Vattennivåers påverkan på järnvägens stabilitet—Modellering med Finita Elementmetoden

Sammanfattning

Klimatförändringarna kommer att ge upphov till ökade regnmängder i framtiden, vilket kan leda till att infrastruktur utsätts för ökade vattenflöden och förhöjda grundvattennivåer. Förhöjda vattennivåer kan ge upphov till portrycksökningar i jord som sänker jordens hållfasthet, ökade laster från uppdämt vatten, vilket försämrar en konstruktions stabilitet mot brott eller skred (ras). Järnvägen, som är en kritisk infrastruktur i Sverige, kan vara känslig för den här typen av stabilitetsförsämrande vattennivåförändringar då de godståg som trafikerar järnvägen bidrar till stora brottmedverkande laster. Den första delen av rapporten, litteraturstudien, fokuserar på att samla information om och beskriva hur olika vattennivåer och vattenförhållanden kan påverka stabiliteten av järnvägen, samt hur järnvägen är uppbyggd, hur Trafikverkets regler kring avvattning på järnväg ser ut, och kortfattat om och hur klimatförändringar kan påverka vattennivåer och vattenförhållanden i jord i Sverige. Huvuddelen av litteraturstudien fokuserar på hur förändrade vattennivåer och portryck påverkar jordars hållfasthet, då järnvägskonstruktionen på bank som sådan i grunden är en geoteknisk konstruktion som kan utsättas för jordskred (ras). Detta gäller både för marken som järnvägen anläggs på och själva järnvägsbanken eller bankroppen i sig. Litteraturstudien avhandlar dock även andra sätt som förändrade vattennivåer och vattenförhållanden kan negativt påverka stabilitet hos järnväg, som erosion och finmaterialvandring (mud pumping). Finita elementmetoden, implementerad i programvaran PLAXIS 2D, valdes för att analysera effekten av förändrade vattennivåer på järnvägens stabilitet. Finita elementmetoden (FEM) är en generell numerisk metod inom strukturmekanik för att lösa partiella differentialekvationer, och PLAXIS 2D är ett program som tillämpar denna för att utföra beräkningar på geotekniska problem i två dimensioner, där modeller av det undersökta problemet skapas i programvaran. Fyra olika sektioner av järnväg på bank, uppdelat till totalt åtta fall/sektioner, har valts att modelleras. Tre av sektionerna är befintliga, och en är projekterad. Två av sektionerna är uppdelat i sektioner för med och utan tryckbankar, och de andra två sektionerna är uppdelade i reella befintliga eller planerade dubbelspår, samt fiktiva motsvarande enkelspår. Materialmodellen NGI-ADP har använts för de sektioner där data om den odränerade skjuvhållfasthetens anisotropi har funnits, Mohr-Coulomb modellen i övriga fall. Beräkningarna med oförändrade/långvariga/befintliga vattennivåer har dessutom verifierats med andra beräkningsmetoder, Morgenstern-Price metoden för släntstabilitet i Slope/W och Meyerhoffs bärighetsekvation. För fallen/sektionerna som har beräknats med NGI-ADP modellen i PLAXIS 2D har dessutom kontrollberäkningar skett med Mohr-Coulomb modellen i PLAXIS 2D. Resultaten från beräkningarna i PLAXIS 2D pekar på att en ökning av grundvattennivån mellan 0,5 och 1,0 meter har en liten inverkan på stabiliteten och är stabilitetshotande endast för sektioner mycket nära brottgränstillstånd. Uppdämt vatten upp till 1 meter under RUK (Rälunderkant) har också en relativt begränsad påverkan på stabiliteten, men kan bli problematiskt för sektioner med dålig stabilitet. Uppdämt vatten (hela vägen) upp till RUK kan bli stabilitetshotande för sektioner med relativt god stabilitet.