NAUE ROMANIA: Beneficiile folosirii geogrilelor rigide pentru reducerea deformatiilor si fragmentarii stratului de piatra sparta la terasamentele de cale ferata

In multe tari de pe glob reteaua feroviara joaca un rol important pentru transportul de marfuri si pasageri. Uneori, pentru transportul de marfuri pe calea ferata se folosesc trenuri care pot ajunge la lungimi de 3-5 km si incarcari pe osie de pana la 40 de tone. Ele supun infrastructura feroviara unor solicitari deosebite, care fac necesara proiectarea de asa maniera incat, pe de-o parte, terasamentele sa reziste unor incarcari ciclice mari, iar pe de alta parte terenul de fundare sa nu fie supus unor tasari excesive sau riscului de cedare. Stratul de piatra sparta, format din agregate naturale sau concasate, este amplasat intre suprastructura caii ferate si stratul de forma si are rol structural, distribuind eforturile aparute sub roti. Pe parcursul exploatarii, stratul de piatra sparta se degradeaza prin deteriorarea colturilor si muchiilor ascutite ale agregatelor ca urmare a unor actiuni mecanice, prin contaminarea cu particule fine si din cauza fenomenelor de pompaj sub sarcina. In plus, socurile produse de rotile in miscare, acolo unde sinele au denivelari sau imperfectiuni geometrice sau in zonele de tranzitie din apropierea unor elemente rigide de tipul podurilor si tunelelor, pot sa accelereze degradarea stratului de piatra sparta, facand necesare lucrari frecvente de mentenanta.

Geogrilele, geocompozitele si saltelele de amortizare a vibratiilor fabricate din cauciuc reciclat au devenit populare in ultimii ani pentru diminuarea deformatiilor stratului de piatra sparta si pentru reducerea deteriorarii agregatelor provocate de solicitarile mecanice. Concluzia unui numar de studii a fost aceea ca interactiunea mecanica dintre geogrile si stratul de piatra sparta, prin inclestare, poate reduce deplasarea laterala a agregatelor si diminua fragmentarea acestora. Pana de curand nu au existat dovezi stiintifice substantiale cu privire la corelatia intre comportamentul incarcare-deformatie si degradarea stratului de piatra sparta asociat cu acesta la incarcari dinamice ciclice, cum sunt cele produse de circulatia trenurilor, in conditiile folosirii in structura caii a materialelor geosintetice de stabilizare si armare (figura 1) si saltelelor de cauciuc pentru amortizarea vibratiilor. Studiul de fata si-a propus sa completeze datele existente si sa investigheze performanta geogrilelor, geocompozitelor si elementului absorbant pentru vibratii in reducerea fragmentarii pietrei sparte, folosind un aparat triaxial prismatic (cu sectiune rectangulara) proiectat si construit la Universitatea din Wollongong – Australia.

Stratul de piatra sparta si stratul de forma

Piatra sparta folosita pentru experiment a fost din bazalt, proaspat extras de la o cariera din New South Wales, Australia, cu o distributie granulometrica conforma cu Standardul Australian AS 2758.7 (2015). Stratul de forma a fost format din agregate cu o densitate in stare uscata de 2.110 kg/m3 si o umiditate de 10%. Inainte de efectuarea testelor, umplutura din stratul de forma a fost trecuta prin site pentru verificarea distributiei granulometrice, care corespunde curbei din figura 2.

Materialele geosintetice si salteaua de amortizare a vibratiilor

Geogrilele biaxiale folosite pentru experiment au fost fabricate din materiale polimerice, si anume polipropilena (PP). Au fost folosite doua tipuri de geogrile si un geocompozit cu noduri sudate, avand barele texturate si deschideri de forma rectangulara, codificate GGR1, GGR2 si CGR, avand proprietatile indicate in Tabelul 1.

In plus fata de geogrile si geocompozite a fost folosita si o saltea de amortizare a vibratiilor de 10 mm grosime, pentru a se vedea efectul combinat al acestor materiale. Salteaua de amortizare a vibratiilor a fost fabricata din granule de cauciuc reciclat cu dimensiunea de 1…3 mm, amestecate cu un compus elastomeric pe baza de poliuretan.

Programul experimental

Scopul programului a fost acela de a determina efectul pe care il au geogrilele, geocompozitele si salteaua de amortizare a vibratiilor in privinta limitarii deformatiilor verticale si laterale si fragmentarii stratului de piatra sparta. Programul de testare ciclica a presupus 10 incercari in aparatul triaxial prismatic, in cursul carora au fost folosite frecvente de incarcare de 15 si 25 Hz si simulate incarcari pe osie de 25 si 35 tone. Pentru determinarea efectului geosinteticelor si saltelei de amortizare a vibratiilor, testele au fost facute cu si fara acestea, iar apoi au fost comparate rezultatele. In aceasta faza a testelor au fost folosite geosintetice diferite (geogrile si un geocompozit  format dintr-o geogrila si un geotextil netesut de separare si filtrare consolidat mecanic prin intertesere); a fost utilizat aparatul experimental din figura 3. Pentru intelegerea comportamentului la impact al stratului de piatra sparta stabilizat cu geogrila au fost efectuate alte 18 incercari, care insa nu fac obiectul articolului de fata.

Deformatia stratului de piatra sparta

Deformatiile inregistrate dupa aplicarea unui numar de cicluri de incarcare sunt prezentate grafic in figura 4, folosind o scara semilogaritmica. Se observa ca, odata cu cresterea numarului de cicluri de incarcare, variatia initial neliniara a deformatiei plastice totale a stratului de piatra sparta si a stratului de forma devine liniara in reprezentarea semilogaritmica. Aceste rezultate indica faptul ca tasarile totale sub incarcari ciclice pot fi determinate printr-o formula semilogaritmica cum este cea de mai jos:

In aceasta formula „s” reprezinta deformatia plastica totala, „N” reprezinta numarul total de cicluri de incarcare iar „a” si „b” reprezinta doua constante empirice care depind de tipul materialului geosintetic si de caracteristicile agregatelor folosite.

Fragmentarea stratului de piatra sparta

Dupa efectuarea testelor, piatra sparta de sub traverse a fost impartita in trei straturi individuale – inferior, median si superior – si trecuta prin site pentru determinarea indicelui de fragmentare dupa metoda propusa de Indraratna et al. (2005). Figura 5 arata variatia indicelui de fragmentare pentru fiecare dintre cele trei straturi. Se poate observa ca valorile cele mai mari ale indicelui de fragmentare au fost obtinute in straturile superior si inferior, din cauza nivelului mai ridicat al eforturilor la interfata cu traversele, cu terenul de fundare si in zona de contact a agregatelor. In stratul median valorile indicelui de fragmentare au fost cele mai scazute, in corelatie cu valorile mai scazute ale eforturilor, comparativ cu celelalte doua straturi.

Aceste valori ale indicelui de fragmentare se coreleaza cu valorile obtinute in cadrul testelor desfasurate de Navaratnarajah et al. (2018) in conditii similare (35 tone incarcare pe osie si frecventa de 15 Hz), situate in intervalul 0,07-0,09. Valorile obtinute in aceste experimente sunt de asemenea in concordanta cu cele obtinute in testele efectuate de Indraratna et al. (2014) in orasul Singleton, pozitionate in intervalul 0,06-0,17, obtinute la trecerea prin sita a agregatelor prelevate inainte de efectuarea lucrarilor periodice de mentenanta. Este important de subliniat ca, in conditii de exploatare, socurile produse din cauza unor denivelari sau imperfectiuni geometrice ale sinelor sau in zonele de tranzitie, adaugate la incarcarile ciclice date de roti, au potentialul de a produce o degradare mai accentuata a pietrei sparte decat in conditii experimentale, concretizat prin indici de fragmentare mai mari.

In mod similar cu rezultatele studiului legat de fragmentarea pietrei sparte in exploatare, si rezultatele acestui studiu au evidentiat indici de fragmentare semnificativ mai mari la testarea la impact, comparativ cu indicii masurati dupa incarcari ciclice. Prezenta geogrilelor a avut o influenta pozitiva, conducand la o reducere semnificativa a indicelui de fragmentare a pietrei sparte. Aceasta se datoreaza efectului de stabilizare a agregatelor pe care il are geogrila, avand ca rezultat limitarea deplasarii laterale sub sarcina a acestora. Prezenta saltelei de amortizare a vibratiilor a condus de asemenea la reducerea indicelui de fragmentare: in timp ce geogrilele si geocompozitele limiteaza deplasarea agregatelor, salteaua absoarbe energia care altfel ar fi disipata in stratul de piatra sparta. A fost evident ca eforturile dinamice induse stratului de piatra sparta au crescut substantial cu incarcarea pe osie si moderat cu cresterea vitezei trenurilor (cresterea frecventei de incarcare). In cazurile in care au fost prezente geogrile sau geocompozite a fost evidenta reducerea eforturilor in masa de piatra sparta.

Experimentele din acest studiu au confirmat ca la cresterea vitezei trenurilor si incarcarii pe osie cresc deformatiile plastice ale terasamentului de cale ferata si se accentueaza degradarea pietrei sparte. Pentru aceeasi incarcare pe osie (25 t), cresterea frecventei de incarcare de la 15 la 25 Hz a produs o crestere a indicelui mediu de fragmentare a pietrei sparte in toate cele trei straturi (inferior, median si superior), asa cum se vede in figura 5. Pentru aceeasi frecventa de incarcare (15 Hz), cresterea incarcarii pe osie de la 25 t la 35 t (corespunzatoare diferentei dintre un tren de pasageri si un tren de marfa sau un tren pentru transportul carbunelui) a produs o crestere a indicelui mediu de fragmentare a pietrei sparte de 34-37%. Prin contrast cu efectul asupra deformatiilor plastice, incarcarea pe osie are o influenta mai mare asupra fragmentarii pietrei sparte decat cresterea frecventei de incarcare (viteza trenului), pentru ca sarcinile mai mari favorizeaza abraziunea pietrei sparte, ruperea colturilor si muchiilor agregatelor si spargerea acestora. Concluzia este aceea ca, in timp ce cresterea vitezei de circulatie a trenurilor contribuie la cresterea deformatiilor plastice ale terasamentului de cale ferata, cresterea incarcarii pe osie are un efect direct asupra degradarii pietrei sparte.

Indicele de reducere a deformatiilor si indicele de reducere a fragmentarii

Imbunatatirea performantei stratului de piatra sparta armat cu geogrila sau geocompozit poate fi reprezentata cu ajutorul a doi parametri normalizati, numiti Indice de Reducere a Deformatiei (IRD) si Indice de Reducere a Fragmentarii (IRF), dupa cum urmeaza:

unde:

IRD = indice de reducere a deformatiei

IRF = indice de reducere a fragmentarii

δ_{fara armatura} = deformatie in stratul fara armatura

δ_{cu armatura} = deformatie in stratul cu armatura

IFPS_{fara armatura} = indice de fragmentare a pietrei sparte in stratul fara armatura

IFPS_{cu armatura} = indice de fragmentare a pietrei sparte in stratul cu armatura

Concluzii

Piatra sparta folosita in terasamentele de cale ferata ca strat suport si de distributie a eforturilor sub traverse se degradeaza in timp ca urmare a circulatiei trenurilor, fiind afectata de deformatii plastice si de fragmentarea agregatelor. Amplitudinea deformatiilor plastice este puternic influentata de viteza trenurilor, crescand odata cu cresterea vitezei (sau a ciclurilor de incarcare), in timp ce fragmentarea pietrei sparte creste odata cu cresterea incarcarilor pe osie.

Folosirea geogrilelor si geocompozitelor la baza stratului de piatra sparta are un efect pozitiv prin stabilizarea agregatelor si limitarea deplasarii laterale a acestora si prin absorbtia eforturilor care altfel ar fi disipate in strat; aceasta conduce la diminuarea semnificativa a deformatiilor verticale si laterale si reduce fragmentarea pietrei sparte. Incercarile facute in conditiile cele mai defavorabile considerate in programul experimental (incarcare pe osie de 25 tone si frecventa de incarcare de 15 Hz) au aratat ca deformatiile stratului de piatra sparta care nu a fost stabilizat cu geogrile au fost cu peste 14% mai mari decat in cazul stratului stabilizat. Indicele de fragmentare a pietrei sparte pentru cel mai solicitat strat, cel superior, a fost cu 16% mai scazut atunci cand a fost stabilizat cu geogrila prin comparatie cu stratul nestabilizat, pentru incercarile facute cu cea mai mare incarcare pe osie, de 35 de tone. Toate acestea reconfirma efectul pozitiv pe care il au geogrilele de stabilizare si armare folosite sub stratul de piatra sparta.

Doua dintre conditiile importante pentru stabilizarea corespunzatoare a agregatelor si asigurarea unei performante ridicate in structura de cale ferata sunt acelea ca geogrilele si geocompozitele folosite sa aiba o structura rigida, caracterizata printr-o stabilitate pronuntata la torsiune si sa fie capabile sa mobilizeze rezistente mari la alungiri scazute, astfel incat deformatiile terasamentului sa fie reduse. Dat fiind ca in unele cazuri terenul de fundare pentru terasamentul de cale ferata poate fi un pamant slab sau foarte slab, se poate ajunge la situatii in care geogrilele sa functioneze in afara zonei de stabilizare (corespunzatoare unei deformatii in general de 1%, dar care poate ajunge la 2%), anume in zone de armare, in care sunt mobilizate forte mai mari de intindere. In aceste situatii o rezistenta mare la intindere este importanta si acesta este unul dintre motivele pentru care in cadrul experimentelor din studiul de fata au fost alese geogrile si geocompozite cu rezistente la intindere de 30 kN/m si 40 kN/m.

Este de asemenea important de remarcat ca incercarile in care a fost folosit un material compozit din familia de produse Combigrid® fabricat de NAUE GmbH & Co. KG, format dintr-o geogrila rigida si un geotextil netesut consolidat mecanic prin intertesere, sudat intre barele geogrilei, au indicat a doua cea mai redusa deformatie a stratului de piatra sparta; aceasta se datoreaza faptului ca pe langa efectul de stabilizare si armare pe care il are geogrila, geotextilul asigura si separarea stratului de piatra sparta de stratul de forma, prevenind amestecarea lor.

Geotextilele de separare si filtrare si geogrilele sunt folosite de mult timp pentru cresterea performantei si duratei de viata a terasamentelor de cale ferata, fiind folosite de regula la baza stratului de forma, unde actioneaza pentru prevenirea fenomenelor de pompaj sub sarcina si pentru distributia corespunzatoare a incarcarilor pe terenuri cu capacitate portanta redusa. Insa, folosirea lor si sub stratul de piatra sparta, in vederea reducerii in plus a deformatiilor si fragmentarii pietrei sparte, deschide noi oportunitati pentru cresterea duratei de viata a terasamentelor de cale ferata.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 175 – noiembrie 2020, pag. 53