Short and long term performance of a slab track in a transition zone: an embankment to tunnel analysis

Abstract

Railway track transition zones are characterised by an abrupt change in track support stiffness, which increases dynamic wheel loads and leads to the acceleration of differential settlement and track degradation. This work aims to study concrete slab track transition zones, with a focus on embankment-to-tunnel sections. The analysis uses a hybrid methodology, combining 3D finite element modelling with empirical settlement equations, in an iterative manner. At each iteration, the track-ground stress fields are calculated using a 3D model, before passing them to a calibrated empirical equation capable of computing settlement across the transition. Then, before starting the next iteration, these settlements are used to modify the 3D model geometry, thus account for the effects of the previous settlement. Regarding the short-term dynamic behaviour, the results demonstrate a concentration of stresses in the concrete slab and HBL. Regarding the long-term behaviour, the results show a maximum cumulative permanent deformation close to 0.52 mm. Moreover, the effectiveness of a resilient mat placed in the transition was tested. The results show a decrease in the stress levels in the transition and the attenuation of the variation of displacements in the concrete slab.

As zonas de transição de vias-férreas são caracterizadas por uma mudança abrupta na rigidez das condições de suporte da via, o que conduz ao aumento das cargas dinâmicas e aceleração dos assentamentos diferenciais e degradação da via. Este trabalho apresenta o estudo do comportamento da via em laje em zonas de transição, com especial destaque para as secções aterro-túnel. Esta análise usa uma metodologia híbrida que combina a modelação tridimensional por elementos finitos com as equações empíricas de deformação permanente, inseridas num processo iterativo. Em cada iteração, são determinados os campos de tensão induzidos na fundação usando o modelo 3D, antes de se calcularem as deformações a partir da equação empírica calibrada capaz de determinar o assentamento ao longo da transição. Seguidamente, antes de iniciar a próxima iteração, estes assentamentos são utilizados para modificar a geometria do modelo 3D, o que permite considerar os efeitos do assentamento anterior. Relativamente ao comportamento dinâmico a curto-prazo, os resultados mostram uma concentração de tensões na laje de betão e HBL. Em relação ao comportamento a longo prazo, os resultados mostram um assentamento permanente máximo acumulado próximo de 0.52 mm. Mais ainda, foi testada a eficácia de uma manta resiliente na zona do túnel e no aterro. Os resultados mostram uma diminuição do nível de tensões na transição e atenuação da variação dosdeslocamentos na laje de betão.