JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Työn tavoitteena oli tutkia teräsponttiseinän toimintaa ratatärinän vaimentamiseksi savipehmeikössä. Työssä käsiteltiin aihetta ensin kirjallisuuskatsauksen muodossa, jonka jälkeen verifioitiin kaksiulotteinen elementtimenetelmään perustuva malli Länsi-Suomen pehmeiköllä tehtyjen koeajojen mittaustulosten avulla. Verifioidun mallin pohjalta luotiin laskentamallit, joissa ponttiseinän ja sen ankkuroimisen toimintaa tärinän vaimentamiseksi tutkittiin eri savikerrospaksuuksilla. Tutkittavat saven kerrospaksuudet olivat 3, 10 ja 30 metriä. Lisäksi yhdessä mallissa ratapenger oli perustettu massanvaihdolle. Ponttiseinä asennettiin 3 ja 10 metrin pehmeiköllä kovaan pohjaan saakka. 30 metrin pehmeiköllä seinien pituudet olivat 10 ja 16 metriä.

Työssä pyrittiin selvittämään laskentamallien avulla maanpinnan hallitsevat taajuudet sekä värähtelynopeudet eri etäisyyksillä ratapenkereestä, kun junan ajonopeudet olivat 40 ja 70 km/h. Tuloksia tarkasteltiin pysty- ja vaakasuuntaiselle värähtelylle. Jokaisessa laskentamallissa tutkittiin, miten ponttiseinän käyttö ankkuroinnin kanssa tai ilman vaikuttaa tuloksiin, kun vertauskohteena oli seinätön tilanne. Hallitsevat taajuudet selvitettiin kymmenen metrin etäisyydeltä penkereestä ja ne olivat väliltä 0,8–10,0 Hz. Taajuudet esitettiin terssikaistoittain ja ne riippuivat jonkin verran tarkasteltavista junan nopeuksista. Suurimmassa osassa malleista värähtelyn suunta tai pehmeikön paksuus ei vaikuttanut hallitseviin taajuuksiin. Poikkeuksena oli 10 metrin savipehmeikkö, jossa oli selvästi havaittavissa eri taajuudet pysty- ja vaakasuuntaiselle värähtelylle.

Värähtelynopeudet selvitettiin yhden sekunnin tehollisarvon maksimeina 10, 30, 50 ja 70 metrin päässä ratapenkereestä. Lisäksi tulokset esitettiin suhteellisina värähtelynopeuksina verrattuna seinättömään tilanteeseen. Laskelmien mukaan pelkän ponttiseinän toiminta vaakasuuntaisen värähtelyn vaimentamisessa on heikkoa, mutta ankkuroidulla seinällä saadaan vaimennettua värähtelyä paikoitellen erittäin hyvin. Pystysuuntaisen värähtelyn vaimentamisessa kumpikin tapa antaa hyviä tuloksia.

Saadut tulokset antavat jonkinlaista käsitystä ponttiseinän hyödyllisyydestä ratatärinän vaimentamisessa. Tulokset kuitenkin pätevät vain laskentamalleihin luoduissa olosuhteissa, joten ne eivät ole yleistettävissä kaikille kohteille. Jotta seinää voidaan käyttää tärinän vaimentamiseen, on maaperän pohjaolosuhteet selvitettävä tarkasti, jotta mallinnus antaisi todenmukaisia tuloksia. Lisäksi tärinän vaimenemista kannattaisi tutkia ensin koerakenteiden avulla.

Modelling the function of a sheet pile wall for damping of railway-induced ground vibration

Abstract

The aim of the thesis was to study the function of a sheet pile wall for damping of railway-induced ground vibration in soft clay. The topic was first discussed in the form of a literature review, after which the two-dimensional finite element model was verified using the measurement results obtained from test drives previously conducted at a soft soil site in Western Finland. Based on the verified model, calculation models were created where the efficacy of the wall and its anchoring for damping of ground vibration was studied with different clay layer thicknesses. The studied soft soil thicknesses were 3, 10 and 30 meters. In addition, the railway embankment was founded on soil replacement in one model. The wall was embedded into the hard soil layer when the thicknesses of the soft soil were 3 and 10 meters. When the thickness was 30 meters, the wall was embedded to depths of 10 and 16 meters.

The goal of the thesis was to find out with modelling the dominant frequencies and the vibration velocities of the ground surface at different distances from the embankment when the train speeds were 40 and 70 km/h. The results were examined for vertical and horizontal vibration. In each model, the effect of using a wall with or without anchoring was studied and then the results were compared with situation without wall. The dominant frequencies were determined at the distance of 10 meters from the embankment and the range was 0,8–10,0 Hz. The frequencies were presented as one-third octave bands and they depended somewhat on the train speeds considered. In most models, the direction of the vibration or the thickness of the soft soil did not affect the dominant frequencies. In the 10-meter soft clay, different frequencies for vertical and horizontal vibration were clearly detected.

The ground vibration velocities were determined as the maximum of the root mean square values of one second at 10, 30, 50 and 70 meters from the embankment. In addition, the results were presented as relative vibration velocities compared with the situation without wall. According to the calculations, the efficacy of the wall itself for damping the horizontal vibration seems to be weak, but with the anchored wall the damping is, in places, very good. Both methods give good impact on the damping of vertical vibration.

The results obtained give some idea of the usefulness of the sheet pile wall for damping of railway-induced ground vibration. However, the results are valid only under the conditions created in the calculation models, so they are not generalizable for the different soil profiles. To use a wall for damping of vibration, the soil conditions of the ground must be accurately determined so the modelling would give realistic results. In addition, damping of the vibration should first be investigated using pilot structures.