ZESZY TY N A U K O W E POLITECHN IK I ŚLĄSKIEJ Seria: T R A N SPO R T z. 38
1999 N r kol. 1433
Jerzy PA W LICK I Libor IŻ VOLT
METODY DIAGNOSTYKI PODTORZA
Streszczenie. W artykule przedstaw iono spraw dzone w praktyce metody diagnostyki pod
torza, którego odporność na różnego rodzaju odkształcenia pow inna być przedm iotem stałych obserw acji, pom iarów i testów badawczych. O kreślenie stanu podtorza okazało się niezbędne w procesie m odernizacji dróg kolejowych dla potrzeb ruchu ciężkich i szybkich pociągów .
METHODS OF RAILWAY SUBGRADE DIAGNOSTICS
Sum m ary. T he determ ination oh the railway subgrade condition and its load support is a necessary part o f railway modernization process o f the Slovak Railways. B ecause o f great am ount o f necessary work and time lim itation, the optim al diagnostic system and the appro
priate m ethod are needed to select. In the paper, there is described system and som e diagnostic m ethods from the point o f view of obtaining the precise data to judge the load support and com paction quality o f the subgrade construction layers w ith the consideration o f the costs m i
nim ization.
1. W PR O W A D ZEN IE
O becny system diagnostyki podtorza je st niezadow alający z ekonom icznego punktu w i
dzenia. N ie spełnia rów nież wymagań projektowo - eksploatacyjnych ze w zględu na jakość rozpoznania w arunków geotechnicznych, stopień rozpoznania w arunków gruntow o - w od
nych, zm iany tych w arunków i wpływu oddziaływ ań klim atycznych.
Tradycyjne m etody diagnostyczne, ja k np. prow adzenie badań za pom ocą odkryw ek, dołów próbnych, otw orów m ierniczych z kom binacją statycznych testów obciążeniow ych okazały się niew ystarczające. Stosowane bowiem były zbyt późno, gdy naruszenie stateczności konstruk
cji podtorza zagrażało bezpieczeństw u prow adzenia ruchu. N ie dotyczy to w praw dzie badań prow adzonych podczas modernizacji linii kolejow ej, jed n ak i w tej sytuacji w ystępują ograni
czenia finansow o - techniczne. Od w ielu lat (w Polsce od niedaw na) w zrosły w ym agania do
tyczące obiektyw izm u i dokładności w yników badań diagnostycznych. Inw estorzy poszukują takich jed n o stek badaw czych (laboratoriów ) oraz w ykonaw ców urządzeń pom iarow ych, któ
rzy p o siad ają akredytację (laboratoria), certyfikat zgodności lub audit jakości.
2. M ET O D O L O G IA B A D A Ń D IA G N O STY CZN Y CH
Jed n ą z m etod oceny stanu podtorza rekom endow aną przez autorów [1,2] je s t tzw . w ielo
stopniow a diagnostyka fazow a, któ rą stosują m iędzy innym i koleje niem ieckie DB AG.
W pierw szej fazie - pierw szy etap diagnostyki (badanie w stępne, tzw . zgrubna diagnosty
ka) dokonuje się ciągłego rozpoznania w arstw podtorza m etodam i nieniszczącym i. O trzym ane w yniki dostarczają inform acji o w ystąpieniu odkształceń lub o m ożliw ości ich w ystąpienia ze w skazaniem m iejsc o jednorodnych charakterystykach geotechnicznych. Z ebrane dane o pod
torzu u m o żliw iają w m iarę precyzyjne określenie punktów , w których należałoby wykonać niew ielką liczbę naw ierceń rdzeniow ych.
W drugiej fazie - drugi etap diagnostyki (badanie szczegółow e, tzw . delikatna diagnostyka) - zidentyfikow ane m iejsca są przedm iotem dokładniejszych badań. Poniew aż w yniki pierw szej fazy diagnostyki nie dostarczają danych o fizycznych, m echanicznych i chem icznych w ła
ściw ościach m ateriałów , z których zbudow ane są w arstw y podtorza, m oże być ona stosowana w połączeniu z klasycznym i m etodam i destrukcyjnym i (sondy, odw ierty, pobieranie próbek, testy laboratoryjne, penetracyjne i obciążeniow e).
K olejna faza obejm uje uzupełniające badania geologiczne [2], N a ich podstaw ie poddaje się analizie zachow anie konstrukcji toru w konkretnych w arunkach geologiczno - inżynier
skich (obserw acje obszarów znacznych uszkodzeń, określenie granic poszczególnych części podtorza o jedn o ro d n ej budow ie itp.)[2].
3. C H A R A K T E R Y ST Y K A PIER W SZEJ FAZY M ETO D D IA G N O ST Y C Z N Y C H
W tej fazie zalecane są m etody nieniszczące, oparte na praw ach geofizycznych. Do metod tych n ależą m iędzy innym i: radar, m etody sejsm iczne, geoelektryczne, graw itacyjne oraz po
m iary geodezyjne pojazdam i pom iarow ym i.
M etody diagnostyki podtorza 57
T estow ania georadaru przeprow adzane w latach 80. w USA, Francji, Szw ecji i Niemczech w ykazały jeg o przydatność w badaniach geotechnicznych. D ziałanie georadaru polega na transm isji fal elektrom agnetycznych do w arstw podtorza, nie niszcząc jego struktury. Pozwala to określić następujące w łaściw ości podtorza:
— grubość, stopień zagęszczenia i zanieczyszczenie warstwy,
— kształt torow iska,
— obecność w ody (pow iększające się w orki wodno - żw irow e),
— położenie w planie i profilu (osiadanie).
Poniew aż silne zanieczyszczenia oraz nadm ierne zaw ilgocenie m ateriału (powyżej 20%) ograniczają zakres stosow ania georadaru, w celu otrzym ania pełnego obrazu stanu podtorza stosuje się ponadto dynam iczne sondy penetracyjne.
4. C H A R A K TE R Y ST Y K A D RU GIEJ FAZY M ETOD D IA G N O STY CZN Y C H
W artość statycznego m odułu deformacji w różnych płaszczyznach w arstw w ykonuje się za pom ocą statycznych testów obciążeniow ych. Praktyka w ykazała, że w adam i tej m etody są:
duża czasochłonność, stosow alność w ograniczonych warunkach oraz relatyw nie wysoki koszt. Inne m etody (dynam iczne obciążeniow e i penetracyjne) stają się bardziej przydatne w ocenach stanu podtorza i konsolidacji w arstw konstrukcyjnych.
D ługotrw ałe testy wykonane w TU M onachium , dośw iadczenia zdobyte przy budow ie linii dużych prędkości oraz w projekcie D eutsche Einheit zadecydow ały o dopuszczeniu przez ko
leje DB AG m ożliw ości stosow ania dynamicznych testów obciążeniow ych zam iast testów statycznych, um ieszczając je w standardzie DB A G do prow adzenia robót ziem nych (DS 836).
D ynam iczny m oduł odkształcenia oblicza się ze w zoru [3]:
Ev(j = 1,5-r-o/s , [N m n f2], (1) gdzie:
r - prom ień płyty do próbnych obciążeń, [mm], a - naprężenie rozciągające pod płytą, [N-mm'2],
s - odkształcenie udarow e (średnia w artość z trzech dośw iadczeń) [mm], przy czym r = 300 mm,
ct = 0,1 N-mm"2 .
Statyczne i dynam iczne m oduły deform acji stosuje się zam iennie. O szacow anie statyczne
go m odułu deform acji (m oduł statyczny w drugim cyklu obciążeniow ym ) oblicza się z zależ
ności [3]:
Ev2 = 2EVd , [N -m m '2] (2)
W zó r (2) m o żn a zastosow ać przy następujących założeniach:
— znany je s t w spółczynnik korelacji,
— grunt je s t jednorodny,
— przeprow adzono w ystarczającą liczbę testów.
D ynam iczne testy penetracyjne są skuteczne przy m odernizacjach toru. O bszar zastosow ań został znacząco rozszerzony w w yniku udoskonalenia urządzeń, ustanow ienia unorm ow ań praw nych w zakresie m etodologii, przepisów w ykonaw czych i m etod obliczeniow ych.
M o d u ł deform acji oblicza się w zależności od oporów penetracji wg w zoru:
EdCf= n qdyn , [kPa], (3)
gdzie n - w artość w spółczynnika korelacji zależna od rodzaju gruntu.
K orzyści ze stosow ania dynam icznych m etod penetracyjnych polegają nie tylko na okre
śleniu charakterystyk deform acji gruntu, lecz są w ygodne ze w zględu na:
— w yodrębnienie w arstw o bardzo zróżnicow anych charakterystykach stateczności i odkształ- calności,
— ustalenie położenia i zróżnicow ania grubości obciążonych i nieobciążonych nośnych w arstw konstrukcji toru,
— określenie m iąższości stref nieskonsolidow anych i hom ogeniczności podtorza.
W yniki dynam icznych testów penetracyjnych charakteryzują nie tylko typ odkształceń podtorza, ale rów nież um ożliw iają prow adzenie m iejscow ych prac w iertniczych oraz innych, bardziej racjonalnych testów , ułatw iając dokonanie w yboru technologii rekonstrukcji podto
rza.
M etody diagnostyki podtorza 59
5. PO D SU M O W A N IE
D iagnostyka podtorza stanowi niezbędną część każdej pracy m odernizacyjnej drogi kole
jow ej. Stosow anie m etod destrukcyjnych nie zawsze je st uzasadnione m etodologicznie i eko
nom icznie ze w zględu na: pracochłonność realizacji pom iarów i opracow ania w yników , skut
ki trw ałego uszkodzenia torow iska i podtorza, zam knięcia torowe na czas prow adzenia badań, m ożliw ość otrzym ania błędnych interpretacji danych pom iarow ych. B ardzo przydatna m oże okazać się w pierwszym etapie rozpoznania przyczyn odkształceń i stanu podtorza jed n a z m etod niedestrukcyjnych. W praw dzie je s t to sposób w ym agający specjalistycznego przygoto
w ania fachow ego zespołów w ykonujących pom iary oraz sprzętu wysokiej jak o ści technicznej, dostarcza je d n a k inform acji o konsolidacji gruntu i profilu podtorza szybko, dane obejm ują odpow iednio duży obszar drogi kolejowej, są ponadto mniej kosztowne. B adania niedestruk- cyjne nie zastępują klasycznych badań za pom ocą sondow ań i w ierceń, stanow ią jednak ich celow e uzupełnienie. Preferow ane ostatnio m etody dynam iczne um ożliw iają otrzym anie szybko i łatw o dostosow ującej się m etodologii diagnostyki dróg kolejowych.
Literatura
1. Izvolt L .:System and m ethods afa railway subgarde diagnistics in the process o f the Slovak Railw ays m odernisation. 10lh International Scientific Conférence „C om m unications on the edge o f the m illennium s” , Żilina, 9-11 Septem ber 1998, p. 133-136.
2. Paw licki J., Izvolt L. Slepecky J.: M etodyka rozpoznaw ania przyczyn i klasyfikacja od
kształceń podtorza na m odernizow anych drogach kolejow ych ŻSR i PK P. Zeszyty N auko
we Politechniki Śląskiej, s. Transport, z. 29, G liw ice 1997, s. 83-91.
3. R ichtlinie für die A nw endung des Leichten Fallgewichsgerates im Eisenbahnbau. DB NGD 39, Stand 01.02.1997.
Recenzent: Doc. dr inż. Zbigniew Ginalski
W płynęło do Redakcji 15.10.1999 r.
A bstract
T he subgrade, res. substructure diagnostics m ust precede each repair w ork, that is the aim o f planned and prepared railw ay m odernization. In many cases PK P and ZSR have little sub
structure load support and this fact leads to necessity o f raising the repair w ork num ber.
A pplication o f the georadar in the prelim inary investigation the geotechnics reliability and results objectivity raised. T he profit o f the m ethod consists in a higher reliability oh the type o f needed reconstruction, though the finance costs are similar. M eantim e this m ethod and in
strum ents has im proved to way to presuppose the georadar standard use fo r objective defini
tion o f subgrade condition.
The application o f the SD A plays the im portant role in the field o f subgrade investigation and dynam ic penetration sounds evaluation to find the layers position and hom ogeneity of subgrade construction out.
In the latest years, the preference o f dynam ic load m ethod in com parison o f the static one in railw ay is evident and advantages above all in the railw ay building are m aintainable. W ith application o f the dynam ic m ethod we can obtain quick and flexible m ethodology o f railw ay diagnostics w ith m anual dynam ic instrum ent. In com parison with the static m ethod the num ber o f diagnosticated spots can be higher.
