High-speed trains on ballasted railway track : dynamic stress field analysis

Abstract

The analysis of ballasted railway structures still demands many improvements towards preceding an accurate estimate of its global behavior, i.e, towards reproducing the real performance of the materials and the structure. Furthermore, in the design process, ultimate/serviceability limit states and life cycle costs should be attended. As a result, a wide range of research works are being introduced. This work contributes to the improvement of these processes throughout laboratory and numerical experiments aiming to investigate (with particular emphasis) on the dynamic stress field analysis, particularly the characteristic stress paths followed by granular elements below a typical track structure under the passage of a High-Speed Train (HST). The experimental laboratory work allowed, by means of a high-precision cyclic triaxial stress-path apparatus, the definition of the elastic domain of a foundation soil. The numerical experiments were carried out using an elastic frequency domain model and an elastoplastic time domain model, validated with in situ data obtained by vibration measurements in a HST railway line. These numerical models were used to analyze the influence of stiffness of the foundation (elastic domain) and structural layers of railway granular materials (elastic or elastoplastic domains) in the stress field, clearly showing that the stress response is a function of the selected constitutive law. Furthermore, the linear elastic assumption for the foundation soil was found to be questionable, suggesting that further investigation is required.

A análise de estruturas ferroviárias balastradas exige melhorias que a tornem capaz de reproduzir o comportamento global, i.e., que seja possível a reprodução do desempenho real dos materiais e da estrutura. Além disso, no processo de dimensionamento, os estados limite de utilização/últimos e os custos de manutenção devem ser considerados. Como resultado, uma ampla gama de trabalhos de investigação está actualmente em curso. Este estudo contribui para a melhoria destes processos, através de experiências laboratoriais e numéricas que focam com particular ênfase o campo dinâmico de tensões induzido nas camadas granulares das estruturas ferroviárias, quando submetidas à passagem de um comboio de alta velocidade. O trabalho experimental laboratorial permitiu, por meio de um sistema triaxial cíclico de precisão capaz de aplicar qualquer trajectória de tensões, a definição do domínio elástico de um solo de fundação. Os trabalhos experimentais numéricos foram realizados utilizando um modelo elástico no domínio da frequência e um modelo elasto-plástico no domínio do tempo, validados com medições in situ de vibrações numa linha ferroviária de alta velocidade. Estes modelos numéricos foram usados para analisar a influência da rigidez da fundação (domínio elástico) e das camadas granulares estruturais da via ferroviária (domínios elástico ou elasto-plástico) no campo de tensões, mostrando claramente que a resposta é função da lei constitutiva seleccionada. Além disso, a assumpção de comportamento elástico linear para o solo de fundação é questionável, requerendo-se investigação adicional.