittyä radan routimisella raiteen keskellä viitaten kuvan 7.14 yhteydessä tehtyihin päätelmiin. Tällöin ratapölkkyjen päiden tuenta on heikentynyt ja mahdollistaa päiden kohtuullisen suuret palautuvat painumat vähäiselläkin kuormituksella. Yhtälöillä 8.1 ja 8.2 laskettujen jäykkyyksien ja ratamoduulien vertailu kirjallisuudessa esitettyihin, eri puolilla maailmaa mitattuihin arvoihin on hankalaa johtuen siitä, että tämän tutkimuksen yhteydessä palautuvat painumat mitattiin ratapölkystä kiskon taipuman sijaan ja siitä, että tyypilliset ratarakenteet ja pohjamaaolosuhteet voivat vaihdella huomattavasti eri maiden välillä. Esimerkinomaisesti voidaan kuitenkin mainita, että Selig & Li [4] pitävät kiskon taipumasta määritettyä ratamoduulia 28 N/mm/mm minimiarvona hyvin toimivalle radalle. Radan kokonaisjäykkyydeksi muutettuna tämä tarkoittaa kiskotyypillä UIC 60 arvoa 55 kn/mm [6]. Kuvasta 8.5 havaitaan, että jopa ilman välilevyn mahdollisesti huomattavaakin jäykkyysarvoja pienentävää vaikutusta mitatut jäykkyysarvot olivat useissa kohteissa yllä mainittua minimiarvoa alhaisempia tai hyvin lähellä sitä. Lopez Pita et al. [103] mainitsevat suurnopeusradan kiskosta määritetyn jäykkyyden optimiväliksi kn/mm perustuen kunnossapitokustannuksiin ja energiankulutukseen. Mikäli tämän tutkimuksen mittauksissa olisi huomioitu välilevyn kokoonpuristuma, olisivat saadut jäykkyysarvot olleet systemaattisesti selvästi pienempiä. Kuvassa 8.7 on esitetty kohteiden 1-9 osalta kaikki syksyllä 2011 mitatut ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat sekä niitä vastaavat jäykkyydet. Kustakin kohteesta mitattuja painumia ja niitä vastaavia jäykkyyksiä on kuvattu kohdekohtaisilla väreillä ja eri junat on kuvattu eri symbolein. Vastaava kuva talven mittaustuloksille ja niistä lasketuille jäykkyyksille on esitetty liitteen 4 kuvassa 1. Kuvasta 8.7 havaitaan selkeästi kolme eri pistejoukkojen muodostamaa käyrää. Lähempi tarkastelu osoittaa, että ylimmän käyrän pistejoukon muodostavat raskaimpien Sr1- ja Sr2-vetureiden aiheuttamat painumat ja vastaavasti alimman käyrän pistejoukon muodostavat kevyimpien Sm3- ja Sm4- sekä Dm12-kaluston aiheuttamat painumat. Sama ilmiö on havaittavissa liitteen 4 kuvasta 1. Kuvasta 8.7 käy myös hyvin ilmi jo kuvien 8.1 ja 8.2 yhteydessä mainittu palautuvien painumien yleisen suuruusluokan vaikutus jäykkyyteen. Vertaamalla esimerkiksi tilannetta, jossa palautuva painuma kasvaa arvosta 0,25 mm arvoon 0,50 mm ja tilannetta, jossa palautuva painuma muuttuu arvosta 2,25 mm arvoon 2,50 mm nähdään, että edellisessä tapauksessa yhtälöllä 8.1 saatava jäykkyys pienenee lähes 150 kn/mm kun taas jälkimmäisessä tapauksessa vain noin 10 kn/mm hieman kalustotyypistä riippuen.

178 176 Kuva 8.7. Kohteissa 1 9 syksyllä s mitatut eri kalustotyypp pien aiheuttamat ra- tapölkkyjen päiden palautuvat painumat ja painumia vastaavat ratapöl- kystä mitatut jäykkyydet. Kuvassa 8.7 havaittava eripainoisia kalustotyyppejä edustavien pistejoukkojen kasau- tehtiin tuminen omiksi käyrikseen selittyy sillä, että tässä tutkimuksessa mittaukset nollakuormituksen ja täyden kuormituksen välillä. Tätä ajatusmallia selkeyttää kuva 8.8, jossa on esitetty havainnekuva kuormitusvälin valinnan vaikutuksesta laskennal- ku- lisesti saatavaan jäykkyyteen. Tämän tutkimuksen tapaan toteutettuja mittauksia vaavat origosta lähtevät ehjät viivat, joista sininen viiva voisi kuvata esimerkiksi ke- Sr2- vyemmän Sm3-kaluston (Pendolino) ja punainen viiva esimerkiksi raskaamman veturin mittaustulosta. Kuvasta havaitaan ehjien viivojen kulmakerrointenn olevan huomattavan erilaiset. Mikälii painumamittaus olisi tehty kevyen tukeutumiskuorman ja täysien kuormitusten Q₁ ja Q₂ väliltä, olisi tuloksiksi saatu sinisellä ja punaisella katkoviivalla kuvatut painuma-kuormitus-viivat. Näiden katkoviivojen kulmakerroin- eroa ten ero on merkittävästi tämän tutkimuksen tuloksia kuvaavienn viivojen vastaavaa pienempi. Kuva 8.8. Havainnekuva kuormitusvälin valinnan vaikutuksesta laskennalla saata- viin jäykkyysarvoihin.

179 177 Siinä missä kuva 8.8 selitti kuormitusvälin valinnan vaikutusta v jäykkyyteen, pyrkii kuva 8. 9 havainnollistamaan ratapölkkyjen erilaatuisen tukeutumistilan vaikutusta laskennalliseen radan jäykkyyteen. Kuvastaa 8.9 havaitaan, että myös samassaa koh- teessa ja samanpainoisella kuormituksella voidaan tulokseksi saada hyvin erisuurui- Tämän tutkimuksen tapaan määritettyjä jäykkyysarvoja on kuvattu kuvassa punaisilla katkoviivoilla. Kuvassa kohteen yhtenäisiä ominaisuuksi ia ratapölkkyjen tukeutumisti- laa lukuun ottamatta on pyritty kuvaamaan käyttämällä kuormitus-taipuma-kuvaajille samaa kulmakerrointa kuormitusvälillä Q0 Qtäysi. Tämän voidaann nähdä kuvaavan tukikerroksen alapuolisen ratarakenteen yhteneväisiä ominaisuukso sia tarkasteltaessa yksittäistä kohdetta. sia jäykkyysarvoja riippuen ratapölkkyjen tukeutumise een vaadittavasta taipumasta. Kuva 8.9. Ratapölkkyjen tukeutumistilan vaikutus laskennalliseenn jäykkyyteen. Kuvassaa 8.10 on esitetty syksynn 2011 mittaustuloksista lasketut keskimääräiset yksit- täisestää ratapölkystä mitatut radan jäykkyydet ja ratapölkystä mitattuun taipuma- ku- muotoon perustuvat ratamoduulit koemittauskohteiden 1-13 osalta.. Samanlainen va talven 2012 mittaustulosten osalta on esitetty liitteenn 4 kuvassa 2. Kuvasta 8.10 on selkeästi havaittavissa kohtuullisen vahva korrelaatio jäykkyyksienn ja ratamoduulei- ei ollut yhtä selkeä, mikä johtuu todennäköisesti tukeutumistilanteen korostuneesta roolista den välillä kohteita 1 ja 3 lukuunn ottamatta. Talven mittaustulosten välillä korrelaatio talvella.

180 178 Kuva Keskimääräisen yksittäisestä ratapölkystä mitatun radan r jäykkyyden ja ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvann ratamoduulin väli- nenn korrelaatioo syksyn mittaustulosten perusteella. Kohteen 3 poikkeaminen trendiviivasta saattaa johtua siitä, ettää kohdetta edustava jäykkyys ja ratamoduuli on laskettu kevyehkön Dm12-kalustotyypin aiheuttamista painumista muiden kohteiden tulosten edustaessa raskaan Sr1 tai Sr2-kaluston ai- joi- heuttamia painumia. Kohteen 1 kohdallaa poikkeaman voidaan epäillä e johtuvan denkin ratapölkkyjen huomattavasti heikentyneestä tukeutumistilasta, mikä vaikuttaa taipumamuodon pituuteen.

181 179 9 Päätelmät 9.1 Radan pystysuuntainen kokonaisjäykkyys Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kirjallisuuslähteiden avulla selvittää millä suureilla radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä voidaan kuvata, miten kyseiset suureet määritetään, miten radan kokonaisjäykkyys muodostuu radan rakenneosien jäykkyyksien yhteisvaikutuksesta ja mitä kokonaisjäykkyys indikoi koko ratarakenteen tai sen yksittäisten osien toiminnasta ja kunnosta. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös maailmalla radan jäykkyyden mittaamiseen käytettyjä pistemäisiä mittausmenetelmiä, joista löydettiin toistakymmentä erilaista sovellusta. Näistä sovelluksista valittiin kolme menetelmää, joilla tehtiin koemittauksia Suomen rataverkon eri osissa. Radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä kuvataan yleisesti joko radan jäykkyydellä, joka määritetään kuormituksen ja sen aiheuttaman taipuman suhteena tai ratamoduulilla, joka kuvaa Winklerin alustan muodostamaa kiskon liikettä vastustavaa voimaa radan pituussuuntaista millimetriä kohden, kun kisko taipuu yhden millimetrin. Nämä määritelmät vaativat kiskon taipuman mittaamisen. Yleisesti voidaan todeta radan jäykkyyden kuvaavan jäykkyysominaisuutta yksittäisessä pisteessä ja ratamoduulin huomioivan yksittäistä pistettä laajemman alueen radan pituussuunnassa. Kirjallisuuslähteiden perusteella pohjamaalla on radan yksittäisistä rakenneosista ehdottomasti merkittävin vaikutus radan kokonaisjäykkyyteen. Erilaisista pohjamaaolosuhteista saadut koemittaustulokset puoltavat tätä näkemystä. Lisäksi sekä kirjallisuustutkimuksen että koemittausten perusteella voidaan todeta, että ratapölkkyjen tukeutumistilalla saattaa olla hyvinkin merkittävä vaikutus laskennalliseen jäykkyyteen. Muita kohtuullisen merkittäviä tekijöitä ovat joustavat elementit, kuten välilevy ja mahdollinen pohjain sekä karkearakeisten rakennekerrosmateriaalien kerrospaksuudet. Sekä hyvin suuren että hyvin alhaisen radan kokonaisjäykkyyden on todettu olevan tiettyjen radan rakenneosien kokemien rasitusten kannalta haitallisia. Hyvin jäykällä radalla radan jousto-ominaisuudet dynaamisia kuormituksia vastaan ovat riittämättömät ja hyvin joustavalla radalla taipuma kaikissa radan rakenneosissa kasvaa haitallisen suureksi. Lisäksi jäykkyyden huomattava vaihtelu radan pituussuunnassa on epäedullista, sillä se lisää muun muassa dynaamisten kuormitusten ja iskuvoimien todennäköisyyttä sekä heikentää matkustusmukavuutta. Maailmalla radan jäykkyystiedossa on nähty huomattavaa potentiaalia toimia radan kunnossapidon työkaluna ongelmallisten rataosuuksien paikallistamisessa ja kunnossapitotöiden vaikutusten todentamisessa.

182 Koemittausmenetelmät ja -tulokset Radan jäykkyyden koemittausmenetelmiksi tässä tutkimuksessa valikoituivat kiihtyvyys- ja siirtymäanturit sekä videokamerakuvaus. Koemittauksia tehtiin syksyllä 2011 kolmessatoista kohteessa eri puolilla rataverkkoa ja talvella 2012 vertailumittauksia näistä yhdeksässä kohteessa. Kiihtyvyysanturimittaus osoittautui erittäin toimivaksi mittausmenetelmäksi kaikissa olosuhteissa. Sitä vastoin aiemmin luotettavana pidetty tiiviiseen pohjamaahan saakka asennettuun referenssitankoon perustuva siirtymäanturimittaus osoittautui pehmeiköillä hieman epävarmaksi referenssitankojen liikkeiden takia. Menetelmän toimivuutta luultavasti parantaisi referenssitankojen asentaminen suojaputkeen radan rakennekerrosten osuudelta. Videokamerakuvaus havaittiin melko nopeasti liian epävarmaksi menetelmäksi junien aiheuttamien ilmavirtojen ja tärinävaikutusten takia. Tässä tutkimuksessa radan jäykkyydelle päädyttiin käyttämään termiä yksittäisestä ratapölkystä mitattu radan jäykkyys ja ratamoduulille termiä ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuva ratamoduuli johtuen siitä, että tämän tutkimuksen koemittauksissa mitattiin aikataulujen mukaan liikkuneiden junien aiheuttamia ratapölkyn päiden palautuvia painumia kiskon taipuman sijaan. Näin ollen tässä tutkimuksessa mitatut jäykkyydet ja ratamoduulit eroavat jonkin verran edellä esitellyistä määritelmistä. Tämän tutkimuksen yhteydessä tehdyillä koemittauksilla saatiin ensi kertaa tässä laajuudessa tietoa radalla liikkuvan kaluston aiheuttamista ratapölkkyjen palautuvista painumista Suomen rataverkolla. Sulan maan aikana syksyllä koemittauskohteissa mitatut ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat vaihtelivat välillä 0,3 6,6 mm ja talvella välillä 0,1 1,1 mm. Suurimmillaan painumat olivat pehmeikkökohteissa 6 ja sekä pienimmillään kallioleikkauskohteessa 3. Ratarakenteen routaantumisella havaittiin olevan erittäin merkittävä vaikutus jäykkyyteen, sillä syksyllä mitatut palautuvat painumat olivat joissain kohteissa jopa yli viisinkertaisia talvella mitattuihin verrattuna. Lisäksi, varsinkin kohteen 1 kohdalla, havaittiin, että palautuvien painumien suuruus voi vaihdella huomattavasti jopa peräkkäisten ratapölkkyjen välillä. Koemittauksilla saatujen mittaustulosten perusteella lasketut keskimääräiset yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet vaihtelivat kohteittain syksyllä välillä kn/mm ja talvella välillä kn/mm. Vastaavasti ratapölkystä mitattuun taipumamuotoon perustuvien ratamoduulien vaihteluväli oli syksyllä N/mm/mm ja talvella N/mm/mm. Laskettujen jäykkyyksien ja ratamoduulien välillä havaittiin syksyn mittauksissa kohtuullisen vahva korrelaatio. Talvella ratapölkkyjen tukeutumistilanteen vaikutuksen korostuessa korrelaatio ei ollut yhtä vahva. Ratapölkyistä mitatuista jäykkyyksistä havaittiin, että suuremman jäykkyyden omaavilla rataosuuksilla jäykkyyden vaihtelu on selvästi suurempaa kuin pienemmän jäykkyyden omaavilla rataosuuksilla. Tämä johtuu siitä, että jäykkyyden ollessa suuri, pienetkin erot palautuvissa painumissa vaikuttavat merkittävästi laskennalliseen jäykkyyteen. Tilanne korostuu etenkin silloin, kun palautuvan painuman lukuarvo lähestyy nollaa, sillä se tarkoittaa jäykkyyden lähestyvän ääretöntä. Käytettäessä radalla liikkuvaa kalustoa kuormituksena ei kuormitusta voida säädellä ja jäykkyys on määritettävä nollakuormituksen ja täyden kuormituksen väliltä sen sijaan, että huomioitaisiin esimerkiksi epätäydellisestä tukeutumistilasta johtuva radan kuormitus-

183 181 käyttäytymisen epälineaarisuus määrittämällä jäykkyys kevyen tukeutumiskuorman ja täyden kuormituksen väliltä. Tämä johti tässä tutkimuksessa siihen, että raskaampien Sr1 ja Sr2-vetureiden alta mitatut jäykkyydet olivat kevyemmän kaluston alta mitattuja suurempia. Ratamoduulien osalta havaittiin, että alhaiset ratamoduulit indikoivat suhteellisen suuresta taipumamuodon pituudesta radan pituussuunnassa. Sitä vastoin suhteellisen laaja taipumamuoto ei aina edusta alhaista ratamoduulia. Näin ollen voidaan taipuman/painuman suuruusluokkaa pitää taipumamuodon pituutta määräävämpänä tekijänä ratamoduulin muodostumisessa. Vertailtaessa tässä tutkimuksessa saatuja jäykkyyksiä ja ratamoduuleja muissa maissa mainittuihin, pääosin kiskon taipuman mittaamiseen perustuviin minimisuositusarvoihin, voidaan todeta tässä tutkimuksessa sulan maan aikaan mitattujen jäykkyysarvojen suuruusluokan olleen useissa, pääosin pehmeiköillä sijainneissa, kohteissa jopa huomattavasti kyseisiä minimiarvoja alhaisempia tai hyvin lähellä niitä. Tosin myös syksyllä joissain kohteissa ja talvella kaikissa kohteissa mitatut jäykkyysarvot olivat huomattavasti miniarvoja suurempia. Tämän tutkimuksen koemittauksissa välilevyn kokoonpuristuman vaikutusta kokonaistaipumaan ei voitu ottaa huomioon. Mikäli välilevyn vaikutus olisi huomioitu, olisivat saadut jäykkyysarvot olleet systemaattisesti ja merkittävästi nyt saatuja alhaisempia. Näin ollen voitaneen todeta, että tämän tutkimuksen koemittauskohteissa radan jäykkyysominaisuudet ovat pääosin melko alhaisia verrattuna maailmalla optimaalisena pidettyyn jäykkyystasoon. 9.3 Jatkotutkimus Kiihtyvyysanturimittaus havaittiin erittäin toimivaksi menetelmäksi yksittäisten ongelmakohteiden ja lyhyiden, enintään muutamien kymmenien peräkkäisten ratapölkkyjen mittaisten rataosuuksien tutkimiseen. Mikäli radan kokonaisjäykkyyttä halutaan mitata koko rataverkon mittakaavassa, on jatkuvan mittausmenetelmän kehittämisen tarve ilmeinen. Luvussa 5.4 esitellyn prototyypin kehittämistä jatketaan tästä eteenpäin täyden mittakaavan suuntaan. Ratkaistavia asioita täyden mittakaavan mittauslaitteen kohdalla ovat muun muassa tarvittava pyörän halkaisija, pyörien kartiokkuus, mittalaitteen akseleiden keskinäiset etäisyydet ja nivelmekanismit kaarteita varten. Tavoitteena on tehdä radan jäykkyysmittausta täydessä mittakaavassa vielä kesän 2012 aikana jollakin rajatulla alueella, kuten esimerkiksi ratapihalla. Kun tulevaisuudessa jäykkyyttä pystytään mittaamaan jopa useilla eri menetelmillä, radan jäykkyyttä tulisi pystyä myös modifioimaan haluttuun suuntaan. Tällä osaalueella potentiaalisimmalta jatkotutkimuskohteilta vaikuttavat pohjaimet ja etenkin välilevyt, sillä ne ovat kohtuullisen helposti vaihdettavissa/asennettavissa myös olemassa oleville radoille. Berggren [6] on vuonna 2009 todennut osuvasti, että vaikka radan pystysuuntaista kokonaisjäykkyyttä on tutkittu ja mitattu jo 1970-luvulta lähtien, ollaan vielä kaukana radan jäykkyyden ja sen vaikutusten täydellisestä ymmärtämisestä. Tämä ilmenee muun muassa yleiseurooppalaisen standardin puuttumisena radan jäykkyyden osalta. Jotta saataisiin lisätietoa jäykkyydestä ja sen kehittymisestä verrattuna radan kunnon kehittymiseen, olisi suositeltavaa jatkaa säännöllisiä sulan maan ajan ja talven mittauksia tämän tutkimuksen koekohteissa ja kenties laajemminkin rataverkon eri osissa.

184 182 Lisäksi mielenkiintoinen ajankohta mittauksille olisi keväällä roudan sulamisen aikaan. Vertailemalla radan geometristä kuntoa ja sen kehittymistä radan jäykkyystasoon ja sen muutoksiin olisi mahdollista arvioida optimaalista radan jäykkyyttä tai jäykkyyden vaihteluväliä Suomen rataverkolla.

185 183 Lähteet 1. Direktiivi 2008/57/EY Rautatiejärjestelmän yhteentoimivuudesta yhteisössä. Yhteentoimivuuden tekninen eritelmä. Tavanomaisen rautatiejärjestelmän infrastruktuuriosajärjestelmä. Bryssel Euroopan komissio. 68 s. 2. Mäkelä, E. (2002). Raiteen, ratapenkereen ja -rummun yhteistoiminta. Lisensiaatintutkimus. Tampere Tampereen teknillinen korkeakoulu, Pohja- ja maarakenteiden laboratorio. 162 s. + liitt. 7 s. 3. Skoglund, K. A. (2002). A Study of Some Factors in Mechanistic Railway Track Design. Eng.D Thesis. Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Faculty of Engineering and Technology. 160 p., 37 app. 4. Selig, E. T. & Li, D. (1994). Track Modulus: Its Meaning and Factors Influencing It. Transportation Research Record. No. 1470, Railroad Research Issues. pp Korkeamäki, S. (2011). Rataan kohdistuva kuormitus liikkuvan kaluston ja radan vuorovaikutuksessa. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 4/ s. 6. Berggren, E. (2009). Railway Track Stiffness, Dynamic Measurements and Evaluation for Efficient Maintenance. PhD Thesis. Stockholm Royal Institute of Technology (KTH), Aeronautical and Vehicle Engineering, Division of Rail Vehicles. 123 p. 7. Ratahallintokeskus. (2002). Ratatekniset määräykset ja ohjeet (RAMO), osa 11, radan päällysrakenne. Helsinki. 87 s. + liitt. 26 s. 8. Selig, E. T. & Waters, J. M. (1994). Track geotechnology and substructure management. London, Thomas Telford Publications. 407 p. 9. Kauppinen, M. (2011). Ratakiskon elinkaari. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 1/ s. 10. Esveld, C. (2001). Modern Railway Track. Second Edition. MRT-Productions, The Netherlands. 654 p. 11. Kaewunruen, S. & Remennikov, A. M. (2006). Laboratory measurements of dynamic properties of rail pads under incremental preload. University of Wollongong, Faculty of Engineering. 7 p. 12. Wu, T. X. & Thompson, D. J. (1999). The effects of local preload on the foundation stiffness and vertical vibration of railway track. Journal of Sound and Vibration. Vol No. 5. pp Grassie, S. L. (1989). Resilient railpads: their dynamic behaviour in the laboratory and on track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. Vol No. F1. pp

186 Teknikum Oy. Technical Specification: Rubber railway pad Zw 900 NT for Vossloh system Skl 14 / Nordic conditions. Vammala, Finland, Telefax. 8p. 15. Kaewunruen, S. & Remennikov, A. M. (2008). An Alternative Rail Pad Tester for Measuring Dynamic Properties of Rail Pads Under Large Preloads. Experimental Mechanics. Vol. 48. No. 1. pp RSSB, Rail Safety & Standards Board. (2005). Review of the effect of track stiffness on track performance. 27 p., 30 app. 17. SFS-EN Kiskoliikenne. Rata. Kiinnitysjärjestelmien vaatimukset. Osa 2: Betonisten ratapölkkyjen kiinnitysjärjestelmät = Railway applications. Track. Performance requirements for fastening systems. Part 2: Fastening systems for concrete sleepers. Helsinki 2002, Suomen Standardisoimisliitto. 10s. + liitt. 7 s. 18. Ratahallintokeskus. (2008). Esijännitetyt betoniratapölkyt: Betoniratapölkkyjen tekniset toimitusehdot. 21 s. 19. Nurmikolu, A. (2004). Murskatun kalliokiviaineksen hienoneminen ja routivuus radan rakennekerroksissa. Helsinki Ratahallintokeskuksen julkaisuja A 4/ s. 20. Lundqvist, A. & Dahlberg, T. (2005). Load impact on railway track due to unsupported sleepers. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. Vol No. 2. pp Zhang, S., Xiao, X., Wen, Z. & Jin, X. (2008). Effect of unsupported sleepers on wheel/rail normal load. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 28. pp International Union of Railways. (2009). Under Sleeper Pads Summarising Report. Wien p. 23. Witt, S. (2008). The Influence of Under Sleeper Pads on Railway Track Dynamics. Linköping University, Division of Solid Mechanics. 48 p. 24. Tiflexin www-sivujen TRACKELAST-osio. Viitattu Saatavilla: Ratahallintokeskus. (2008). Kehäradan kiintoraideselvitys. Helsinki Ratahallintokeskuksen julkaisuja A 17/ s. + liitt. 31 s. 26. Peltonen, T. & Backholm, M. (2009). Raideliikenteen runkomelun tutkimuksia, USP-radan eristävyysmittaukset. Helsinki Insinööritoimisto Akukon Oy. 7 s. + liitt. 11 s. 27. Loy, H. (2009). Under Sleeper Pads in Turnouts. European Rail Technology Review. Vol. 49. pp Kleinert, U., Krüger, M. & Ripke, B. (2006). Applications and Benefits of Elastic Elements in Ballasted Track, DB AG Experiences of Users. Paris UIC Seminar.

187 Ratahallintokeskus. (2004). Standardin SFS-EN Raidesepelikiviainekset kansallinen soveltamisohje. 7 s. 30. Nurmikolu, A. & Kolisoja, P. (2010). Sepelinpuhdistuksen vaikutukset raidesepelin ominaisuuksiin. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 11/ s. + liitt. 3 s. 31. Peltonen, T. & Backholm, M. (2010). Kehärata, avorataosuuden rakentamissuunnittelu, runkomelun tarkennettu selvitys. Insinööritoimisto Akukon Oy. Helsinki s. + liitt. 16 s. 32. Getzner Werkstoffen www-sivujen Railway-osio. Viitattu Saatavilla: Tiflexin www-sivujen TRACKELAST-osio. Viitattu Saatavilla: Ratahallintokeskus. (2008). Ratatekniset ohjeet (RATO), osa 3, radan rakenne. Helsinki s. + liitt. 35 s. 35. Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset (InfraRYL), Välikerrokset ratarakenteissa 2009/1. (2009). Verkkopäivitys. Viitattu: Saatavilla: Kalliainen, A., Luomala, H., Jäniskangas, T., Nurmikolu, A. & Kolisoja, P. (2011). Radan eristys- ja välikerrosten tiiviys- ja kantavuustutkimus. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 10/ s. 37. Kolisoja, P. (1993). Sitomattomien kerrosten kiviainesten muodonmuutosominaisuudet. Helsinki Tielaitoksen selvityksiä 38/ s. 38. Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset (InfraRYL), Eristyskerrokset ratarakenteissa 2009/1. (2009). Verkkopäivitys. Viitattu: Saatavilla: Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset (InfraRYL 2010). (2010). Osa 1, Väylät ja alueet. Rakennustietosäätiö RTS. 524 s. + liitt. 30 s. 40. Tiehallinto. (2004). Tietoa tiensuunnitteluun nro 73, ennakkotietoa uudesta tierakenteen mitoitusohjeesta. 16 s. + liitt. 4 s. 41. Nurmikolu, A. & Kolisoja, P. (2001). XPS-routalevyeristeet ratarakenteessa, 250 kn:n ja 300 kn:n akselipainot. Helsinki Ratahallintokeskuksen julkaisuja A 2/ s. + liitt. 17 s. 42. Ratahallintokeskus. (2002). XPS-routalevyjen tekniset toimitusehdot. 279/731/02. 3 s. 43. Finnfoam Oy:n www-sivut, lujuusominaisuudet, Viitattu: Saatavilla:

188 BASF webpage, Styrodur C, suositellut käyttökohteet ja tekniset tiedot, Viitattu: Saatavilla: _kaeyttoekohteet_ja_tekniset_tiedot.pdf 45. Nurmikolu, A. & Kolisoja, P. (2001). Tutkimusraportti: EPS-routalevyt ratarakenteessa Kuntotilan arviointi Limingassa km Tampereen teknillinen korkeakoulu, Rakennetekniikan laitos, Pohja- ja maarakenteiden laboratorio. 16 s. Julkaisematon. 46. Nurmikolu, A. & Kolisoja, P. (2003). Tutkimusraportti: EPS-routalevyt ratarakenteessa; Kuntotilan arviointi rataosalta Orivesi Jämsänkoski km ja otetuista näytteistä. Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennetekniikan laitos, Pohja- ja maarakenteiden laboratorio. 14 s. Julkaisematon. 47. Heikkilä, J. (2011). Radan perustaminen. Rautatiesuunnittelun erikoisopintojakson (RASU) 3. seminaari s. Julkaisematon. 48. Sussmann, T. R., Ebersöhn, W. & Selig, E. T. (2001). Fundamental nonlinear track load-deflection behavior for condition evaluation. Transportation Research Record Paper No pp Chaar, N. & Berg, M. (2005). Vehicle-Track Dynamic Simulations of a Locomotive Considering Wheelset Structural Flexibility and Comparison with Measurements. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. Vol pp Rail Corporation New South Wales (RailCorp). (2009). Engineering Manual - Track. Rail Defect Handbook: Some Rail Defects, their Characteristics, Causes and Control. 82 p. 51. Rantala, T. Betoniratapölkyn vaurioitumismekanismit. Diplomityö. Tampere Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennustekniikan koulutusohjelma. 88 s. + liitt. 36 s. 52. Raymond, G. P. (1985). Analysis of track support and subgrade stability. Lecture notes. 22 p. 53. Riessberger, K. (1998). Track Part of the system railway. Lecture material, Nordic railway seminar p. Julkaisematon. 54. Nurmikolu, A. (2007). Betoniratapölkkyjen toistokuormitustestaus erilaisilla tukikerroksilla. Tampere Tampereen teknillinen yliopisto, Maa- ja pohjarakenteiden laitos. 47 s. + liitt. 12 s. Julkaisematon. 55. Burrow, M., Teixeira, P. F., Dahlberg, T. & Berggren, E. (2009). Track Stiffness Considerations for High Speed Railway Lines. In: Scott, N. P. (ed.). Railway Transportation: Policies, Technology and Perspectives Nova Science Publishers. pp Schmid, F. (ed.). Best Practice in Wheel-Rail Interface Management for Mixed Traffic Railways. First Edition. Birmingham University of Birmingham Press, A & N Harris. 500 p.

189 Thompson, D. & Jones, C. (2006). Noise and Vibration from Railway Vehicles. In: Iwnicki, S. (ed.). Handbook of Railway Vehicle Dynamics. London Chemical Rubber Company (CRC) Press, pp Grönblom, A. (2005). Ratarakenteen mallintaminen BOEF-teorian mukaan. Ratatekniikkaseminaari s. Julkaisematon. 59. Zarembski, A. M. & Choros, J. (1980). On the Measurement and Calculation of Vertical Track Modulus. Proceedings of American Railway Engineering Association (AREA). Bulletin 675. Vol. 81. pp Read, D., Chrismer, S., Ebersöhn, W. & Selig, E. (1994). Track Modulus Measurements at the Pueblo Soft Subgrade Site. Washington D.C. Transportation Research Record pp Cai, Z., Raymond, G. P. & Bathurst, R. J. (1994). Estimate of Static Track Modulus Using Elastic Foundation Models. Washington D.C. Transportation Research Record pp INNOTRACK project. (2006). Methods of track stiffness measurements. Viitattu: Saatavilla: Luomala, H. (2010). Ratapenkereiden monitorointi. Helsinki Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä 22/ s. + liitt. 10 s. 64. Brough, M., Stirling, A., Ghataora, G. & Madelin, K. (2003). Evaluation of railway trackbed and formation: a case study. NDT & E International. Vol. 36. No. 3. pp Burrow, M. P. N., Chan, A. H. C. & Shein, A. (2007). Deflectometer-based analysis of ballasted railway tracks. Proceedings of the ICE - Geotechnical Engineering. Vol No. 3. pp RSSB, Rail Safety & Standards Board. The effect of track stiffness on track performance. Project brief (T372). 4 p. 67. Kim, D., Kim, S. & Lee, J. (2006). Easy Detection and Dynamic Behavior of the Unsupported Sleepers in High Speed Ballasted Track. 7 th World Congress on Railway Research, Montreal, Canada, 4-8 June p. 68. Zarembski, A. M., McConnell, D. P. & Lovelace, W. S. (1980). New Car for Measurement and Evaluation of Gage-Widening Resistance of Track. Proceedings of American Railway Engineering Association (AREA). Bulletin 678. Vol. 81. pp Li, D., Thompson, R., Marquez, P. & Kalay, S. (2002). Development and Implementation of a Continuous Vertical Track Support Testing Technique. TRB 2003 Annual Meeting. 20 p.

190 Fröhling, R., D. (1997). Deterioration of railway track due to dynamic vehicle loading and spatially varying track stiffness. Eng.D Thesis. University of Pretoria, Faculty of Engineering. 149 p. 71. Mäkynen, A. (2000). Position-sensitive devices and sensor systems for optical tracking and displacement sensing applications. Eng.D Thesis. Oulu University of Oulu, Department of Electrical Engineering. 125 p. 72. Pinto, N. M. P., Ribeiro, C. A., Mendes, J. & Calçada, R. (2009). An optical system for monitoring the vertical displacements of the track in high speed railways. 3 rd International Conference on Integrity, Reliability and Failure, Portugal, July p. 73. Hamamatsu webpage, Position Sensitive Detectors, Catalog 2/2010. Viitattu: Saatavilla: Hendry, M. T. (2007). Train-induced dynamic response of railway track and embankments on soft peaty foundations. Eng.D Thesis. Department of Civil Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada. 101 p. 13 app. 75. Silva, F. C. M., Paiva, C. E. L. & Aguiar, P. R. (2007). Evaluation of track / Ballast behavior under increased axle load: Measuring deflections on track. International Heavy Haul Conference (IHHA), Proceedings of Specialist Technical Session, Kiruna, Sweden, June pp Valasti, P. (2002). Moderni seisminen mittaussysteemi. Helsingin yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos. 82 s. + liitt. 13 s. 77. Bowness, D., Lock, A. C., Powrie, W., Priest, J. A. & Richards, D. J. (2007). Monitoring the dynamic displacements of railway track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. Vol No. 1. pp Priest, J. A. & Powrie, W. (2009). Determination of Dynamic Track Modulus from Measurement of Track Velocity during Train Passage. Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering. Vol No. 11. pp Luomala, H. (2008). Tutkimus raiteen toiminnasta siltojen päätypenkereellä. Tampereen teknillinen yliopisto, Maa- ja pohjarakenteet. 18 s. Julkaisematon. 80. Luomala, H. (2009). Siltapäätymittaukset välillä Pännäinen-Kokkola ja Tuomioja-Liminka. Tampereen teknillinen yliopisto, Maa- ja pohjarakenteiden yksikkö. 28 s. Julkaisematon. 81. Sustained Performance of Railway Tracks (SUPERTRACK). (2005). Final report by CEDEX, Instrumentation, monitoring and physical modeling of high-speed line. 34 p. 82. Halttunen, J. Anturit. (2001). Tampereen teknillinen korkeakoulu. Luento moniste. 171 s.

191 Macro Sensors. (2003). LVDT Basics. Technical Bulletin p. 84. Anderson, J. S. & Rose, J. G. (2008). In-Situ Test Measurement Techniques Within Railway Track Structures. Proceedings of ASME/AIEE/ASCE Joint Rail Conference, Wilmington, Delaware, USA, April p. 85. Gräbe, H. (2009). Track deflection measurement using particle image velocimetry. Civil Engineering: Magazine of the South African Institution of Civil Engineering. Vol. 17. No. 4. pp White, D. J., Take, W. A. & Bolton, M. D. (2003). Soil deformation measurement using particle image velocimetry (PIV) and photogrammetry. Géotechnique. Vol. 53. No. 7. pp VR Track Oy:n internetsivut. Radantarkastus. Viitattu: Saatavilla: Plasser & Theurer. Esitemateriaali. Track recording cars. Efficient monitoring of the track geometry quality for cost-efficient maintenance strategies. 89. SFS-EN A1. Kiskoliikenne. Rata. Ratageometrian laatu. Osa 1: Ratageometrian kuvaus = Railway applications. Track. Track geometry quality. Part 1: Characterisation of track geometry. Helsinki 2008, Suomen Standardisoimisliitto. 25 s. + liitt. 1 s. 90. Berggren, E. (2005). Dynamic Track Stiffness Measurement A New Tool for Condition Monitoring of Track Substructure, Licentiate Thesis, Report TRITA AVE 2005:14, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm p. 91. Hosseingholian, M., Froumentin, M. & Robinet, A. (2011). Dynamic Track Modulus from Measurement of Track Acceleration by Portancemetre. Proceedings of 9th World Congress on Railway Research (WCRR), Lille, France, May p. 92. Li, D., Thompson, R. & Kalay, S. (2002). Development of Continuous Lateral and Vertical Track Stiffness Measurement Techniques. Proceedings from Railway Engineering, London Wangqing, W., Geming, Z., Kaiming, L. & Lin, L. (1997). Development of inspection car for measuring railway track elasticity. Proceedings from 6th International Heavy Haul Conference, Cape Town Norman, C., Farritor, S., Arnold, R., Elias, S.E.G., Fateh, M. & Sibaie, M. E. (2004). Design of a System to Measure Track Modulus from a Moving Railcar. Proceedings from Railway Engineering, London p. 95. Berggren, E. (2005). The Role of Vertical Track Stiffness Measurements in Condition Based Maintenance of Railway Tracks A Pilot Study. 45 p. 96. SBB:n internetsivut. Viitattu: Saatavilla:

192 Sussmann, T. R. (2007). Track Geometry and Deflection from Unsprung Mass Acceleration Data. Proceedings from Railway Engineering Conference, London Rasmussen, S., Krarup, J. A. & Hildebrand, G. (2002). Non-contact Deflection Measurement at High Speed. 6th International Conference on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields, 24-26th June, 2002 Lisbon, Portugal. 8 p. 99. Greenwood Engineering (GE) internetsivut. Traffic Speed Deflectometer. Viitattu: Saatavilla: Liikenneviraston www-sivut. Rataverkon keskeiset ominaisuudet Suomen rataverkko. Viitattu: Saatavilla: o_keskeiset_ominaisuudet/suomen%20rataverkko.pdf 101. Liikennevirasto. (2010). Verkkoselostus Helsinki Liikenneviraston väylätietoja 3/ s. + liitt. 101 s Samppala, P. Rautateille asennettujen pyörävoimailmaisimien mittausdata ja pyörävoiman raja-arvot. Diplomityö. Tampere Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennustekniikan koulutusohjelma. 100 s. + liitt. 35 s Lopez Pita, A., Teixeira, P. F. & Robuste, F. (2004). High speed and track deterioration: The role of vertical stiffness of the track. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit Vol 218. pp

193 LIITE 1 /1 (4)

194 LIITE 1 / 2 (4)

195 LIITE 1 /3 (4)

196 LIITE 1 / 4 (4)

197 LIITE 2 / 1 (1)

198

199 LIITE 3 / 1 (6) Kuva 1. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 1 Mäntsälä Sipilä syksyllä Kuva 2. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 1 Mäntsälä Sipilä syksyllä 2011 ja talvella Kuva 3. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 2 Kesälahti Puhos syksyllä 2011 ja talvella 2012.

200 LIITE 3 / 2 (6) Kuva 4. Kuva 5. Kuva 6. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 3 Varkaus Heinä- vesi syksyllä 2011 ja talvella Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 4 Airaksela Kur- kimäki syksyllä Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 3 Airaksela Kur- kimäki syksyllä 2011 ja j talvella 2012.

201 LIITE 3 / 3 (6) Kuva 7. Kuva 8. Kuva 9. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 5 Kangas Oulai- nen syksyllä Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 5 Kangas Oulai- nen syksyllä 2011 ja talvella Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 6 Liminka Kempe- le syksyllä 2011.

202 LIITE 3 / 4 (6) Kuva 10. Kuva 11. Kuva 12. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 6 Liminka Kempe- le syksyllä 2011 ja talvella Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 7 Kivesjärvi Pal- tamo syksyllä Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 7 Kivesjärvi Pal- tamo syksyllä 2011 ja talvella 2012.

203 LIITE 3 / 5 (6) Kuva 13. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 8 Viialaa Mattila syksyllä Kuva 14. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 8 Viialaa Mattila syksyllä 2011 ja talvella Kuva 15. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatut radan jäykkyydet kohteessa 9 Suoniemi Karkku syksyllä 2011.

204 LIITE 3 / 6 (6) Kuva 16. Kuva 17. Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteessa 9 Suoniemi Kark- ku syksyllä 2011 ja talvella Yksittäisistä ratapölkyistä mitatutt radan jäykkyydet kohteissa Vihanti Tuomioja ja Hirvineva Liminka syksyllä Kunkin kuvaajan selitteessä annettu kohdekohtainen ratakilometri sijaitseee kuvassa ratametrillä 0.

205 LIITE 4 / 1 (1) Kuva 1. Kuva 2. Kohteissa 1-9 talvellaa 2012 mitatut eri kalustotyyppien aiheuttamat ratapölkkyjen päiden palautuvat painumat ja painumia vastaavat yksittäisestä ratapölkystä mi- tatut radan jäykkyydet. Keskimääräisen yksittäisistä ratapölkyistä mitatun radan jäykkyyden ja j ratapöl- talven 2012 mittaustulosten perusteella. kystä mitattuun taipumamuotoon perustuvan ratamoduulin välinen korrelaatio

206

207

208 issn-l issn isbn