1 RATO 3 Sisältö SISÄLTÖ 3 RADAN RAKENNE... 5 3.1 MÄÄRITELMIÄ... 5 3.2 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUN OHJEISTUS... 9 3.2.1 Yleiset suunnitteluperusteet... 9 3.2.2 Määräysten ja ohjeiden pätemisjärjestys... 9 3.3 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUN VAIHEET... 11 3.4 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN VERTAILUPERUSTEET... 13 3.5 MITOITUSMENETELMÄT JA SEURANTAMITTAUKSET... 15 3.6 POHJASUHTEIDEN JA MAAKERROSTEN GEOTEKNISTEN OMINAISUUKSIEN SELVITTÄMINEN... 17 3.7 RAKENNUSMATERIAALIEN OMINAISUUDET GEOTEKNISESSÄ SUUNNITTELUSSA... 19 3.8 ULKOISET KUORMAT... 21 3.8.1 Junakuorma... 21 3.8.1.1 Pystysuora junakuorma... 21 3.8.1.2 Pystysuorien kuormien jakaantuminen... 24 3.8.1.3 Vaakakuormat... 27 3.8.2 Muut radan alus- ja pohjarakenteisiin kohdistuvat kuormat... 27 3.8.3 Työkonekuormat... 28 3.8.4 Maanpaino... 28 3.8.5 Maanpaine... 28 3.8.6 Vedenpaine ja huokosveden ylipaine... 29 3.8.7 Tärinä... 30 3.8.8 Kuormien yhdistäminen ja osavarmuusluvut... 30 3.9 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUKRITEERIT... 33 3.9.1 Alus- ja pohjarakenteiden käyttöikä... 33 3.9.2 Alusrakenneluokat... 33 3.9.3 Pengerleveyden mitoitus... 33 3.9.4 Routamitoitus... 35 3.9.4.1 Uudet radat ja rataoikaisut... 35 3.9.4.2 Parannettavat radat... 35 3.9.4.3 Sillat, paalulaatat... 36 3.9.5 Radan vakavuus... 37 3.9.5.1 Yleistä... 37 3.9.5.2 Varmuuskertoimet... 37 3.9.6 Paaluhattujen ja -laattojen mitoitus... 39 3.9.7 Radan painumat... 40 3.9.7.1 Pysyvä painuma... 40 3.9.7.2 Palautuva painuma... 40
2 RATO 3 Sisältö 3.10 RADAN YMPÄRISTÖGEOTEKNISET SUUNNITTELUPERUSTEET... 43 3.10.1 Junaliikenteen aiheuttama tärinä... 43 3.10.2 Rakentamisesta aiheutuvat vaikutukset... 43 3.11 RADAN NORMAALIPOIKKILEIKKAUKSET... 45 3.12 KÄVELYKULKUTIET... 47 3.12.1 Yleistä... 47 3.12.2 Kävelykulkutien poikkileikkaus ja materiaalit... 47 VIITTEET... 49
3 RATO 3 Liiteluettelo LIITELUETTELO Liite 1 Liite 2 Liite 3 Routamitoituskäyrästöt ja routamitoitusesimerkki Radan normaalipoikkileikkaukset Olemassa olevan radan luokitteluun sovellettava nauhakuorma pren 15528 rataluokitukseen perustuen
4 RATO 3
5 RATO 3.1 Määritelmiä 3 RADAN RAKENNE Ratatekniset ohjeet (RATO) osassa 3 Radan rakenne esitetään radan alus- ja pohjarakenteiden rakenneosat ja niiden suunnittelu- ja mitoitusperusteet. Tässä RATOn osassa on huomioitu tiedossa olevat Rautatieviraston määräykset ja rautatiejärjestelmien yhteentoimivuutta koskevat olennaiset vaatimukset. Ratahallintokeskus (RHK) seuraa alan eurooppalaista standardisointia ja muuttaa ohjeet eurooppalaisten standardien mukaisiksi niiden valmistuttua. Jos yleiset ohjeet ja laatuvaatimukset sisältävät ristiriitaisia tietoja, ajallisesti myöhemmin julkaistu tieto on pätevä. 3.1 MÄÄRITELMIÄ Alusrakenne koostuu välikerroksesta, eristyskerroksesta sekä mahdollisesta suodatinkerroksesta ja routalevystä. Eristyskerros estää tai vähentää sen alla olevien maakerrosten routimista ja muodostaa välikerrokselle tasaisen ja kantavan alustan sekä siirtää ja jakaa kuormat pohjamaalle. Eristyskerroksen tehtävänä on myös pysäyttää kapillaarinen veden nousu kerroksen alaosaan ja toimia suodatinkerroksena. Eristyskerroksessa käytettävät materiaalit on esitetty julkaisussa InfraRYL 2006 /3/. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL, osa 5) /11/. Yleisiä vaatimuksia voidaan täsmentää hankekohtaisilla vaatimuksilla. Jatkuvakiskoraide (Jk raide) on raide, jossa kiskon pituus l on yli 300 metriä. Jätkänpolku on välikerroksen yläpinta tukikerroksen ja välikerroksen ulkoreunan välillä. Korkeusviiva (Kv) on määritelty RATOn osassa 2 Radan geometria. Leikkauspohja on leikatun pohjamaan yläpinta. Lyhytkiskoraide (Lk raide) on raide, jossa kiskon pituus l on 25 metriä tai alle sen. Maarakenne on tiivistetty maa- tai maarakennekerros, vaihdettu ja tiivistetty maarakennekerros (massanvaihto) tai vahvistettu maa- tai maarakennekerros (pohjanvahvistus). Palle on raiteen tukikerroksen reunaan tehty korotus, jonka tarkoituksena on lisätä tukikerroksen kykyä ottaa vastaan raiteesta siihen kohdistuvat voimat.
6 RATO 3.1 Määritelmiä Pengerleveys on radan alusrakenteen, normaalisti välikerroksen, yläpinnan leveys. Pengerpohja on pengertäytteen alla olevan pohjamaan pinta. Pengertäyte on pengerpohjan ja eristyskerroksen väliin rakennettu ratapenkereen osa. Pengertäytteessä käytettävät materiaalit on esitetty julkaisussa InfraRYL 2006 /3/. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL, osa 5) /11/. Yleisiä vaatimuksia voidaan täsmentää hankekohtaisilla vaatimuksilla. Pohjamaa (perusmaa) on ratapenkereen alla oleva maa. Pohjanvahvistus on toimenpide, jolla maakerroksen teknisiä ominaisuuksia on parannettu joko maakerrosta tiivistämällä tai lisäämällä maakerrokseen sen huokostilavuutta pienentävää tai maan kanssa kemiallisesti reagoivaa lisäainetta. Pohjarakenne on joko pysyvä, kuten rakenteen perustus, maanvastainen seinätai lattiarakenne, kuivanapitorakenne, routa- tai muu suojausrakenne, tai työnaikainen kuten kaivannon tuenta-, pohjaveden alennus- tai työnaikainen suojausrakenne. Pohjarakennussuunnitelma sisältää työselityksen ja laatuvaatimukset sekä niihin liittyvät pohjatutkimus- ja pohjarakennuspiirustukset sekä suunnitelmaselostuksen, jonka liitteenä ovat geotekniset ja rakenteelliset mitoituslaskelmat. Pohjarakennussuunnittelu on maan ja kallion käyttäytymisen mitoitettua yhteensovittamista pohjarakenteiden kanssa siten, että myös yläpuoliset rakenteet toimivat suunnitellulla tavalla ja rakenne ei vaurioidu tai tule käyttökelvottomaksi esimerkiksi roudan, kosteuden tai haitallisten aineiden vaikutuksesta. Pohjarakentaminen käsittää rakenteiden perustusten ja maanpinnan alapuolisten tilojen tarkoituksenmukaiseksi ja turvalliseksi rakentamiseksi tarvittavat kaivu-, tuenta-, kuivanapito-, tiivistys-, lujitus- ja muut rakennustyöt sekä pysyvien pohjarakenteiden rakennustyöt. Päällysrakenne on radan rakenneosa, johon kuuluu tukikerros ja raide. Raide koostuu ratapölkyistä, ratakiskoista, ratakiskojen kiinnitys- ja jatkososista sekä vaihteista ym. raiteen erikoisrakenteista. Raideväli on vierekkäisten raiteiden keskilinjojen välinen lyhin etäisyys. Rakennekerrokset ovat tuki-, väli-, eristys- ja suodatinkerros. Ratapenger koostuu radan rakennekerroksista ja mahdollisesta pengertäytteestä.
7 RATO 3.1 Määritelmiä Routalevy lisää rakenteen lämmöneristävyyttä ja estää tai vähentää radan rakenteen alla olevien maakerrosten routimista. Routalevyjen yleiset vaatimukset on esitetty InfraRYL 2006:ssa /3/. Tarkemmat vaatimukset on esitetty routalevyjen osalta Ratahallintokeskuksen julkaisemissa XPS-routalevyjen teknisissä toimitusehdoissa /25/. Sepeliraide on raide, jossa tukikerroksen materiaalina on raidesepeli. Soraraide on raide, jossa tukikerroksen materiaalina on raidesora. Suodatinkerros estää eristyskerroksen ja pohjamaan sekoittumisen. Suodatinkerroksessa käytettävät materiaalit on esitetty julkaisussa InfraRYL 2006 /3/. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL, osa 5) /11/. Yleisiä vaatimuksia voidaan täsmentää hankekohtaisilla vaatimuksilla. Suunnitteluperusteet on Ratahallintokeskuksen kuhunkin suunnitteluvaiheeseen laatima hankekohtainen asiakirja työssä noudatettavista teknisistä ratkaisuista ja toimintatavoista. Tukikerros pitää raiteen geometrisesti oikeassa asemassa ja asennossa, jakaa kuormia alusrakenteelle ja muodostaa raiteelle tasaisen ja kantavan alustan. Tukikerroksen materiaalina käytetään raidesepeliä tai raidesoraa. Tukikerroksen materiaalien laatuvaatimukset on esitetty julkaisuissa SFS-EN 13450 Raidesepelikiviainekset, SFS-EN 13450 Raidesepelikiviainekset, kansallinen soveltamisohje /13/, SFS-EN 13450 Raidesepelikiviainekset, CE-merkintä /14/ ja Päällysrakennetöiden yleiset laatuvaatimukset (PYL) /5/. Välikerros muodostaa tukikerrokselle tasaisen ja kantavan alustan ja estää tukikerroksen sekoittumisen alla oleviin rakennekerroksiin. Välikerroksen materiaalivaatimukset on esitetty julkaisussa InfraRYL 2006 /3/. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL, osa 5) /11/. Yleisiä vaatimuksia voidaan täsmentää hankekohtaisilla vaatimuksilla. Radan rakenteeseen liittyviä nimityksiä on esitetty kuvissa 3.1:1 ja 3.1:2.
8 RATO 3.1 Määritelmiä Kuva 3.1:1 Radan rakenneosiin liittyviä nimityksiä (huom. korkeusviivaan liittyvä nuoli). Kuva 3.1:2 a) Radan dimensioihin liittyviä nimityksiä ja b) niiden tulkinta, kun rata sijaitsee kaarteessa.
RATO 3.2 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelun ohjeistus 3.2 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUN OHJEISTUS 3.2.1 Yleiset suunnitteluperusteet Lukuun ottamatta junakuormia radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelussa käytetään Suomen rakentamismääräyskokoelman (RakMk) osassa B1 Rakenteiden varmuus ja kuormitukset /16/ sekä soveltuvin osin julkaisuissa Rakenteiden kuormitusohjeet, RIL 144-2002 /9/ ja Pohjarakennusohjeet, RIL 121-2004 /4/ esitettyjä kuormia, kuormien yhdistelyperiaatteita ja varmuuskertoimia. Kantavien rakenteiden yleiset suunnitteluperusteet ja mitoitusmenetelmiä koskevat perusteet on esitetty RakMk:n osassa B2 Kantavat rakenteet /17/. Pohjarakenteiden, jotka liittyvät luvanvaraisiin tai viranomaishyväksyntää muutoin edellyttäviin rakennustöihin, yleiset suunnitteluperusteet on esitetty RakMk:n osassa B3 Pohjarakenteet /18/. Siinä annetut määräykset ja ohjeet edustavat myös radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelussa ja rakentamisessa suositeltavaa toimintatapaa siltä osin kuin nämä määräykset ja ohjeet eivät ole ristiriidassa Rautatieviraston julkaisemien määräysten ja Ratahallintokeskuksen julkaisemien ohjeiden tai yleisten työselitysten ja laatuvaatimusten kanssa. Kaikki rataan liittyvät alus- ja pohjarakenteet ovat joko hyvin vaativia esimerkiksi pehmeikölle perustettavat ratapenkereet ja ratakaivannot tai vaativia pohjarakennuskohteita. Tästä johtuen niiden suunnittelu edellyttää aina geoteknistä erityisosaamista. 3.2.2 Määräysten ja ohjeiden pätemisjärjestys Tämän ohjeen rakenne on mahdollisuuksien mukaan pyritty tekemään yhdenmukaiseksi Tiehallinnon julkaisun Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/ kanssa. Mainittua julkaisua voidaankin soveltaa myös radan alusja pohjarakenteiden suunnittelussa siltä osin kuin asiaa ei ole hankkeen suunnitteluperusteissa tai Rautatieviraston antamissa määräyksissä ja Ratahallintokeskuksen ohjeissa erikseen käsitelty. Edellä sanottuun viitaten radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelussa sovellettavien määräysten ja ohjeiden pätemisjärjestys on seuraava: 1. Rautatieviraston määräykset 2. Ratahallintokeskuksen antamat hankkeen suunnitteluperusteet 3. Ratahallintokeskuksen ohjeet, erityisesti Ratatekniset ohjeet, RATO 4. Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/ 5. Infrarakentamisen yleiset laatuvaatimukset InfraRYL 2006 /3/. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL) /11/. 6. Tiehallinnon julkaisu Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/ 7. Suomen Rakentamismääräyskokoelma 9
10 RATO 3.2 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelun ohjeistus 8. Pohjarakennusohjeet, RIL 121-2004 /4/ ja muut alan yleiset ohjeet, joita ovat julkaisseet esimerkiksi Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y. ja Suomen Geoteknillinen Yhdistys SGY r.y.
RATO 3.3 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelun vaiheet 3.3 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUN VAIHEET Radan suunnittelun vaiheet ja eri suunnitteluvaiheisiin liittyvät osatehtävät radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelun osalta on esitetty Ratahallintokeskuksen julkaisussa Radan suunnitteluohje /7/. 11
12 RATO 3
RATO 3.4 Radan alus- ja pohjarakenteiden vertailuperusteet 3.4 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN VERTAILUPERUSTEET Asetetut laatuvaatimukset täyttävien radan alus- ja pohjarakenteiden vertailu tapahtuu samoja yleisperiaatteita noudattaen kuin mitä tierakenteiden osalta on esitetty Tiehallinnon julkaisussa Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/. 13
14 RATO 3
15 RATO 3.5 Mitoitusmenetelmät ja seurantamittaukset 3.5 MITOITUSMENETELMÄT JA SEURANTAMITTAUKSET Maanvaraisesti perustettavan radan geotekninen mitoitus samoin kuin mahdollisten vahvistus- ja pohjarakenteiden geotekninen ja rakenteellinen mitoitus on tehtävä siten, että itse pohjarakenteiden samoin kuin niiden varassa olevien rakenteiden painumat ja siirtymät ovat radan turvallisen liikennöinnin kannalta riittävän pienet ja että maapohjan ja rakenteiden varmuus sortumista, murtumista, eroosiota ja halkeilua vastaan on riittävän suuri. Sekä radan maanvaraisen perustamisen että mahdollisten vahvistus- ja pohjarakenteiden mitoitus tehdään ensisijaisesti laskennallisia menetelmiä käyttäen. Niin kutsuttujen klassisten laskentamenetelmien yhteydessä laskennallisessa mitoituksessa käytetään sekä rajatilamenetelmää että kokonaisvarmuusmenetelmää. Pohjarakenteen rakenteellisen kestävyyden mittauksessa voidaan käyttää osavarmuusmenetelmää, kokonaisvarmuusmenetelmää ja sallittujen jännitysten menetelmää. Kokonaisvarmuusmenetelmän käyttö on hyvä herkkyystarkastelussa, koska parametrien vaihtelun vaikutus on helposti havainnollistettavissa. Se on myös välttämätön tarkasteltaessa monimutkaisen mitoituksen lopputulosta. Olemassa olevan ratapenkereen mitoitus on esitetty Ratahallintokeskuksen julkaisussa Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/. Sen mukaisesti laskenta voidaan tehdä sekä φ = 0 että c φ -menettelyllä. Jälkimmäisessä tapauksessa tulee huomioida myös huokospaine. Geoteknisen mitoituslaskelman periaatteita on esitetty myös julkaisussa Geotekniset laskelmat /2/. Seurantamittauksilla tarkoitetaan ratapenkereen pitkäaikaisen käyttäytymisen seurantaa. Seurantamittauksia tehdään julkaisun Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/ kuvan 8 esittämissä tapauksissa, kun penkereen stabiliteetti ei täytä vaadittua varmuustasoa.
16 RATO 3
RATO 3.6 Pohjasuhteiden ja maakerrosten geoteknisten ominaisuuksien selvittäminen 3.6 POHJASUHTEIDEN JA MAAKERROSTEN GEOTEKNISTEN OMINAISUUKSIEN SELVITTÄMINEN Pohjatutkimusten on oltava määrällisesti ja laadullisesti riittävät radan maanvaraisen perustamisen sekä vahvistus- ja pohjarakenteiden laskennallisessa mitoituksessa tarvittavien geoteknisten mitoitusarvojen luotettavaan määrittämiseen. Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelua ja rakentamista palvelevien pohjatutkimusten ohjelmoinnissa ja pohjatutkimuksissa käytettävien tutkimusmenetelmien valinnassa voidaan soveltuvin osin käyttää seuraavissa julkaisuissa annettuja ohjeita: Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/ Tien perustamistavan valinta, TIEH 2100019 /22/ Siltojen pohjatutkimukset, TIEL 3200537 /15/ Tieleikkausten pohjatutkimukset, TIEL 3200354 /21/ Teiden pehmeikkötutkimukset, TIEL 3200520 /19/ Aluesuunnittelun pohjatutkimusohjeet, ALPO-86 /1/ Laskennallisessa mitoituksessa tarvittavien maakerrosten geoteknisten ominaisuuksien määritysmenetelmiä on vastaavasti käsitelty mm. Ratahallintokeskuksen julkaisussa Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/ ja Tiehallinnon julkaisussa Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/. 17
18 RATO 3
RATO 3.7 Rakennusmateriaalien ominaisuudet geoteknisessä suunnittelussa 3.7 RAKENNUSMATERIAALIEN OMINAISUUDET GEOTEKNISESSÄ SUUNNITTELUSSA Radan alus- ja pohjarakenteiden rakentamisessa käytettävien rakennusmateriaalien ominaisuuksien määrittäminen tapahtuu InfraRYL 2006:n /3/ mukaisesti. Niiltä osin, joilta vaatimuksia ei ole esitetty InfraRYL:issä, noudatetaan Rautatien maarakennustöiden yleistä työselitystä ja laatuvaatimuksia (RMYTL) /11/ sekä soveltuvin osin Tiehallinnon julkaisua Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/. Yleisiä laatuvaatimuksia voidaan aina täsmentää hankekohtaisilla laatuvaatimuksilla. 19
20 RATO 3
21 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat 3.8 ULKOISET KUORMAT 3.8.1 Junakuorma 3.8.1.1 Pystysuora junakuorma Alla esitetyt junakuormat ovat mitoituksessa käytettäviä junakuormia. Todellista RATO 1:n mukaista 80 kn/m maksimikuormaa suuremmat laskennassa käytettävät nauhakuorman arvot perustuvat telien alla vaikuttaviin kuormituksen paikallisiin maksimiarvoihin. Radan maanvaraisen perustamisen sekä alus- ja pohjarakenteiden mitoituksessa käytettävä pystysuoran junakuorman ominaisarvo saadaan kertomalla kuormakaavion LM71 perusteella määräytyvät, paikallaan olevan junan aiheuttamaa staattista kuormaa vastaavat nauha- ja akselikuormat asianomaisella sysäyskertoimella φ v. Junakuorman laskenta-arvo saadaan junakuorman ominaisarvosta kertomalla se junakuorman osavarmuusluvulla. Siltojen kuormat lasketaan Rautatiesiltojen suunnitteluohjeet, RSO /12/ mukaan. LM71 kuormakaavio muodostuu nauhakuormasta q vk ja neljästä akselikuormasta Q vk, jotka sijaitsevat 1,6 m etäisyydellä toisistaan. Kuormakaavio LM71 on esitetty kuvassa 3.8:1 ja sitä vastaavat akselipainoluokat taulukossa 3.8:1. Kuva 3.8:1 Eurokoodin mukainen kuormakaavio LM71. Kun radan korkeusviivan ja tarkastelutason välinen etäisyys on suurempi kuin 0,80 m, voidaan kuormakaaviota käsitellä kuvan 3.8:2 ja taulukon 3.8:1 mukaisesti kahtena tasaisena kuormana q vk ja q vk. Kuva 3.8:2 Kuormakaavion LM71 käsittely kahtena tasaisena kuormana.
22 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Uusien ratojen suunnittelussa käytetään taulukon 3.8:1 mukaista 350 kn kaluston sallittua akselipainoa, ellei hankkeen suunnitteluperusteissa muuta esitetä. Radan parantamisen yhteydessä käytetään kaluston sallittua akselipainoa 350 kn rakenteille, joiden suunniteltu käyttöikä on 100 vuotta, ellei hankkeen suunnitteluperusteissa muuta esitetä. Muilta osin radan parantamisen yhteydessä noudatetaan hankkeen suunnitteluperusteissa määriteltyä kaluston sallittua akselipainoa. Olemassa olevien ratojen suunnittelussa käytetään rataosalle sallittua kaluston akselipainoa. Suunnitelmissa on esitettävä käytetyn mitoitusakselipainon tunnus. Taulukko 3.8:1 Kaluston sallittua akselipainoa vastaavan mitoituskuormakaavion tunnukset sekä vastaavat staattiset nauhakuormien ja akselikuormien arvot. Kaluston sallittu akselipaino [kn] Mitoituskuormakaavion tunnus q vk [kn/m] Mitoituskuormakaavion nauhakuorma, q vk [kn/m] Mitoituskuormakaavion akselikuormat, Q vk [kn] 170 LM71-17 60 58 188 225 LM71-22,5 80 76 250 250 LM71-25 88 84 275 300 LM71-30 106 102 333 350 LM71-35 120 111 370 Vakavuuslaskennassa käytetään nauhakuormaa q vk ilman korotusta q vk. Uusien ratojen suunnittelussa sysäyskertoimelle käytetään arvoa φ v = 1,25. Olemassa olevien ratojen suunnittelussa sysäyskertoimelle φ v käytetään liikennöintinopeudesta ja radan kunnossapitotasosta riippuvaa arvoa. Sysäyskerroin lasketaan kaavojen 3.8:1 ja 3.8:2 sekä taulukon 3.8:2 mukaan. V 60 = 1 + n 1 + 0,5 Ki ϕ V, kun V > 60 km/h (3.8:1) ϕ V = 1 + n, kun V < 60 km/h (3.8:2) missä n on rataosan kunnossapitotasosta taulukon 3.8:2 mukaisesta riippuva kerroin V on kyseessä olevan junatyypin liikennöintinopeus rataosalla K i = 80 tavarajunilla ja K i = 190 matkustajajunilla
23 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Taulukko 3.8:2. Rataosan kuntoluokka, kunnossapitotaso ja n-kerroin. Rataosan kuntoluokka Kunnossapitotaso Kerroin n Korkea kunnossapitotaso 1A, 1AA 0,15 Normaali kunnossapitotaso 1 4 0,20 Alhainen kunnossapitotaso 5 6 0,25 Pohjarakennustyömaan kohdalla kertoimelle n käytetään aina arvoa n = 0,25. Maanvaraisen penkereen stabiliteetin osalta mitoittava tilanne on pysähtynyt juna. Sysäyskertoimen arvo on 1,0. Edellä esitetyllä kvasistaattisella menetelmällä, jossa käytetään seisovan junan kuormaa kerrottuna sysäyskertoimella, ei pystytä ennustamaan nopeiden junien aikaansaamaa pengervärähtelyriskiä. Mikäli värähtelyriski on mahdollinen, värähtely arvioidaan dynaamisella analyysillä. Dynaaminen analyysi saattaa olla tarpeen seuraavissa tapauksissa, jos henkilöjunien nopeus tarkasteltavalla raiteella voi olla suurempi kuin 160 km/h. 1. Penkereen ja tiiviin tai lujan penkereen alapuolisen maakerroksen yhteenlaskettu paksuus raiteen kohdalla on alle 2,5 m sekä näiden alla on pehmeä, vähintään 1 m paksu turve- taikka liejukerros. 2. Penkereen ja tiiviin tai lujan penkereen alapuolisen maakerroksen yhteenlaskettu paksuus raiteen kohdalla on alle 2,5 m sekä näiden alla on savikerros, joka on a) paksuudeltaan vähintään 2 m ja jonka suljettu leikkauslujuus on keskimäärin alle 20 kn/m 2, taikka b) paksuudeltaan on yli 4 m ja suljetulta leikkauslujuudeltaan keskimäärin alle 30 kn/m 2. Jos värähtelyriski on edellisen taulukon perusteella mahdollinen, tarkempi arviointi voidaan tehdä määrittämällä raiteen alapuolisen maakerroksen leikkausaallon etenemisnopeus. Leikkausaallon etenemisnopeus voidaan määrittää häiriintymättömillä maanäytteillä tehtävillä kokeilla laboratoriossa (Resonant Column taikka Bender-Element -koe) ao. penkereen alapuolisessa maan jännitystilassa taikka suoraan maastossa tehtävillä leikkausaallon etenemisnopeuden mittauksilla kuten nk. Cross-hole-mittauksilla. Savissa, joiden vesipitoisuus on välillä 30 120 p-%, leikkausaallon nopeus, v s [m/s], on likimäärin arvioitavissa vesipitoisuuden, w [%], avulla kaavalla 3.8:3. v s = 135 0,75 w (3.8:3) Leikkausaallon nopeuden tulee olla vähintään 1,4-kertainen verrattuna henkilöjunan suurimpaan nopeuteen raiteella. Paalulaattojen kuormien ominaisarvot lasketaan tämän ohjeen mukaan. Rakenteen suunnittelu tehdään Rautatiesiltojen suunnitteluohjeet, RSO /12/ mukaan. Rautatiesiltojen ja siltamaisten erikoisrakenteiden kuormat ja osavarmuusluvut on esitetty julkaisussa Rautatiesiltojen suunnitteluohjeet, RSO /12/.
24 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Olemassa olevat radat voidaan luokitella standardin pren 15528 (Railway applications Line categories for managing the interface between load limits of vehicles and infrastructure) perusteella. Edellä mainittu luokittelu voidaan tehdä hankekohtaisesti. Stabiliteettilaskennassa käytettävä nauhakuorma annetaan tällöin suunnitteluperusteissa. Nauhakuormat on annettu liitteessä 3. 3.8.1.2 Pystysuorien kuormien jakaantuminen Pystysuoran junakuorman jakaantuminen ratapölkkyjen kautta ratapenkereeseen voidaan otaksua kuvan 3.8:3 mukaiseksi. Jakautumakuvio ei koske siltoja. Kuva 3.8:3 Pystysuoran junakuorman jakaantuminen ratapölkyistä ratapenkereeseen. Ratapölkyn pituussuunnassa kuormitus kohdistuu molempiin päihin, runsaalle ratapölkyn kolmasosalle. Paalulaattojen mitoituksessa ratapenkereen painosta aiheutuvan pystysuoran kuorman voidaan olettaa jakaantuvan kuvan 3.8:4 mukaisesti.
25 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Junakuorman osalta paalulaattojen mitoituksessa valitaan määrääväksi muodostuva kuormitustapaus seuraavista vaihtoehdoista: Nauhakuormaksi q muutettu junakuorma vaikuttaa jatkuvana. Kuorman voidaan tällöin olettaa jakautuvan ratapenkereen poikkileikkauksessa kuvan 3.8:5 mukaisesti. Nauhakuormien q ja q summa vaikuttaa kuvan 3.8:2 mukaisesti 6,4 m matkalla. Kuorman voidaan tällöin olettaa jakautuvan sekä radan pituussuunnassa että poikkileikkauksen suunnassa kuvassa 3.8:5 esitetyn periaatteen mukaisesti.
26 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Kuva 3.8:4 Penkereen painosta aiheutuvan pystysuoran kuorman jakautuminen. Kuvan 3.8:4 mukaisella reunajännityksen korotuksella otetaan huomioon enintään 1,0 m laatan yläpuolelle ulottuva huoltotie sekä tavanomaiset, 10 kpa suuruista tasaista pintakuormaa vastaavat, työkonekuormat huoltotiellä ja penkereellä. Mahdolliset sivulta tehtävät ajorampit penkereen päälle on kuitenkin suunniteltava erikseen. Laatan reunalla vaikuttava viivakuorma g R on myös arvioitava tapauskohtaisesti erikseen.
27 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Kuva 3.8:5 Pystysuoran junakuorman jakautuminen ratapenkereen poikkileikkauksessa. 3.8.1.3 Vaakakuormat Junasta aiheutuvan keskipakovoiman vaikutus on otettava huomioon pohjavahvistusten ja -rakenteiden suunnittelussa. Paalulaattojen ja maanpainerakenteiden mitoituksessa on huomioitava keskipakovoimasta ja vaakasuuntaisesta sysäyksestä aiheutuvat voimat. 3.8.2 Muut radan alus- ja pohjarakenteisiin kohdistuvat kuormat Junakuorman lisäksi radan alus- ja pohjarakenteiden mitoituksessa tulee ottaa huomioon myös muut tapauskohtaisesti määräytyvät rakenteita kuormittavat tekijät, kuten ratapenkereen sisäisestä maanpaineesta paaluperustuksille ja paalulaatoille aiheutuvat vaakakuormat sekä paaluihin kohdistuvan negatiivisen vaippahankauksen vaikutus. Eräs esimerkki paaluperustuksen mitoituksessa huomioon otettavista muista kuormista liittyy tilanteeseen, jossa lisäraide perustetaan paaluilla olemassa olevan maanvaraisesti perustetun raiteen viereen. Tällöin viereisestä raiteesta aiheutuva paaluja taivuttava vaakakuorma on otettava paalujen rakenteellisessa mitoituksessa huomioon taulukon 3.9:5 mukaisesti. Koska tavanomaiset paalutyypit kestävät taivutusrasitusta varsin huonosti, pitäisi mainitunlaisen kuormitustilanteen syntymistä pyrkiä mahdollisuuksien mukaan välttämään. Jos
28 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat paaluihin kohdistuvia vaakakuormituksia ei kuitenkaan kokonaan voida välttää, ne on pyrittävä ainakin minimoimaan esimerkiksi paalulaatan korkeustasoa nostamalla. 3.8.3 Työkonekuormat Rakentamisen aikaisissa tilanteissa työkonekuorman ominaisarvoksi on otaksuttava vähintään 10 kpa suuruista tasaista pintakuormaa vastaava kuorma. Laaja-alaisena vaikuttavien työkonekuormien suuruus on kuitenkin arvioitava tapauskohtaisesti erikseen. Raskaiden työkoneiden osalta esimerkiksi raskaat autonosturit, kaivinpaalukoneet, dumpperit ja raskaat paalutuskoneet työkonekuorman suuruus on myös arvioitava tapauskohtaisesti erikseen. Suuntaviivoja tähän on annettu esimerkiksi Tiehallinnon julkaisussa Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/. Suunnitelmasta tulee ilmetä mitoituksessa käytetty työkonekuorma. 3.8.4 Maanpaino Maanpaino lasketaan soveltaen Tiehallinnon julkaisun Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/ kappaletta 7.2.5. 3.8.5 Maanpaine Ratapenkereessä olevan tukiseinän kuormituksiin sovelletaan julkaisuja Pohjarakennusohjeet, RIL 121-2004 /4/, Rakennuskaivanto ohje, RIL 181-1989 /8/, Rautatiesiltojen suunnitteluohjeet, RSO /12/ ja Työnaikaisten ratakaivantojen tukeminen, RHK A10/2001 /23/. Pysyville tukiseinille käytetään junakuormana LM71-35, ellei hankkeen suunnitteluperusteissa muuta esitetä. Mikäli pysyvä tukiseinä liittyy siltaan, mitoitetaan seinä samalle junakuormalle kuin silta. Työnaikaisille tukiseinille junakuormana käytetään rataosalle sallittua kaluston akselipainoa. Tukiseinän rakenteellisessa mitoituksessa käytetään liikkuvan junan aiheuttamaa kuormaa, joka saadaan kertomalla sysäyskertoimella φ v paikallaan olevan junan aiheuttama staattinen kuorma. Tukiseinän stabiliteetin geoteknisessä mitoituksessa käytetään paikallaan olevan junan aiheuttamaa staattista kuormaa. Mitoitus tehdään sekä rakenteellisessa että geoteknisessä mitoituksessa seuraaville junakuormille: 1. Radan suunnassa 6,4 m pituinen tasainen kuorma q vk ja q vk (kuva 3.8:6 a). Pysyvien tukiseinien mitoituksessa huomioidaan kuorman q vk jatkuvuus radan suunnassa. Työnaikaisten seinien mitoituksessa huomioidaan vain 6,4 m pituinen osuus kuormasta. 2. Radan suunnassa jatkuva tasainen kuorma q vk (kuva 3.8:6 b).
29 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat 3. Mikäli ankkurin ja tukiseinän liitoskohdan sekä ratapölkyn välinen lyhin etäisyys on alle 1,0 m, mitoitetaan ankkuri ja sen liitokset 35 % korotetulle ankkurivoimalle. a. b. Kuva 3.8:6 Mitoitusjunakuormat edellä listatuissa tilanteissa 1 (a) ja 2 (b). Junakuorman jakaantuminen penkereessä ja pohjamaassa huomioidaan sekä radan pituus- että poikkisuuntaan. Pysyvät tukiseinät mitoitetaan koheesiomaakerroksissa lepopaineen mukaan. Työnaikaiset tukiseinät mitoitetaan mobilisoituvan lyhytaikaisen maanpaineen mukaan. 3.8.6 Vedenpaine ja huokosveden ylipaine Ratapenkereen läpi ei saa tapahtua jatkuvaa suotovirtausta eli ratapenger ei saa missään olosuhteissa toimia maapatona. Mitoittava vedenpinta arvioidaan julkaisun Pohjarakennusohjeet, RIL 121-2004 /4/ kohdan 6.4 mukaisesti pohjavesihavaintojen perusteella vertaamalla havaintoja vastaavissa olosuhteissa tehtyihin pitkäaikaishavaintoihin sekä ottamalla huomioon pohjaveden vuotuiset korkeusvaihtelut ja sadanta havaintojakson aikana. Mitoittavan vedenpinnan voivat määrätä myös rakenteen mitat, pohjavesialtaan pohjan tai reunan korkeus tai muut ympäristötekijät. Tukirakenteisiin kohdistuvan vedenpaineen vaikutus otetaan huomioon julkaisujen Rakenteiden kuormitusohjeet, RIL 144-2002 /9/ kohdan 4.3, Pohjarakennusohjeet, RIL 121-2004 /4/ kohdan 5.9.3.2 ja Rakennuskaivantoohje, RIL 181-1989 /8/ kohdan 7.2 mukaisesti. Pohjarakennustöiden aiheuttaman huokosveden ylipaineen vaikutus arvioidaan soveltaen Ratahallintokeskuksen ohjetta Radan stabiliteetin laskenta, olemassa olevat penkereet /6/. Jos huokosveden ylipaineesta aiheutuu vaaraa radan stabiliteetille, huokosvedenpaineen kehittymistä on aina seurattava tarkkailumittausjärjestelmän avulla. Hälytysrajana radan stabiliteettia turvaaviin toimenpiteisiin valmistautumiselle on tällöin se, kun huokosveden ylipaine on saavuttanut puolet etukäteen arvioidusta arvostaan. Raja-arvona töiden välittömälle keskeyttämiselle ja radan
30 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat stabiliteettia turvaavien toimenpiteiden käynnistämiselle on vastaavasti suunnittelun perustana käytetyn huokosveden ylipaineen arvon saavuttaminen. 3.8.7 Tärinä Pohjarakennustöistä aiheutuva tärinäkuormitus otetaan huomioon soveltaen Tiehallinnon julkaisun Teiden pohjarakenteiden suunnitteluperusteet /20/ kappaletta 7.2.9. Junaliikenteen dynaamisuuden aikaansaaman huokosvedenpaineen nousun vaikutusta radan stabiliteettiin on käsitelty mm. viitteessä /6/. Radalla tapahtuvasta liikenteestä ulkopuoliseen ympäristöön aiheutuvaa tärinää on käsitelty kohdassa 3.10. 3.8.8 Kuormien yhdistäminen ja osavarmuusluvut Kuormien yhdistämisessä sovelletaan julkaisua Rakenteiden kuormitusohjeet, RIL 144 2002 /9/. Moniraiteisella rataosalla raidekohtainen pystysuoran junakuorman ominaisarvo rataan liittyvissä murtorajatilatarkasteluissa saadaan kertomalla junakuorman ominaisarvo taulukon 3.8:3 mukaisella kertoimella k. Taulukko 3.8:3 Moniraiteisen rataosan pystysuoran junakuorman laskennassa käytettävän kertoimen k raidekohtaiset arvot. Ensimmäinen Toinen Kolmas ja sitä raide raide seuraavat raiteet Ratalinjalla 1,0 tai 0 0,8 tai 0 0,5 tai 0 Liikennepaikoilla 1,0 tai 0 0,8 tai 0 0,8 tai 0 Radan maanvaraiseen perustamiseen sekä muiden vahvistus- ja pohjarakenteiden kuin paalulaattojen mitoitukseen liittyvissä murtorajatilatarkasteluissa junakuorman osavarmuusluvulle käytetään arvoa γ q =1,3. Maan tilavuuspainon osavarmuusluku stabiliteettitarkasteluissa, tuentojen mitoituksessa sekä muissa näitä vastaavissa tilanteissa on γ = 1,0. Tilanteissa, joissa maa toimii pelkästään rakenteen kuormituksena, maan tilavuuspainon osavarmuusluku on vastaavasti joko γ = 1,2 tai γ = 0,9 riippuen siitä, kumpi on määräävä. Työkonekuormien osavarmuusluku on γ = 1,3. Mitoittava pohjavedenpinta määritetään julkaisun Pohjarakennusohjeet, RIL 121 2004 /4/ kohdassa 3.2.4 esitetyn periaatteen mukaisesti. Määrityksessä käytetään osavarmuuslukua γ = 1,6, ellei tätä alhaisemman arvon käyttö perustu luotettaviin ja pitkäaikaisiin pohjavesihavaintoihin.
31 RATO 3.8 Ulkoiset kuormat Pohjarakennustöiden aiheuttamalle huokosveden ylipaineelle käytetään osavarmuuslukua γ = 1,6. Vastapenkereen rakentamisessa ei käytetä osavarmuuslukua, vaan siitä johtuva huokosvedenpaineen nousu on yhtä suuri kuin vastapenkereen aiheuttama jännityslisäys.
32 RATO 3
RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit 3.9 RADAN ALUS- JA POHJARAKENTEIDEN SUUNNITTELUKRITEERIT 3.9.1 Alus- ja pohjarakenteiden käyttöikä Uuden radan alusrakenteen samoin kuin mahdollisten pohjanvahvistus- ja pohjarakenteiden käyttöikävaatimus on 100 vuotta. Routalevyjen käyttöikävaatimus on 40 vuotta. 3.9.2 Alusrakenneluokat Alusrakenteen mitoituksen kannalta radat jaetaan viiteen alusrakenneluokkaan taulukon 3.9:1 mukaisesti. Alusrakenneluokan määrää tällöin joko henkilöliikenne tai tavaraliikenne riippuen siitä, kumman vaatimustaso on korkeampi. Jatkuvakiskoraiteisen radan alusrakenteen on oltava aina vähintään alusrakenneluokan 1 mukainen. Taulukko 3.9:1 Alusrakenneluokat. Alusrakenneluokka Henkilöliikenteen suurin sallittu nopeus, V [km/h] Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 225 kn akselipainolla, V [km/h] 0 < 50 < 40 < 40 1 < 120 < 100 < 60 2 < 200 < 100 < 80 3 < 250 < 120 < 100 4 > 250 > 120 > 100 33 Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 250 kn akselipainolla, V [km/h] 3.9.3 Pengerleveyden mitoitus Radan pengerleveydellä tarkoitetaan leveyttä, johon alusrakenteen ylin kerros rakennetaan. Näin pengerleveys on normaalisti välikerroksen yläpinnan leveys. Radan pengerleveyden valinta riippuu seuraavista tekijöistä: raiteiden lukumäärä alusrakenneluokka radan geometria tukikerroksen leveys raideväli mitoitusnopeus akselipaino sillan läheisyys Taulukossa 3.9:2 on esitetty minimivaatimukset, joita noudatetaan pengerleveyttä valittaessa.
34 RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Raiteiden lukumäärä 1) Taulukko 3.9:2 Pengerleveyden minimimitat raiteiden lukumäärän, radan alusrakenneluokan, raidevälin, akselipainon ja mitoitusnopeuden perusteella. Suoralla Pengerleveys [m] Kaarteessa Raideväli [m] Radan alusrakenneluokka Henkilöliikenteen suurin sallittu nopeus V [km/h] Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 225 kn akselipainolla [km/h] Tavaraliikenteen suurin sallittu nopeus 250 kn akselipainolla [km/h] 1 0 5,4 6) 5,4 6) < 50 < 40 < 40 1 1 5,4 6) 5,4 6) < 120 < 80 < 50 1 1 6,0 6) 6,0 6) < 140 < 100 < 60 1 2 6,0 6) 6,8 2) 6) < 200 < 100 < 80 1 3 6,8 6) 7,2 3) 6) < 250 < 120 < 100 2 1 9,5 9,5 4,1 < 120 < 80 < 50 2 2 10,3 11,1 4) 4,3 < 200 < 100 < 80 2 3 11,3 11,7 5) 4,5 < 250 < 120 < 100 2 4 12,5 12,5 4,7 > 250 > 120 > 100 1) Kolme- ja useampiraiteisen radan poikkileikkaukset muodostetaan yksi- ja kaksiraiteisen radan normaalipoikkileikkauksista. 2) Pengerleveyttä 6,8 m käytetään ainoastaan kaarteissa, joiden R < 5000 m, jolloin pengerlevitys tehdään kokonaisuudessaan ulkokaarteen puolelle. Pengerleveys 6,0 m on kaarteessakin riittävä silloin, kun radan rakenne rajoittuu kiinteään esteeseen (laiturit, kallioleikkaukset, sillat ja tunnelit). 3) Pengerleveyttä 6,8 m käytetään suoralla radalla ja 7,2 m pengerleveyttä kaarteissa, joiden R < 5000 m, jolloin 0,4 m epäsymmetrinen pengerlevitys tehdään ulkokaarteen puolelle. 4) Pengerleveyttä 11,1 m käytetään ainoastaan kaarteissa, jolloin pengerlevitys tehdään kokonaisuudessaan ulkokaarteen puolelle. Pengerleveys 10,3 m on kaarteessakin riittävä silloin, kun radan rakenne rajoittuu kiinteään esteeseen (laiturit, kallioleikkaukset, sillat ja tunnelit). 5) Pengerleveyttä 11,3 m käytetään suoralla radalla ja 11,7 m pengerleveyttä kaarteissa, jolloin 0,4 m epäsymmetrinen pengerlevitys tehdään ulkokaarteen puolelle. 6) Siltojen päiden penkereen levennys on suunniteltava ratkaisuna, jossa pengerleveys ulottuu 4 metrin etäisyydelle reunimmaisen raiteen keskilinjasta 10 m matkalla alkaen sillan siipimuurin päästä ja se muuttuu radan poikkileikkauksen mukaiseksi seuraavan 5 m matkalla.
RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit 35 3.9.4 Routamitoitus 3.9.4.1 Uudet radat ja rataoikaisut Routaeristämättömillä radoilla routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuuden on oltava liitteen 1 kuvan 1 mukainen, kun radan alusrakenneluokka on 2, 3 tai 4. Alusrakenneluokan 1 radoilla routimattomien rakennekerrosten kokonaispaksuus saa kuitenkin olla 0,2 m ja alusrakenneluokan 0 radoilla 0,6 m liitteen 1 kuvan 1 mukaisia arvoja pienempi. Routaeristettyjen ratojen routamitoitus tehdään liitteen 1 mitoituskäyrästöjen avulla mitoituspakkasmäärän sekä vuotuisen ilman keskilämpötilan perusteella. Liitteen 1 kuvan 1 laadinnassa routamitoitus on tehty käyttäen kerran 50 vuodessa toistuvaa pakkasmäärää (F 50 ). Käyrästöissä tarvittava mitoituspakkasmäärän toistumisjakso valitaan taulukosta 3.9:3 radan alusrakenneluokan perusteella. Routalevyjen käyttö uusien ratojen ja rataoikaisujen routasuojauksessa edellyttää aina Ratahallintokeskuksen lupaa. Taulukko 3.9:3 Routaeristetyn radan routamitoituksessa käytettävän mitoituspakkasmäärän toistumisjakson valinta radan alusrakenneluokan perusteella. Radan alusrakenneluokka Mitoituspakkasmäärän toistumisjakso [vuotta] Ratalinja Vaihdealue 0 5 20 1 20 50 2 50 50 3 50 50 4 50 50 Jos radan väli- ja eristyskerroksen materiaalina käytetään murskattua kiviainesta, on liitteen 1 kuvien mukaisia routimattoman radan rakennepaksuuksia kasvatettava 15 %. Tämä on huomioitu liitteen 2 normaalipoikkileikkausten yhteydessä esitetyissä kokonaisrakennekerrospaksuuksissa (K). Pohjamaa luokitellaan joko routivaksi tai routimattomaksi. Routivuuden arviointi tehdään julkaisun Ratojen routasuojaustarpeen selvittäminen, tutkimusohje /10/ mukaisesti. Routimattomalla pohjamaalla olevia ratoja ei routasuojata. 3.9.4.2 Parannettavat radat Parannettavan radan rakenne luokitellaan taulukon 3.9:4 mukaisesti joko routimattomaksi, harvoin routivaksi tai routivaksi sen mukaan, paljonko radan routimattomien rakennekerrosten paksuus poikkeaa liitteen 1 kuvan 1 mukaisesta routimattoman radan rakennepaksuudesta.
36 RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Routimattomilla rakenteilla ei oleteta esiintyvän routanoususta aiheutuvia haittoja taulukon 3.9:3 mukaisia toistumisjaksoja vastaavilla mitoituspakkasmäärillä. Harvoin routivilla rakenteilla routimisesta aiheutuvia haittoja vastaavilla mitoituspakkasmäärillä todennäköisesti esiintyy joinakin vuosina ja routivilla rakenteilla toistuvasti. Taulukko 3.9:4 Parannettavan radan rakenteen luokittelu routivuuden mukaan silloin, kun pohjamaa on routiva. Rakenteen routivuus Liitteen 1 kuvan 1 mukaisen routimattoman radan rakennepaksuuden ja parannettavan radan rakennepaksuuden erotus [m] Routiva > 0,2 Harvoin routiva 0,2 Routimaton Rakennepaksuus liitteen 1 kuvan 1 mukainen Routasuojauksen parantaminen toteutetaan ensisijaisesti siten, että routivat materiaalit vaihdetaan routimattomiin tai toissijaisesti rakenne routasuojataan routalevyjä käyttäen. Routalevyjä käytettäessä ratarakenteen routamitoitus tehdään liitteen 1 mitoituskäyrästöjen avulla. Mitoituskäyrästöissä on otettu huomioon raidesepelirakeiden painautuminen routalevyyn olettamalla levyn tuhoutuvan painautumisen johdosta 10 mm paksuudelta. Routalevyjen mitoituslämmönjohtavuutena on käytetty arvoa λ=0,050 W/Km. Lähtöolettamuksista ja laskentamenetelmäeroista johtuen pohjoisessa Suomessa ohuimmalla (40 mm) eristelevyllä radan kerrospaksuuksissa ei saavuteta etuja eristämättömään rakenteeseen verrattuna. Uusien ratojen tapaan myös parannettavilla radoilla on liitteen 1 kuvien mukaisia routimattomia radan rakennepaksuuksia kasvatettava 15 %, jos radan väli- ja eristyskerroksen materiaalina on käytetty murskattua kiviainesta. Routaeristetyssä rakenteessa routalevyn alapuolella olevan routimattoman alusrakennekerroksen vähimmäispaksuus on 300 mm käytettäessä luonnonmateriaaleja ja 450 mm käytettäessä murskattua kiviainesta. Lisäksi etäisyys routalevyn alapinnasta ylimpään pohjavedenpintaan tulee olla suurempi kuin routalevyn alla olevan materiaalin kapillaarinen nousukorkeus. Liitteessä 1 on routamitoituskäyrästöjen sekä pakkasmäärä- ja keskilämpötilakarttojen ohella esitetty esimerkki routamitoituksesta. Vanhan routalevyn poisto tai paikalleen jättäminen määritetään suunnitteluperusteissa. 3.9.4.3 Sillat, paalulaatat Routalevyjä voidaan käyttää siltojen, paalulaattojen, maanpaineseinien ja vastaavien rakenteiden routasuojauksessa, jos routalevyt ovat myöhemmin vaihdettavissa kyseistä rakennetta purkamatta.
RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Routalevyjen käyttö edellyttää aina Ratahallintokeskuksen lupaa. 3.9.5 Radan vakavuus 3.9.5.1 Yleistä Radan rakenteet ja pohjarakenteet suunnitellaan ja rakennetaan siten, että rakenteen siirtymät pysyvät turvallisen liikennöinnin edellyttämissä rajoissa. Varmuuden rakenteen ja maan paikallista ja alueellista murtumista vastaan on oltava riittävä. Olemassa olevan radan vakavuus on varmistettava kappaleessa 3.9.5.2 asetettujen vaatimusten mukaiseksi, jos joko liikennöintinopeus tai akselipaino kasvaa. Samoin on meneteltävä, jos radan vakavuus muutoin huononee esimerkiksi radan läheisyyteen tehtävästä ojasta tai maaleikkauksesta tai radan läheisyydessä tehtävistä maakerrosten häiriintymistä aiheuttavista pohjarakennustöistä johtuen. Välittömiin korjaustoimenpiteisiin tai liikennerajoituksiin olemassa olevilla radoilla on ryhdyttävä aina, jos radassa todetaan isoja vaurioita tai kiihtyvää rappeutumista. Mikäli pysyvä tukiseinä liittyy siltaan, koskevat sitä samat rakenteelliset vaatimukset kuin siltaa. 3.9.5.2 Varmuuskertoimet Mitoitustarkastelussa käytettävien maaparametrien on vastattava maapohjan kuormitustilanteessa tapahtuvien muutosten perusteella määrääväksi muodostuvaa tilannetta. Kun maapohjaan kohdistuvat kuormitukset kasvavat, määräävin kuormitustilanne on pääsääntöisesti heti kuormituksen lisäyksen jälkeen vallitseva tilanne. Tällainen kuormitustilanne syntyy esimerkiksi tasaiselle maalle rakennettavan penkereen alla. Maapohjaan kohdistuvan kuormituksen vähentyessä määrääväksi taas muodostuu tavallisesti pitkän ajan kuluessa vallitseva tilanne. Tyypillinen esimerkki tällaisesta kuormitustilanteesta on pysyvä leikkausluiska. Maamateriaalien kitkalle ja koheesiolle eri mitoitustilanteissa käytettävät osavarmuusluvut on esitetty taulukossa 3.9:5. Taulukossa esitetyt osavarmuusluvut eivät kata esimerkiksi lyönti- tai porapaalutuksen tai muiden pohjarakennustöiden aiheuttamaa maan mahdollista häiriintymistä, vaan se on otettava huomioon maaparametrien ominaisarvoja määritettäessä. Kohtaa Siirtymille herkät rakenteet käytetään, jos ratapenkereen läheisyydessä on esim. paalutettuja rakenteita, stabilointia, tai muita siirtymille herkkiä rakenteita. 37
38 RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Taulukko 3.9:5 Ratapenkereiden stabiliteetin laskennassa käytettävät varmuusluvut. Mitoitustilanne Tavanomaiset vanhat ratapenkereet 1) 2) 3) 4) 5) Siirtymille herkät rakenteet q vk = 0 kn/m tanφ osavarmuusluku γ tanϕ koheesion c osavarmuusluku γ c suljetun leikkauslujuuden s u osavarmuusluku γ su kokonaisvarmuusluku F kok 1,35 1,5 1,4 1,5 1,5 1,8 1,6 1,8 2) 3) 4) 5) Uusi ratapenger 2) 3) 4) 5) 1,5 1,8 1,6 1,8 1. Vanhaksi ratapenkereeksi katsotaan penger, jonka konsolidaatioaste on vähintään 50 %. Tämä edellyttää yleensä vähintään 10 vuoden ikää. 2. Tavanomaista pilarisyvästabilointia tai määräsyvyyteen ulottuvaa massastabilointia käytettäessä maapohjan kapasiteetin on oltava vähintään kokonaisvarmuuslukua F kok = 1,4 ja osavarmuusmenetelmällä kitkan osavarmuuslukua γ φ = 1,20 ja koheesion osavarmuuslukua γ c = 1,40 vastaava laskien ilman syvästabilointia. Massa- tai lamellistabiloinnin ulottuessa kovaan pohjaan asti tätä vaatimusta ei kuitenkaan ole. Eloperäisten materiaalien stabilointi radan alla ei ole sallittua. 3. Pilarisyvästabiloinnin ja massastabiloinnin yhdistelmän käyttäminen ratapenkereen perustamisessa ei ole sallittua. Liikennöitävän käytössä olevan raiteen alla ei saa käyttää stabilointia. 4. Koskee myös vastapengertä 5. Siirtymille herkät rakenteet -kohtaa käytetään, jos ratapenkereen läheisyydessä on esimerkiksi paalutettuja tai muita siirtymille herkkiä rakenteita. Tällöin vaaditaan rivin mukainen varmuustaso ilman junakuormaa niille liukupinnoille, jotka ulottuvat kyseiseen siirtymille herkkään rakenteeseen /6/. Siirtymille herkkien rakenteiden kohdalla stabiliteetti tarkastetaan rivin Siirtymille herkät rakenteet mukaisesti ilman muuttuvia ja lyhytaikaisia kuormia. Tämän lisäksi tarkastetaan myös muut taulukon kyseeseen tulevat mitoitustilanteet huomioiden kaikki kuormat. Stabiloidulle maalle käytetään stabiliteettitarkasteluissa lujuuden ominaisarvona kyseisen materiaalin myötölujuutta. Olemassa olevien ratojen osalta voidaan stabiliteetin parantamisen sijasta asettaa seurantamittaus, kun radan stabiliteetin kokonaisvarmuus ilman stabiliteettia parantavia toimenpiteitä on välillä F kok = 1,30 1,5. Radan stabiliteetin
RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit kokonaisvarmuus ei saa missään tilanteessa alittaa arvoa F kok = 1,30, vaan tällöin on ryhdyttävä stabiliteettia parantaviin toimenpiteisiin. Tukiseinien mitoituksessa käytetään seuraavia varmuuksia: 1. Pysyvien tukiseinien mitoituksessa käytetään kokonaisvarmuutta 1,8 tai sitä taulukossa 3.9:5 vastaavia osavarmuuslukuja. 2. Työaikaisten kaivantojen mitoituksessa käytetään kokonaisvarmuutta 1,5 tai sitä taulukossa 3.9:5 vastaavia osavarmuuslukuja. 3. Jos tukiseinien vaikutusalueella on siirtymille herkkiä rakenteita, käytetään aina kokonaisvarmuutta 1,8 tai sitä taulukossa 3.9:5 vastaavia osavarmuuslukuja. 3.9.6 Paaluhattujen ja -laattojen mitoitus Paalulaattojen mitoituksessa käytettävät mitoitusperusteet on esitetty julkaisussa Rautatiesiltojen suunnitteluohjeet, RSO /12/. Ks. kohta 3.8.1.1. Kappaleessa 3.8.1.2 käsitellyn penger- ja junakuorman jakaantumisen lisäksi paalulaattojen mitoituksessa on otettava huomioon radan sivuttaissuuntainen sijaintitarkkuus, joka on ±120 mm. Tämän lisäksi paalulaattojen mittojen valinnassa on otettava huomioon myös vaihteet, joiden alueella paalulaatta ei saa päättyä. Ohjeet varautumisesta mahdollisten lisäraiteiden rakentamiseen annetaan hankkeen suunnitteluperusteissa. Paalulaatalla on oltava riittävä jäykkyys pysty- ja vaakasuunnassa riippumatta suunnitellun laatan tai paalutyypin rakenteesta. Paalulaatan mahdollinen vaakavärähtely on aina otettava paalulaatan mitoituksessa huomioon. Kolmen paalun elementtien käytön tulee rajoittua pienialaisiin paikallisiin kohteisiin suorilla rataosuuksilla. Vähälukuisiin paaluihin tukeutuvia elementtejä ei tule käyttää, ellei paaluilla ole merkittävää sivuvastusta toistuvien vaakakuormien vastaanottamiseen. Teräspaalujen varaan perustetuilla paalulaatoilla pystysuuntaisen resonanssin mahdollisuus pitää tarkastaa ratapenkereen värähtelyjen rajoittamiseksi. Myös silloin, jos resonanssia tapahtuu, pystysiirtymät on rajoitettava kohdassa 3.9.7.2 esitettyihin arvoihin. Paaluhattujen käyttö tulee rajata olemassa olevien paaluhattualueiden korjaamiseen tai leventämiseen. Mikäli pohjamaan suljettu leikkauslujuus on alle 25 kpa, tulee varmistaa, etteivät paaluhatut keikahda eikä pengermateriaali varise hattujen välistä. Negatiivinen vaippahankaus huomioidaan LPO-2005 /26/ mukaan. 39
40 RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Jos merkittävä osuus paalun koekuormituksessa mitattavasta geoteknisestä kantavuudesta muodostuu paalun tukeutumisesta vaippaosaa vasten oleviin hienorakeisiin tai eloperäisiin maakerroksiin, paalun kantavuuden pitkäaikainen kehittyminen on arvioitava maan ja paalun yhteistoiminnan iskuaaltoteoreettiseen analyysiin perustuen. 3.9.7 Radan painumat 3.9.7.1 Pysyvä painuma Rata on suunniteltava siten, etteivät taulukossa 3.9:6 esitetyt tasaisen kokonaispainuman ja pituus- tai sivuttaiskaltevuuden muutoksen enimmäisarvot ylity. Vaihdealueilla sovelletaan aina alusrakenneluokan 4 mukaisia tasaisen kokonaispainuman ja pituus- ja sivuttaiskaltevuuden muutoksen enimmäisarvoja. Taulukko 3.9:6 Tasaisen kokonaispainuman sekä pituus- ja sivuttaiskaltevuuden muutoksen enimmäisarvot. Radan alusrakenneluokka Painuma-aika 100 vuotta Pituuskaltevuuden muutos [%] Painuma-aika 0...2 vuotta Tasainen kokonaispainuma [mm] Sivuttaiskaltevuuden muutos [%] Pituuskaltevuuden muutos [%] Painuma-aika 2...9 vuotta Sivuttaiskaltevuuden muutos [%] 0 800 0,4 0,8 0,4 0,8 1 800 0,3 0,6 0,3 0,6 2 500 0,2 0,4 0,2 0,4 3 300 0,15 0,3 0,15 0,3 4 100 0,1 0,2 0,1 0,2 3.9.7.2 Palautuva painuma Olemassa olevilla maanvaraisesti perustetuilla radoilla ratapölkystä mitattavan radan palautuvan, pystysuuntaisen painuman on kaluston sallitun akselipainon suuruisen kuormituksen alaisena oltava vähintään 1 mm. Enimmäisarvo palautuvalle painumalle on vastaavasti 10 mm ratapölkystä mitattuna ja 8 mm jätkänpolusta mitattuna. Uusi maanvaraisesti perustettava ratarakenne tulee suunnitella ja rakentaa siten, että radalla käytettävän kaluston sallittu akselipainon suuruinen kuormitus aikaansaa ratapölkyssä vähintään 1 mm ja enintään 3 mm palautuvan pystysuuntaisen painuman. Turvemaapohjalla pystysuuntainen palautuva painuma saa olla enintään 5 mm.
RATO 3.9 Radan alus- ja pohjarakenteiden suunnittelukriteerit Mikäli pysyvä tukiseinä tukee sillan tulopengertä tai vastaavaa paikkaa, jossa siirrytään penkereeltä suuremman pystysuuntaisen jäykkyyden omaavalle alustalle, pitää tukiseinä suunnitella siten, ettei penkereen palautuva painuma pölkystä mitattuna (kimmoinen pystysiirtymä) kaluston sallitulla akselipainolla ole uusilla radoilla suurempi kuin 3 mm ja olemassa olevilla radoilla suurempi kuin 6 mm 10 m matkalla sillasta lukien. 41
42 RATO 3
RATO 3.10 Radan ympäristögeotekniset suunnitteluperusteet 3.10 RADAN YMPÄRISTÖGEOTEKNISET SUUNNITTELUPERUSTEET 3.10.1 Junaliikenteen aiheuttama tärinä Uusien ratojen suunnittelussa ja perustamisessa liikennetärinästä aiheutuvat ympäristöhaitat on otettava huomioon siten, ettei tärinästä aiheudu vaurioita rakennuksille tai kohtuutonta häiriötä rakennuksissa oleville ihmisille. Junaliikenteestä syntyvän tärinän voimakkuus alueilla, joita käytetään taikka on suunniteltu käytettäväksi asumiseen tai sitä vastaaviin tarkoituksiin, ei tule ylittää viitteessä /24/ esitettyjä tärinän tunnuslukuja. Tunnusluvut on annettu häiritsevyyden suhteen ja ihmisen herkkyyden suhteen painotettuina. Uusille radoille ja radoille, joilla liikennenopeutta tai akselipainoja nostetaan aikaisempaan verrattuna, sovelletaan tärinän tunnusluvun luokkaa C. Vanhoilla radoilla sovelletaan luokkaa D. Vertailu tärinän tunnuslukujen suhteen tulee tehdä erikseen sekä vaaka- että pystysuunnissa. Tapauskohtaisesti voidaan arvioida haitan kohtuullisuuden ja tärinähaitan pienentämisen keinojen käytettävyyden perusteella sovellettavat tunnusluvut hanke- ja aluekohtaisesti. Rakennusten ja rakenneosien vaurioituminen tapahtuu yleensä merkittävästi häiritsevyyttä suuremmilla tärinätasoilla. Radan suunnittelussa vaurioitumisen suunnitteluarvona voidaan käyttää heilahdusnopeuden maksimiarvoa. Perinteisesti rakennetuille betoni-, tiili- tai puurakennuksille perustuksesta mitatun värähtelyn maksimiarvon tulee olla pienempi kuin 4 mm/s, kun dominoiva värähtelytaajuus on alueella alle 10 Hz. Taajuusalueella 10 30 Hz raja-arvo on 5 mm/s ja yli 30 Hz:n alueella 6 mm/s. Erityisen ongelmallisia tärinän leviämisen suhteen ovat savikkolaaksopainanteet. Savikkoalueilla värähtely leviää tehokkaasti ja leviävän tärinän taajuus on useimmiten alle 10 Hz. Tällöin riskinä on rakennuksen rungon ja kantavien lattioiden resonanssi. Liikennetärinä niveltyy kiinteästi alueiden maankäytön suunnitteluun. Vaikutusten arvioimisessa alueiden käyttöön tulee olla tarvittaessa yhteydessä kuntien maankäytön suunnitteluun. 3.10.2 Rakentamisesta aiheutuvat vaikutukset Rakennustöiden ympäristölle aiheuttamia vaikutuksia voivat olla muun muassa pohjaveden alentuminen, maanpinnan painuminen tai kohoaminen ja maan sivuttaissuuntaiset liikkeet, paalutus-, louhinta- ja tiivistystöiden aiheuttama tärinä sekä melu ja pöly. Näiden vaikutukset otetaan huomioon InfraRYL 2006:n /3/ ja RMYTL:n /11/ asianomaisissa osissa esitetyllä tavalla. 43