Investigation of Using Bituminous Mixture Instead of Granular Sub Ballast Layer in High Speed Rail Tracks with Finite Element Method

Öz

Rail track with granular ballast layer is widely used all over the world in high-speed railway lines as in conventional lines. However, the development of high-speed lines and the increase in the load capacity of the trains compulsory to design the sub-ballast made of different materials in the granular layers between the ballast and the track bed in the railway track. In this way, the service life of the railway track will be extended and also maintenance costs will be reduced. In this study, using asphalt layer instead of the granular sub-ballast layer under a rail track section applied in Turkey modelled with finite element method (FEM) under TCDD high-speed line axle loads and also using different asphalt materials features of the seasons and the obtained results were compared. It was concluded that the use of asphalt pavements in sub-ballast layers of high-speed lines will reduce deformations and stresses on the subgrade layer, increase rail track safety and reduce the need for quality ballast materials that are difficult to find in every region.

Anahtar Kelimeler

• High speed railway lines
• Sub-ballast layer
• Asphalt sub-ballast layer
• FEM

Yüksek Hızlı Hatlarda Granüler Alt Balast Yerine Asfalt Tabaka Kullanımının Sonlu Elemanlarla Modellenmesi

Öz

Tüm dünyada, konvansiyonel hatlarda olduğu gibi yüksek hızlı demiryolu hatlarında da balastlı üstyapı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte yüksek hızlı hatların gelişmesi ve trenlerin yük kapasitelerinin artması demiryolu üstyapısındaki balast ve taban zemini arasındaki granüler tabakalara daha farklı malzemelerden yapılmış alt tabakaların (altbalast) eklenerek projelendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu sayede demiryolu üstyapısının servis ömrü uzatıldığı gibi bakım maliyetlerinin de düşürülmesi sağlanmış olacaktır. Bu çalışma kapsamında alt balast tabakası yerine asfalt tabaka kullanımı Türkiye’de uygulanan bir tip kesit üzerinde, yüksek hızlı hat dingil yükü ve asfalt malzemenin farklı mevsimlerdeki özelliklerine göre sonlu elemanlar metoduyla (SEM) modellenerek çözümlenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Asfalt kaplamalardan oluşan alt balast tabakalarının yüksek hızlı hatlarda kullanılmasının taban zeminindeki deformasyonları ve gerilmeleri azaltacağı, yol güvenliğinin artmasını sağlayacağı ve her bölgede bulunması güç olan kaliteli balast malzemesine olan ihtiyacı da azaltacağı sonuçlarına ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Yüksek hızlı demiryolu hatları
• Alt balast tabakası
• Asfalt alt balast tabakası
• SEM

Kaynakça

1. [1] C. Gürer, Demiryolu mühendisliği, Yayımlanmamış lisansüstü ders notları. Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyonkarahisar, 2018.
2. [2] AGÜB. Türkiye Agrega Sektör Raporu, İstanbul, 2007.
3. [3] Anonim, “Çorlu tren kazası inceleme ve değerlendirme raporu.” Türkiye Mühendislik Haberleri, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası Ulaştırma Kurulu, 2018, pp. 22-38.
4. [4] N.S. Yalçın, ve A. Erel, “Yüksek hızlı demiryollarında altyapının önemi ve tasarım ilkeleri,” 7. Ulaştırma Kongresi, İstanbul, 2017, pp. 323-343
5. [5] [Online]. Available: https://www.tmmob.org.tr/sites/default/files/imo.pdf, [Accessed March 22, 2021]
6. [6] J.G Rose, L.S. Bryson, “Hot mix asphalt railway trackbeds: trackbed materials, performance evaluations and significant implications,” International Conference on Perpetual Pavements, Columbus, 2009, pp. 19-25
7. [7] J.G. Rose, P.F. Teixeira, P. Veit, “International design practices, applications and performances of asphalt/bituminous railway trackbeds,” GEORAIL, Paris, France, 2011, pp. 1-23
8. [8] C. Esveld, Modern railway track. 2. edition, Delft University of Technology, Netherlands: MRT-Productions, 2001

9. [9] C. Esveld, “Modern railway track,” 2011. [Online]. Avaliable : http://esveld.com. [Accessed: April 16, 2019]
10. [10] T. A. Törer, “Yüksek hızlı hat demiryollarinda alt balast tabakası yerine bitümlü karışım kullanımının sonlu elemanlar yöntemi ile araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği A.B.D., Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyonkarahisar, 2019
11. [11] J.G. Rose, R.R. Souleyrette, “Asphalt railway trackbeds: recent design, applications and performance,” AREMA, 2015.
12. [12] [Online]. http://www.asphaltmagazine.com [Accessed April 20, 2019]
13. [13] E. Yang, Y. Qiu, Q. Luo, “An asphalt concrete application for high-speed railway in China,” 6th International Conference Bituminous Mixtures and Pavements, Thessaloniki, 2015
14. [14] M.B. Bouraima, E. Yang, Y. Qiu, “Mechanics calculation of asphalt concrete track- substructure layer and comparisons,” American Journal of Engineering Research (AJER), vol. 6, no. 7, pp.280-287, 2017
15. [15] M. Sol-Sánchez, L. Pirozzolo, F. Moreno-Navarro, M.C. Rubio-Gámez, “Advanced characterisation of bituminous sub-ballast for its application in railway tracks: The influence of temperature,” Construction and Building Materials, vol. 101, pp. 338-346, 2015, doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.102
16. [16] A. Paixão, J. N. Varandas, E. Fortunato, R. Calçada, “Non-linear behaviour of geomaterials in railway tracks under different loading conditions,” Procedia Engineering, vol. 143, pp. 1128-1135, 2016, doi: 10.1016/j.proeng.2016.06.147
17. [17] H. Güler, E.Y. Aksop, “Analysing railway substructure and superstructure by using finite element methods and dimensioning of track components,” 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science (ISITES2017), Azerbaijan, Baku, 29–30 September, 2017
18. [18] UIC 719 R, Earthworks and Track Bed Construction for Railway Lines, 2018
19. [19] L. Li, S. Nimbalkar, R. Zhong, (2018) “Finite element model of ballasted railway with infinite boundaries considering effects of moving train loads and Rayleigh waves,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol.114, pp.147-153, 2018, doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.06.033
20. [20] M. Eroğlu, “Raylı sistemlerde ray ve teker arasındaki temas analizinin ansys ortamında incelenmesi,” Lisans Tezi, Makine Mühendisliği Bölümü, Karabük Üniversitesi, Karabük, 2014
21. [21] J.G. Rose, B. Su, W.B. Long, “KENTRACK: A railway trackbed structural design and analysis program,” AREMA Conference Proceedings, 2003
22. [22] Y. Özdemi̇r, “Ray-teker temasında temas parametrelerinin incelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 11, pp. 1-13, Jan. 2020
23. [23] L.S. Sowmiya, J.T. Shahu, K.K. Gupta, “Three-dimensional finite element analysis of railway track,” Indian Geotechnical Conference, IGS, Mumbai, Chapter & IIT Bombay, 2010, pp.909-912
24. [24] J. Han, G.T. Zhao, XZ. Sheng, X.-S. Jin, “Study on the subgrade deformation under high-speed train loading and water–soil interaction,” Acta Mechanica Sinica vol. 32, no. 2, pp. 233-243, 2015, doi: 10.1007/s10409-015-0522-6
25. [25] M. Esmaeili, A. Khodaverdian, H. K. Neyestanaki,S. Nazari, “Investigating the effect of nailed sleepers on increasing the lateral resistance of ballasted track,” Computers and Geotechnics, vol. 71, pp. 1-11, 2016, doi:10.1016/j.compgeo.2015.08.006
26. [26] H. Heydari-Noghabi, J. Varandas, M. Esmaeili, J. Zakeri, “Investigating the influence of auxiliary rails on dynamic behavior of railway transition zone by a 3d train-track interaction model,” Latin American Journal of Solids and Structures, vol. 14, no. 11, pp. 2000-2018, 2017, doi: 10.1590/1679-78253906
27. [27] K. Oğul, U. Mutman, E. Poşluk, “Yüksek hızlı demiryollarında kullanılan yaklaşım dolgu modellerinin sayısal analiz ile değerlendirilmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no.10, ss. 46-53, Temmuz, 2019