Ingeniería Ferroviaria
Por: Chris Kelsey (para Geosynthetica)
El lastre sucio produce la degradación de las propiedades mecánicas del lastre y la inestabilidad de las vías del ferrocarril. Los ciclos estacionales seco-húmedo aumentan la gravedad de la situación. En esta última incorporación a Geosynthetica de la conferencia de ingeniería de transporte GAP 2019 , Prajwol Tamrakar y Soheil Nazarian describen el uso de pruebas de carga de impacto en lastres limpios, con suciedad de arcilla y polvo de roca. Su investigación revela diferencias interesantes entre el impacto de la incrustación en la rigidez y la deformación del lastre, dependiendo del agente incrustante, la humedad y el tipo de módulo utilizado en el análisis.
1. Introducción a la investigación balastada faltada
Varios incidentes ferroviarios bien documentados (Bailey et al. 2011; NTSB 2013) se han atribuido a vías inestables causadas por el lastre contaminado. La migración del suelo de subrasante al lastre debido a las cargas dinámicas del tren, el aplastamiento de los agregados de lastre con el tiempo y la fluctuación climática contribuyen a la contaminación del lastre (Anderson y Rose 2008; Parsons et al. 2012). Las incrustaciones de lastre también tienen un efecto decreciente en las propiedades mecánicas del lastre (Huang et al. 2009; Duong et al. 2013; Koohmishi y Palassi 2017).
Huang y col. (2009) discutieron las diferentes fases del ensuciamiento del lastre y sus relaciones con los espacios vacíos dentro del lastre. La estabilidad estructural de un lastre limpio depende del grado de contacto entre los agregados. El espacio vacío dentro del grupo agregado del lastre limpio también contribuye a la función de drenaje libre del lastre. Con el aumento de las incrustaciones, los huecos llenos se expanden y resultan en la pérdida de contacto entre los agregados. La consecuencia principal de un lastre sucio es la deformación de la vía debido a las cargas del tren. Un aumento en el contenido de humedad del lastre sucio causa una reducción significativa en la resistencia y rigidez ya que el material sucio actúa como lubricante. Selig y Waters (1994) informaron que el 76% de las incrustaciones fueron causadas por la descomposición del lastre, el 13% por infiltración del sub-lastre, 7% por infiltración desde la superficie del balasto, 3% por intrusión de subrasante y 1% está relacionado con el desgaste del amarre. Propusieron las siguientes dos terminologías para clasificar el lastre sucio:
* Porcentaje de ensuciamiento = relación del peso seco del material que pasa un tamiz de 3/8 pulg. Al peso seco de la muestra total
* Índice de incrustación = suma del porcentaje de materiales que pasan por los tamices No. 4 y No. 200
Varios investigadores (por ejemplo, Han y Selig 1997; Huang et al. 2009; Parsons et al. 2012; Tamrakar et al. 2017b) han estudiado las características del lastre contaminado mediante pruebas de laboratorio; otros (por ejemplo, Roberts et al. 2006; De Bold et al. 2015; Sadeghi et al. 2018) se centraron en pruebas de campo para ese propósito. Huang y col. (2009) utilizaron una caja de corte para determinar la resistencia al corte del lastre limpio y el lastre contaminado con polvo de carbón, arcilla y relleno mineral. Esos autores informaron la mayor resistencia para el lastre limpio. El aumento en el grado de incrustación resultó en una disminución de la resistencia. El lastre contaminado con carbón mostró una pérdida significativa de resistencia. Para todos los balastos sucios, la pérdida de resistencia al corte se aceleró con el aumento del contenido de humedad.
Este documento tiene como objetivo comprender el efecto de las incrustaciones de lastre en la deformación permanente y la rigidez del lastre ferroviario. Se consideraron dos tipos de agentes incrustantes, polvo de roca y arcilla, que tienen diferentes índices de plástico. Las muestras de lastre se probaron con un sistema de prueba y simulación de materiales (MTS) para obtener las propiedades de rigidez bajo carga monotónica, un analizador portátil de propiedades sísmicas (PSPA) para obtener el módulo de baja tensión y un deflectómetro de peso ligero (LWD) para altas -módulo de tensión.
2. Preparación y pruebas de muestras de balasto
Una sección de vía ferroviaria que consiste en una capa de lastre y una subrasante se simuló en un contenedor como se muestra en la Figura 1. Una descripción detallada de la preparación de muestras se discute en Tamrakar (2017).
Figura 1. Esquema del contenedor y muestra
El contenedor, que estaba hecho de una tubería de polietileno, tenía un diámetro interno de 900 mm, una altura de 700 mm y un espesor de 25 mm. El perfil del material para cada muestra consistió en 100 mm de gravilla en el fondo, 300 mm de subrasante en el medio y 300 mm de lastre en la parte superior. El fondo y las paredes internas del contenedor estaban revestidas con una lámina de polietileno de 150 µm de espesor para minimizar la interacción entre los geomateriales y las paredes del contenedor. Basado en extensos análisis de elementos finitos, Amiri (2004) encontró que las dimensiones de este espécimen eran apropiadas para el tipo de pruebas realizadas en este estudio. Además validaron las respuestas de deformación calculadas a través del análisis numérico con los resultados experimentales. La interacción entre el suelo y la pared del contenedor basada en datos numéricos y experimentales fue insignificante.
La subrasante, que era común a todas las muestras, se designó como SM según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) con densidad máxima en seco (MDD) y el contenido óptimo de humedad (OMC) de 1794 kg / m3 y 15.2%, respectivamente. El lastre limpio de piedra caliza, designado como AREMA 4, se obtuvo de una cantera local. La densidad en seco del lastre limpio según ASTM C29 fue de 1730 kg / m3. Se utilizaron dos tipos de agentes incrustantes, polvo de roca y arcilla. Las propiedades de los agentes incrustantes, incluido el contenido de finos (partículas que pasan el tamiz No. 200), se tabulan en la Tabla 1. El polvo de roca se obtuvo de la misma cantera que produjo el lastre. La arcilla era una arcilla de alta plasticidad obtenida de Minnesota.
Tabla 1. Propiedades de los agentes incrustantes.
Bailey y col. (2011) indicaron que el porcentaje de incrustaciones podría alcanzar hasta el 50%. Las muestras de lastre contaminado para este estudio se prepararon mezclando el lastre limpio y seco con los agentes contaminantes apropiados en una proporción del 20% (moderadamente contaminado) o 50% (muy contaminado) en peso de lastre limpio. Las muestras se compactaron con las densidades nominales informadas en la Tabla 2. Las gradaciones para las muestras de lastre limpias y sucias se muestran en la Figura 2. Las clasificaciones de las muestras de lastre sucias según Selig y Waters (1994) también se tabulan en la Tabla 2.
Tabla 2. Propiedades de las muestras de lastre limpias y sucias
Cada muestra se probó en tres condiciones de humedad: condiciones secas, saturadas y parcialmente secas (es decir, parcialmente secas después de la saturación). Las pruebas en las muestras de lastre contaminado preparadas con la cantidad apropiada de materiales de incrustación secados al horno representaron la prueba en estado seco. Después de completar las pruebas en estado seco, el lastre contaminado se saturó introduciendo agua de las mangueras de remojo colocadas en la parte superior de la muestra. Las pruebas se repitieron posteriormente en estado saturado. El lastre saturado se dejó secar durante tres días después del segundo conjunto de pruebas, y las pruebas se repitieron en la condición parcialmente seca. Después de completar cada prueba, se extrajeron muestras húmedas para medir el contenido de humedad utilizando el método de secado en horno.
Figura 2. Gradación de lastre limpio y sucio
Se utilizó un sistema 1.3 MN MTS (ver Figura 3a) para llevar a cabo la prueba de deformación de carga a través de un amarre ferroviario a escala reducida utilizando un soporte de acero. Se aplicó una carga monotónica, hasta 16 kN, a una velocidad de carga de 2.2 kN / min (ver Figura 3b).
Figura 3. Prueba de deformación de carga
Después de alcanzar la carga máxima, la muestra se descargó en un minuto. Se consideró que la carga de asiento de 0.9 kN tenía un contacto adecuado entre el amarre y la superficie del lastre. Figura 3c respuestas típicas de carga y descarga de una prueba típica de deformación de carga.
PSPA es un dispositivo portátil para medir los parámetros de rigidez de las capas de pavimento (Nazarian et al. 2003). El PSPA consta de dos acelerómetros y una fuente empaquetada en un sistema portátil (ver Figura 4a). La fuente produce un impacto impulsivo en la superficie del material que genera ondas de estrés. Las señales de las ondas de estrés son capturadas por dos acelerómetros. Usando el análisis rápido de Fourier, las historias de tiempo capturadas por los acelerómetros se convierten en señales de dominio de frecuencia. Se desarrolla una gráfica de fase a partir de las señales del dominio de frecuencia (ver Figura 4b). Se calcula una velocidad de onda cortante (VS) promedio del material desenvolviendo el diagrama de fase (Tamrakar et al. 2017a). El módulo elástico lineal o de baja tensión (EPSPA) (denominado módulo PSPA) se deriva con la relación de Poisson (?) y la densidad de masa (?) utilizando:
Figura 4. Prueba de PSPA
Se adoptó un LWD fabricado por Zorn Instruments (Figura 5) para realizar pruebas según ASTM E2583. Para cada muestra, se eligieron tres puntos para realizar las pruebas de LWD. El módulo efectivo (denominado módulo LWD) se calculó utilizando la siguiente ecuación.
Figura 5. Prueba de LWD
donde ? = relación de geomaterial de Poisson (asumido como 0.4), a = radio de la placa de carga (100 mm), F = carga LWD (7.5 kN), d LWD = desviación de la superficie LWD yf = factor de forma (asumido como 2) que es una función de la rigidez de la placa y el tipo de suelo.
3. Presentación de resultados balastados faltados
El comportamiento de deformación de carga de los especímenes de lastre con suciedad de arcilla en condiciones secas, saturadas y parcialmente secas se presenta en la Figura 6. La Figura 6a representa las respuestas de deformación de carga para los especímenes con suciedad moderada, mientras que la Figura 6b representa para los especímenes muy sucios. Las curvas punteadas negras en esas figuras representan la respuesta de carga del espécimen de lastre limpio.
Desafortunadamente, la respuesta de descarga no estaba disponible para la muestra con el lastre limpio.
En comparación con el espécimen limpio, los especímenes moderadamente ensuciados se deformaron menos, y los especímenes muy sucios se deformaron más. El patrón de deformación de las muestras muy sucias fue exagerado por el cambio en el contenido de humedad.
Figura 6. Respuestas de deformación de carga del lastre ensuciado con arcilla
En la Figura 7 se presenta un comportamiento similar de deformación de carga de las muestras con suciedad de polvo de roca. Tanto las muestras con suciedad moderada como muy deformadas se deformaron menos que la muestra limpia. La reducción de la deformación puede deberse a la presencia de polvo de roca de bajo PI. Las curvas de deformación de carga para los especímenes sucios de polvo de roca son esencialmente independientes de la condición de humedad (ver Figura 7).
La Tabla 3 compara las deformaciones permanentes medidas al final de las pruebas de deformación de carga monotónica en las muestras ensuciadas. La mayor deformación permanente de 20 mm se observó para las muestras saturadas muy sucias preparadas con arcilla. Excepto por los especímenes saturados y parcialmente secos con suciedad de arcilla, las deformaciones permanentes de los especímenes disminuyeron con el aumento en el grado de ensuciamiento. Estos hechos indican que la humedad y los altos agentes de incrustación de PI contribuyen a aumentar las deformaciones permanentes.
Figura 7. Respuestas de deformación de carga del lastre con polvo de roca
Tabla 3. Deformación permanente de muestras de lastre con polvo de arcilla y roca
Los módulos de PSPA de los especímenes de lastre limpios y con suciedad de arcilla y polvo de roca se presentan en la Figura 8. Los coeficientes de variación en las mediciones de PSPA están en el rango del 10% al 26%, lo que demuestra la naturaleza heterogénea del lastre y señala a la necesidad de más de una medida para caracterizar tales materiales.
Figura 8. Módulo PSPA de lastre limpio y sucio
Las pruebas de PSPA del lastre limpio solo se realizaron en condiciones secas porque la naturaleza de drenaje libre del material no se prestaba a la saturación. Para los especímenes moderadamente ensuciados, independientemente del agente ensuciador, los módulos saturados fueron menores que las condiciones secas correspondientes.
Sin embargo, a medida que los materiales se secaron hasta la condición parcialmente seca, los módulos aumentaron significativamente. Para las condiciones muy sucias, la tendencia es algo diferente. Aunque los módulos saturados son menores que los secos, los módulos después del secado posterior no aumentan significativamente. Al comparar los módulos en condiciones secas, los módulos secos aumentan a medida que aumenta el grado de incrustación. Esto indica que, en condiciones secas, el ensuciamiento podría ayudar a endurecer la base de la pista. Por otro lado, tan pronto como el lastre contaminado se sature, perderá su capacidad de carga en cierta medida.
La Figura 9 presenta la variación en los módulos LWD de las muestras de lastre limpias y sucias con contenido de humedad y grado de ensuciamiento. El módulo LWD promedio del lastre limpio fue de 41 MPa, que fue significativamente menor que el módulo PSPA correspondiente (225 MPa). Las diferencias se pueden atribuir al hecho de que los módulos de PSPA son los módulos de deformación pequeña de la capa de lastre, mientras que los módulos de LWD son los módulos de deformación alta de la combinación del lastre y la capa de subrasante más suave debajo de ella.
Figura 9. Módulo LWD de lastre limpio y sucio
Los módulos LWD para los especímenes moderadamente ensuciados con arcilla demostraron un patrón que es algo similar al PSPA. Los módulos de las muestras muy sucias con polvo de roca eran casi independientes de la condición de humedad. Por el contrario, los módulos de los especímenes muy sucios con arcilla demostraron sensibilidad a la condición de humedad. Aunque los módulos de los especímenes moderadamente ensuciados con polvo de roca y arcilla fueron similares en condiciones de humedad similares, los módulos de los especímenes muy ensuciados fueron significativamente diferentes. A diferencia de los módulos de PSPA de las condiciones secas, no se observó un patrón consistente entre el módulo y el grado de incrustación.
4. Conclusiones
Para comprender los comportamientos mecánicos del lastre contaminado, se construyeron en el laboratorio varias muestras que representan una sección de vía ferroviaria que consiste en un lastre de 300 mm de espesor sobre una subrasante. Las muestras se prepararon en un recipiente de 0,9 m de diámetro y 0,7 m de altura. Se seleccionó un agregado limpio a base de piedra caliza, designado como AREMA 4, para preparar la capa de lastre. El polvo de roca con un PI bajo y la arcilla con un PI alto se usaron como agentes contaminantes. Los especímenes de lastre estaban moderadamente y muy contaminados con polvo de roca o arcilla. Para simular los ciclos seco-húmedo-seco, las muestras de lastre secas contaminadas se saturaron y luego se dejaron secar durante unos días. El comportamiento del lastre se midió bajo carga monotónica usando un sistema MTS y pruebas de carga de impacto usando PSPA y LWD.
Con base en este estudio, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
1) El espécimen de lastre ensuciado con arcilla (es decir, agente de ensuciamiento de alto PI) es altamente susceptible a la deformación permanente. La deformación permanente se acelera significativamente por el aumento en el grado de ensuciamiento.
2) El espécimen de lastre ensuciado con polvo de roca (es decir, agente de ensuciamiento de bajo PI) tiene un impacto mínimo o nulo en la deformación permanente. La humedad tiene pequeños efectos sobre la deformación permanente.
3) El efecto de las incrustaciones en la rigidez del balasto se observa más en los módulos LWD que en los módulos PSPA.
4) El factor principal que contribuye a aumentar la deformación de las vías ferroviarias es la combinación de un mayor contenido de humedad y altos agentes de incrustación de PI.
Los autores
Prajwol Tamrakar trabaja para Tensar International Corporation . Soheil Nazarian está en el Centro de Sistemas de Infraestructura de Transporte , Universidad de Texas en El Paso.
Referencias
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