Compaction and its influence on the structural behaviour of high speed railways

Abstract

Important aspects that govern railway embankments, namely, high–speed railways are, on one hand, the strict requirements during construction (material quality, state parameters and mechanical properties limits) associated with generally relatively short construction time available and, on the other hand, the strict requirements on residual settlements concerning serviceability conditions, which are inherent to mechanical performance of embankment layers during and after construction. Therefore, performance based tests should play an important role through an integrated design process starting from site investigation, design, construction and maintenance. In this context, full scale trials assume great importance to establish a methodology either on the establishment of compaction conditions and on promoting continuous stiffness evaluation, aiming to meet high quality requirements and reduce construction time. This is developed through this study involving advanced laboratory and field investigations of different materials. A laboratory test campaign was performed on two materials, a clayey sand and a crushed aggregate employed in field investigation. Void ratio was fixed for each material and molding water content was varied in order to reproduce in situ state conditions. Strength and stiffness were determined by means of triaxial tests. Focus was given to hydro–mechanical behaviour on the very small and large strain domain of clayey sand due to non negligible fine fraction. Results showed marked influence of molding water content on the hydro–mechanical behaviour of both clayey sand and crushed aggregate, yet being stronger on the former material. Field investigation involved two full scale trials, a railway and a road trial embankments. In the railway trial embankment the same materials studied on the laboratory investigation were employed. Construction of trial layers with different thicknesses (0.22, 0.30, 0.40 and 0.50m) and different moisture contents (2% dry of optimum, optimum and 2% wet of optimum Modified Proctor) were carried out and state conditions and mechanical properties were evaluated for several energy levels. Focus was given to mechanical evaluation through spot and continuous test methods. Moisture content was found to strongly influences mechanical performance, rather than density, thus reflecting suction effect on mechanical properties. Comparison between laboratory and field results proofs results consistency. Further, continuous mechanical evaluation by means of Portancem` etre represents a great improvement on quality control/quality assurance (Qa/Qc) of compacted layers. In road trial embankment another two materials were employed, which laboratory investigation was conducted in the aim of another doctoral thesis. Construction of trial layers with different thicknesses (0.30, 0.40 and 0.50m) but with similar moisture contents were carried out and, likewise to railway trial embankment, state conditions and mechanical properties were evaluated for several energy levels. Moisture content was found have unnoticeable influence on moduli for the range of moisture content verified in situ. Conversely, dry density seems to influence mechanical properties, as long as moisture content does not vary significantly. Comparison between full scale trial and laboratory results yielded small differences. This results along with the ones obtained from railway trial embankment assumes great importance taking into account that design is based on mechanical properties usually determined from laboratory tests. Parallel to this study, an experimental program was carried out on road embankment to monitor, on one hand, layer in–ground vibrations during application of impact loads and vibrating loads and, on the other hand, to monitor roller drum roller during compaction seeking to explore the relationship between loads and underlying material mechanical properties. Accelerometers and strain gauges were buried on the capping layer enabling measurement of dynamic response and total strains. In–ground dynamic response reflect a single modulus, though different moduli obtained from dynamic tests performed at layer surface. Further, vertical drum behaviour was found to be sensitive to changes in underlying material stiffness and to be related with in–ground dynamic response.

Os aspectos importantes que governam os aterros ferroviários, nomeadamente linhas férreas de alta velocidade, são, por um lado, os elevados requisitos durante a construção (qualidade dos materiais, limites para as condições de estado e para as propriedades mecânicas) associadas a um tempo de construção reduzido e, por outro lado, os elevados requisitos relativos aos assentamentos residuais durante as condições de serviço, que são inerentes ao comportamento mecânico durante e após a construção. Assim, a avaliação mecânica através de ensaios mecanicistas deverá desempenhar um papel preponderante num processo que integra a prospeção, o projecto, a construção e a manutenção. Neste contexto os aterros experimentais assumem grande importância quer na definição das condições de compactação, quer na promoção do controlo de compactação em contínuo visando atingir os elevados requisitos de qualidade e a redução do tempo de construção. Tal é desenvolvido no presente estudo que envolve a investigação avançada em laboratório e em campo de diferentes materiais. A campanha de laboratório foi realizada sobre dois materiais, uma areia argilosa e um agregado britado, utilizados na investigação de campo. O ´índice de vazios foi fixado para cada material tendo-se feito variar o teor em água de modo a reproduzir as condições de estado em campo. Os parâmetros de resistência e de rigidez foram determinados através de ensaios triaxiais. Foi dado especial enfoque ao comportamento hidro–mecânico no domínio das muito pequenas e grandes deformações da areia argilosa devido à fracção fina não negligenciável. Os resultados obtidos mostram clara influência do teor em àgua no comportamento hidro–mecânico de ambos os materiais, sendo essa influência mais evidente na areia argilosa. O estudo de campo compreendeu dois aterros experimentais, um aterro ferroviário e um aterro rodoviário. Os mesmos materiais estudados em laboratório foram utilizados no aterro ferroviário. Procedeu-se `a construção de camadas experimentais com diferentes espessuras (0.22, 0.30, 0.40 and 0.50m) e diferentes teores em ´agua (2% do lado seco do ótimo, ótimo e 2% do lado húmido do ótimo em relação ao Proctor Modificado) e `a avaliação das condições de estado e do comportamento mecânico para vários n´níveis de energia. Especial enfoque foi dado `a avaliação mecânica através de ensaios pontuais e contínuos. Os resultados mostraram grande influência do teor em água, maior do que a influência da densidade, no comportamento mecânico dos materiais o que reflete o efeito da sucção nas propriedades mecânicas. A comparação entre os resultados de campo e de laboratório confirmou a consistência dos mesmos. Para além disso, concluiu-se que a avaliação mecânica em contínuo por meio da utilização do Portancemètre representa um progresso significativo no controlo/garantia de qualidade das camadas compactadas. O aterro experimental rodoviário envolveu a utilização de dois materiais, cujo estudo laboratorial foi desenvolvido no âmbito de outra tese doutoral. As camadas experimentais foram construídas com diferentes espessuras (0.30, 0.40 and 0.50m), mas com teores em ´agua semelhantes e, assim como para o aterro ferroviário, as condições de estado e o comportamento mecânico foram avaliados para vários n´níveis de energia. Para os teores em ´agua encontrados em campo verificou-se que o teor em ´agua teve pouca influência no módulo das camadas. Pelo contrário, a densidade seca parece influenciar as propriedades mecânicas, desde que não se verifique uma grande variação do teor em água. A comparação dos resultados de campo com os de laboratório mostraram pequenas diferenças. Na linha do concluído para o aterro experimental ferroviário, estes resultados assumem grande importância se se tiver em conta que o projecto tem por base as propriedades mecânicas dos materiais determinadas em laboratório. Paralelamente a este estudo, no aterro rodoviário realizou-se um programa experimental visando, por um lado, a monitorização de vibrações em profundidade durante a aplicação de cargas de impacto e visando, por outro lado, a monitorização do rolo do cilindro procurando explorar a relação entre as cargas aplicadas e as propriedades mecânicas. Acelerómetros e extensómetros foram instalados em profundidade na camada de leito de pavimento permitindo a medição da resposta dinâmica e das extensões totais. A resposta dinâmica em profundidade reflete um único módulo, apesar de diferentes módulos obtidos através dos ensaios dinâmicos realizados à superfície. Para além disso, verificou-se que o comportamento do rolo do cilindro é sensível à mudança de rigidez do material e que está relacionado com a resposta dinâmica em profundidade.