A 9/2009 Olemassa olevien ratapenkereiden stabiliteetin laskenta elementtimenetelmällä

Juho Mansikkamäki

Ratahallintokeskus, Investointiosasto. Helsinki 2009. Rata­hallinto­­keskuksen julkaisuja A 9/2009. 134 sivua ja 10 liitettä. ISBN 978-952-445-297-7, ISBN 978-952-445-298-4 (pdf), ISSN 1455-2604, ISSN 1797-6995 (pdf)

Avainsanat: elementtimenetelmä, FEM, stabiliteetti, ratapenger, huokosveden ylipaine, SRM, GIM

TIIVISTELMÄ

Ratahallintokeskus hallinnoi Suomen rataverkkoa ja näin ollen myös määrittelee, kuinka radan stabiliteettilaskenta tulee suorittaa. Stabiliteettilaskenta voidaan suorittaa joko käyttäen maan suljettua leikkauslujuutta tai maan tehokkaita lujuusparametreja φ` ja c`. Mikäli pohjamaa on savea ja laskennassa halutaan käyttää maan tehokkaita lujuus­parametreja, laskenta tulee RHK:n ohjeen mukaan suorittaa myös elementti­menetelmällä. Elementtimenetelmällä suoritettavaan laskentaan ei kuitenkaan toistai­seksi ole tarkempaa ohjeistusta.

Tässä tutkimuksessa on tutkittu ratapenkereen stabiliteetin laskentaa elementti­menetel­mällä. Tarkoituksena on ollut selvittää, kuinka stabiliteettia tulisi elementti­menetelmää käyttäen laskea sekä ohjeistaa menetelmän käyttöä. Varsinaista laskentaohjetta ei kuitenkaan tähän työhön sisälly.

Työssä on aluksi käsitelty perinteistä lamellimenetelmää ja huokosveden ylipaineen mallinta­mista, millä on stabiliteettilaskennassa merkittävä vaikutus. Tämän jälkeen on käsitel­ty maan käyttäytymistä ja elementtimenetelmää. Elementtimenetelmää koske­vassa kappa­leessa on käsitelty menetelmän perusteoriaa, sen etuja ja haittoja sekä vaihto­ehtoja kokonaisvarmuuden laskentaan elementtimenetelmällä. Tämän jälkeen on esitelty työssä käytet­tävä laskentaohjelma sekä siihen liittyvät, maan käyttäytymistä simuloivat materiaali­mallit.

Laskentaosiossa hyödynnettiin uudella tavalla jo aiemmassa tutkimusprojektissa käsiteltyjä tutkimuskohteita ja laboratoriokoetuloksia. Tutkimuksessa on suoritettu laskelmia kolmesta poikkileikkauksesta. Kokonaisvarmuutta on laskettu perinteisellä lamellimenetelmällä ja elementti­menetelmällä. Elementtimenetelmän yhteydessä on tutkittu kolmea eri materiaali­mallia. Laskelmia on tehty käyttäen sekä suljettua leikkauslujuutta että tehokkaita lujuus­parametreja.

Laskelmissa havaittiin elementtimenetelmän soveltuvan varsin hyvin huokosylipaineen mallintamiseen. Menetelmällä saadaan myös yleisesti ottaen varsin vertailukelpoisia kokonais­­­varmuuksia suljettuun leikkauslujuuteen perustuvaan menetelmään verrattuna. Tietyllä materiaalimallilla kokonaisvarmuudet olivat monessa laskentatapauksessa jopa pienempiä kuin Su-menetelmällä.

Elementtimenetelmällä suoritettava stabiliteettitarkastelu on kuitenkin melko työläs ja vaatii perehtymistä. Tarvitaan myös paljon lisää vertailevaa tutkimusta, ennen kuin element­ti­menetelmän voidaan ajatella korvaavan perinteisen Su-menetelmän.