1. DEFINISJONER 3 2. BALLASTENS FUNKSJON 5 2.1 BALLASTENS SENTRALE FUNKSJONER 5 2.2 FORDELING AV VERTIKALE KREFTER 5 2.2.1 KONTAKTSPENNINGER SVILLE/BALLAST 6 2.2.2 MAKSIMAL SPENNING I BALLASTEN 6 2.3 REDUKSJON AV VIBRASJONER 6 2.4 STABILT FUNDAMENT 7 2.5 DRENERING OG AVRENNING 9 2.6 JUSTERING AV SPORGEOMETRI OG SPORFEIL 9 3. KRAV TIL BALLASTMATERIALE 10 3.1 GENERELT 10 3.2 KORNFORDELING OG FINSTOFFINNHOLD 10 3.3 RENHET 11 3.4 KORNFORM 11 3.5 SLITESTYRKE 11 3.6 BERGART 11 3.7 RÅSTOFF 12
1. DEFINISJONER Oppgave Ballastens primære oppgave er å overføre de vertikale kreftene fra svillene og videre ned i undergrunnen. Dette skal skje på en slik måte at kontaktspenningene mellom sville og ballast, spenningene i ballasten og spenningene i kontaktflaten ballast/planumsmateriale holdes innenfor akseptable grenser. Ballastens sekundære oppgave er å gi sporet en god sidestabilitet og dermed bidra til å hindre solslyng. I tillegg stilles det krav til ballastens fjærende egenskaper, spesielt i spor med betongsviller. For at ballasten skal ha de riktige egenskapene, må det stilles krav til dens lastfordelende evne, dens drenerende evne, ballastmaterialets styrke, kornfordeling, renhet, form og ballastens tykkelse og bredde. Flere av kravene ovenfor står i avhengighet til grunnforholdene på stedet. Definisjon Ballasten kan defineres som det lastfordelende laget mellom svillene og undergrunnen eller et eventuelt forsterkningslag, se figur 5.1. Ballasten skal fylle svillemellomrommet samtidig som det stilles krav til skulderbredde. Figur 1 Ballasten plassering i overbygningen Ballasthøyde Nye spor i Norge bygges med en ballasthøyde på 75 cm (UIC60-spor) eller 70 cm (øvrige spor). Ballasthøyden defineres som høydeforskjellen fra overkant laveste skinne ned til underkant ballast. Ballastprofilet bygges opp med et øvre og nedre ballastlag. Nedre ballastlag legges ut i et lag opp til et nivå som ligger 50 cm under laveste skinne. Dette laget komprimeres lett uten at materialene nedknuses og berøres normalt ikke ved drift og vedlikehold. Det øvre ballastlaget legges ut ved hjelp av pukkvogner etter at sporet er bygget og inkluderer også evt. etterfylling etter at sporet er justert. Minimum ballasttykkelse målt fra underkant sville til underbygning er 30 cm. Normalt består ballasten av pukk, men grus kan også forekomme på mindre trafikkerte baner. Tidligere var grus så å si enerådende som ballast. Grus har en del mindre gode egenskaper brukt som ballast. Den er ofte sandig og 3
derfor vanskelig å pakke. Ofte er det vanskelig å finne god nok grus. Dersom grusen er svak, blir den fort nedslitt og må skiftes ut. I tillegg kommer støvplagen. Vedlikehold av grusballast blir derfor fort kostbart. Etter 1960 er det meste av grusballasten skiftet ut med pukk i Norge. Pukk fyller kravene til ballast bedre og krever mindre vedlikehold. 4
2. BALLASTENS FUNKSJON 2.1 Ballastens sentrale funksjoner Funksjoner De mest sentrale funksjonene til ballasten er: utgjøre fundament for skinnegangen og overføre vertikale krefter fra trafikken fra svillene og videre nedover i undergrunnen redusere vibrasjonene fra togtrafikken sikre stabilt underlag for svillene og motstå forskyvning (på langs og tvers) av skinnestigen sikre drenering og hurtig avrenning fra sporet gi gode forhold for justering av sporgeometri og sporfeil Funksjonene nevnt ovenfor kan være motstridende med hensyn på enkelte aspekter da ballastpukken ikke fullt ut kan oppfylle alle funksjonene samtidig. For å oppnå god bæreevne og stabilitet av skinnestigen vil det f.eks. være behov for ballast som er velgradert og kompakt. Ballast med disse egenskapene vil imidlertid redusere ballastens drenerende evne og vanskeliggjøre justering av sporet ved dårlig sporgeometri og mange sporfeil. Krav til ballasten må derfor basere seg på kompromiss mellom de ulike funksjonene. Andre viktige funksjoner ballasten har, er: hindre telehiving ved å være et frostisolerende lag hindre vegetasjonsinntrengning i sporet dempe støy fra passerende tog 2.2 Fordeling av vertikale krefter Vertikale krefter Ballasten skal overføre vertikale krefter fra svillene og ned til undergrunnen. Ballasten må ha tilstrekkelig tykkelse for å unngå for store ballastspenninger, som kan føre til knusing av ballastmateriale og sviller og for store spenninger på underbygningen. For høye og ujevne spenninger mot en svak undergrunn vil medføre oppumping av finstoff og forurensing av ballasten. For høye ballastspenninger ved hard undergrunn medfører nedknusning av ballasten og forurensning med finstoff. Forurensningen medfører at ballastens bæreevne svekkes vesentlig og en får setninger og lav sporjusteringsstandard. Overføring av vertikale krefter skal skje på en slik måte at kontaktspenningene mellom sville og ballast, spenningene i ballasten og spenningene i kontaktflaten ballast/planumsmateriale holdes innenfor akseptable grenser. 5
2.2.1 Kontaktspenninger sville/ballast Vertikale krefter fordeles som et ballasttrykk mot svillens underside. Den jevnt fordelte spenningen vil aldri overskride betongmaterialets styrke mht. nedknusing. Et spesielt problem i betongsvillespor på hard undergrunn er at en kan få så høye kontaktspenninger mellom sville og de enkelte steinene i ballasten at betongsvillenes underside knuses. Problemet er altså kontaktspenningen mellom hver enkelt stein i ballasten og svillens underside. Dersom den jevnt fordelte spenningen er høy, f.eks. ved meget hard undergrunn (høyt ballastsiffer), kan kontaktspenningen bli så stor at betongen og/eller steinmaterialet slites og ballasten forurenses. På denne måten kan det oppstå vaskesviller pga. nedknust betong rundt svillene. Svillene kan dessuten bli så svekket pga. slitasjen at de ikke tåler de belastningene de utsettes for fra trafikken. 2.2.2 Maksimal spenning i ballasten Kontaktspenninger Ballastspenninger Ballastspenningene influeres av størrelsen på svillenes opplagringsflater, ballastens tykkelse og grunnens stivhet, dvs ballastsifferet C. Ballastspenningene skal som en tommelfingerregel helst ikke overstige 0,3 Mpa dersom en skal unngå problemer med setninger og dermed økt vedlikeholdsbehov. Et kritisk tilfelle er tynt ballastlag på hard undergrunn. Erfaringsmessig er det tilstrekkelig med ballastlag på 30 cm under svilleunderkant dersom ballasten er ren og av god kvalitet. 2.3 Reduksjon av vibrasjoner Vibrasjoner Rystelser i forbindelse med togpassering forplanter seg til alle sider fra alle vognene i toget. Ved togpassering vil banelegemet vibrere. Sjenanse eller skade på hus i nærheten vil avhenge av om disse vibrasjonene har anledning til å forplante seg i undergrunnen og fram til huset. Vibrasjoner ved framføring av rullende materiell er avhengig av jernbanesporets utførelse, med ballast, underbygning med evt steinfylling ol samt grunnforhold på stedet. Problemer kan opptre når jernbane og hus ligger på bløte masser som f.eks. leire. Dette skyldes at disse massene lett forplanter og i visse tilfeller forsterker rystelsene generert av toget, noe som har sin årsak i at også undergrunnen har sine egenfrekvenser og resonansfenomener, se figur 2. 6
Figur 2 Forhold som lagdeling kan forverre vibrasjonsforholdene betydelig Demping av vibrasjoner For å dempe vibrasjonene er det nødvendig å konstruere spor med mindre stivhet og større elastisitet. For bane fundamentert til fjell eller på betongkonstruksjon (f.eks. bruer) kan det benyttes ballastmatter lagt på et avrettingslag av betong i formasjonsplanet. Eventuelt kan mattene limes til svillenes underside. For å ivareta de jernbanetekniske krav til sikker framføring må mattene ha en minste stivhet uttrykt ved den statiske stivhet som funksjon av aksellast og hastighet. 2.4 Stabilt fundament Sidemotstand Skulderbredde Ballastens bredde og ballastmengden i mellomrommet mellom svillene har en vesentlig betydning for sporets sidemotstand. Ballastens sidemotstand skal hindre utknekking og solslyng på grunn av trykkspenninger i skinnene om sommeren. Ballasten skal også hindre at sporet f.eks. flyttes ut i kurver grunnet belastning og krefter ved togpassering. Når sporet flytter seg ut i en kurve vil nøytraltemperaturen gå opp og faren for skinnebrudd om vinteren vil øke. Skulderbredden er en kritisk faktor for sporets sidemotstand. I Jernbaneverkets regelverk er minimum skulderbredde satt til 40 cm. Skulderbredden skal økes i kurver med mindre radius enn 500 m for tresviller og 400 m for betongsviller. I figur 3 er sidemotstand som funksjon av skulderbredde og form på skulderen vist. Resultatene bygger på praktiske forsøk utført av European Rail Research Institute (ERRI). 7
Figur 3 Sidemotstand som funksjon av skulderbredde og form på skulderen Figuren viser at økt bredde på ballastskulderen virker positivt, men enda viktigere er skulderens form. En opphopning av ballast på skulderen virker meget positivt på sidemotstanden. Følgende eksempler viser dette: En økning av skulderbredden fra 40 til 55 cm betyr en økning av sporets sidemotstand på ca 10 % En økning av høyden på ballastskulderen fra 0 til 10 cm betyr en økning av sporets sidemotstand på ca 20 % Et spesielt problem er varierende skulderbredde i kurver. Forsøk har vist at hvis skulderbredden over en lengde på bare 5 6 m er vesentlig mindre enn i resten av kurven, vil virkningen bli at sidestabiliteten reduseres i hele kurven. Dette gjelder spesielt kurver med liten radius (R < 500 m). Liten planeringsbredde Svillemellomrom På baner som er bygd med liten planeringsbredde, f.eks. ombygde smalsporbaner, er det ofte ikke plass til tilstrekkelig skulderbredder. Når en forsøker å fylle på ballast for å oppnå tilstrekkelig skulderbredde vil ballasten renne nedover fyllingen. Muligens oppnår en tilstrekkelig bredde, men ballastkanten får meget dårlig støtte og ligger i for bratt vinkel slik at den blir ustabil. I slike tilfeller bør en vurdere tiltak som fyllingsutvidelser, sporsenkninger og spesielt godt kontrollopplegg for nøytraltemperaturen. Ballastmengden i svillemellomrommet er en viktig faktor for sporets sidemotstand. I figur 5.5 er innvirkningen på sidemotstanden ved fjerning av ballast i svillemellomrommene vist. 8
Figur.4 Innvirkning på sidemotstand fra ballasten i svillemellomrommene Figuren viser at det er svært viktig for sporets totale sidemotstand at det er tilstrekkelig ballast i svillemellomrommene. Ved tilstrekkelig ballast i svillemellomrommene utgjør denne sidemotstanden 40 50 % av total sidemotstand i spor med tresviller og ca 30 % i et spor med betongsviller. 2.5 Drenering og avrenning Drenering Ballasten må være tørr for ikke å miste en del av bæreevnen. Vann må renne unna og ikke bli stående i ballasten. Ballasten må derfor være porøs og ligge fritt over planum. Ballastlaget må ikke dekkes med tette masser på sidene. I spesielle tilfeller kan det være behov for å legge opp en ekstra ballastkant. Denne ballastkanten må være av et materiale som slipper vann lett gjennom 2.6 Justering av sporgeometri og sporfeil Konsistens Ballastpukk som tilfredsstiller de krav som er satt, har en konsistens som gir gode forhold for å utføre vedlikeholdsoppgaver som skinnebytte, svillebytte, ballastrensing og justering av sporet i etterkant av disse vedlikeholdsoppgavene. Videre har ballastpukk som tilfredsstiller de krav som er satt, en slik konsistens at baksing og pakking av sporet kan utføres når fastsatte krav til justeringsstandard ikke tilfredsstilles. 9
3. KRAV TIL BALLASTMATERIALE 3.1 Generelt Krav De kravene som stilles til ballasten mht lastfordelende evne og bidrag til sporets sidemotstand, medfører at det må stilles krav til selve materialet. Et materiale med høy indre friksjon er nødvendig. Pukkballast med kubisk form og skarpe kanter oppfyller disse kravene best. Under beskrives krav som stilles til pukkballast i Norge, noen andre land og CEN. Fullstendig oversikt over JBV sine krav til ballastpukk finnes her: https://trv.jbv.no/ts/overbygning/ballast 3.2 Kornfordeling og finstoffinnhold Kornfordeling Kravet til kornfordeling er et kompromiss som skal sikre god vannavrenning og god bæreevne. Det kreves at kornfordelingen er noenlunde jevn (velgraderte materialer) for å sikre god pakking (de små kornene kiler seg inn mellom de større) og dermed god bæreevne. For å sikre at ikke dreneringen blir dårlig, kan imidlertid ikke minstestørrelsen være for liten. Begge disse kravene må tilfredsstilles. Under er det vist krav til normal ballast i ulike land: Jernbaneverket, Norge 25 63 mm Banverket, Sverige 32 63 mm (ballastkl. 1) VR (Finske Statsbaner) 32 64 mm Banestyrelsen, Danmark 32 45 mm Figur 5 Grensekurve for tillatt kornfordeling av ballast JBV 10
3.3 Renhet Renhet Pukken skal være fri for jord, vekstrester, organiske materialer og andre kvalitetsforringende bestanddeler, f.eks. metallisk eller plastisk materiale. Innhold av slike bestanddeler vil forandre ballastens dynamiske og drenerende egenskaper. 3.4 Kornform Kornform Materialets kornform har stor betydning for materialets pakkingsegenskaper og stabilitet etter justering av sporet. Det skilles mellom kubisk, flisig (flat) og stenglig (langstrakt) form på steinene. Kubiske steiner med skarpe kanter er den mest ideelle form, mens flisig og stenglig form er uønsket. Stor andel flisig og stenglig materiale gir små kontaktflater for overføring av krefter mellom kornene. Flisig pukk som f.eks. blir stående på høykant etter pakking, vil pga. vibrasjonene under toggang etter hvert legge seg flatt og brekke i stykker. Dette resulterer i setninger og ujevnt spor samtidig som ballastens fjærende virkning blir dårlig. Dette fører igjen til hyppigere behov for rensing av ballasten. Jernbaneverket stiller krav til kornform gjennom en formindeks i henhold til standarden EN 13450. Ballasten som leveres skal være i kategori SI 20, noe som tilsvarer at maks 20% av ballastens masse kan bestå av stein hvor lengden er mer enn 3 ganger tykkelsen 3.5 Slitestyrke Slitestyrke Slitestyrken beskriver materialets motstand mot nedknusing og slitasje. Stor motstandsevne mot nedknusing og slitasje er vesentlig for ballastpukk. I ulike land benyttes forskjellige metoder for å undersøke steinmaterialenes motstand mot slitasje. Los Angeles-test og den britiske Mill Abrasion test er to eksempler på testprosedyrer hvor slitasje som steinmaterialet blir utsatt for i sporet simuleres ved rotasjon i trommel. I Finland er det f.eks. satt krav til sprøhetstall (fallprøve). I Norge testes materialets slitestyrke i den såkalte Los Angeles-maskinen. Jernbaneverkets krav til slitestyrke er LA RB 20 når ballasten testes med Los Angeles test. 3.6 Bergart Til framstilling av ballast i Norge er det brukt ca 20 forskjellige bergarter. Granitt og gneis brukes mest (over 50 %). Tekstur Et viktig moment for slitestyrken er bergartens tekstur. Dette er mineralkornenes form, størrelse og orientering. I granitter danner kornene vel avgrensede flater som griper lite inn i hverandre. De ligger tilfeldig uten noen bestemt orientering og danner en masseformet tekstur. Diabaser og basalter 11
inneholder langstrakte korn av pyroksen og hornblende. Når de griper inn i hverandre, oppstår et kraftig armeringsnett som danner en diabastekstur. Slike bergarter gir en meget slitesterk ballast. Bergarter Basalt, gabbro, hornfels, mørke sparagmitter og kvarts-sandsteiner er de mest slitesterke bergartene. I mellomklassen kommer amfibolitter og gneiser, mens visse typer granitter og syenitter er blant de minst slitesterke som godkjennes. Granitt kan ha stor variasjon i mineralsammensetning og må derfor kontrolleres nøye. For stor andel av enkelte mineraler, f.eks. feltspat, øker bergartens sprøhet og dermed nedknusningen i sporet. Generelt er kloritt og kalk- og klorholdige bergarter ugunstig å bruke som ballastmateriale. Bergarter med høyt innhold av malm kan få store indre spenninger fordi malm har høyere varmeutvidelseskoeffisient enn øvrige materialer. Magnetkis og andre sulfidmaterialer kan framskynde forvitringsprosessene. I bergarter som inneholder kalsiumkarbonat, f.eks kalkstein, kan finstoffet etter nedknusing ha en sementerende effekt på ballaststrukturen. I ferdig framstilt pukk vil det være en viss sammenheng mellom bergart og kornform. Mindre slitesterke bergarter som granitter har gjerne en god kubisk form, mens de slitesterke som basalter har en dårligere kornform. Kornformen påvirkes av bergartens tekstur, struktur og kornstørrelse. Også de geologiske forhold under og etter bergartsdannelsen, som flytestrukturer, oppsprekking, lagdeling og skifrighet er avgjørende faktorer. Stor sprekketetthet gjør bl.a. at steinene under nedknusingen lett spaltes opp etter sprekkeflater. Kornformen vil være mer eller mindre avhengig av sprekkemønstrene, idet parallelle sprekker gir tendens til flisighet, mens kvadratiske rutemønstre gir kubisk form. 3.7 Råstoff Som råstoff i produksjonen av ballastpukk kan det brukes enten fast fjell eller steintipp (tunnelmasser i depot). Vanligvis brukes fast fjell som sprenges ut. Steintipper er en del brukt, men sluttresultatet kan bli av mindre god kvalitet siden en har mindre kontroll over råstoffet. Ved nye bergarter undersøkes først bergarten i felt. Deretter tas en viss mengde ut for knusing og den riktige fraksjonen tas ut for å testes med hensyn til slitestyrke og ønsket kornform. Ved undersøkelse/godkjenning av eksisterende pukkverk, kontrolleres først steintaket og bergarten, deretter hele verket med knusere og sikt. 12
LITTERATURHENVISNINGER 1. Hallstein Gåsemyr - Ballast, Notat til Nordisk Baneteknisk Ingeniørutdannelse, (1997) 2. Per Herman Sørlie Krefter i helsveist spor, Notat til fag Jernbaneteknikk VK ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU i Trondheim, (1992) 3. Jan Holme Vibrasjoner fra jernbanen, Notat til fag Jernbaneteknikk VK ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU i Trondheim, (1995) 4. Alf Helge Løhren Sporbytte og ballastrensing, Notat til fag Jernbaneteknikk VK ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU i Trondheim, (1995) 5. Vassilios Profillidis - Railway Engineering, (1995) 6. Ernest T. Selig and John M. Waters Track Geotechnology and Substructure Management, (1994) 7. Sebastiano Lombardo Vurdering av Jernbaneverkets metoder for kontroll av ballastmaterialer, Prosjektoppgave ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, NTNU i Trondheim, (1998) 8. Jernbaneverket Teknisk regelverk, Overbygning, Regler for prosjektering, JD 530 (1998) 9. Jernbaneverket Teknisk regelverk, Overbygning, Regler for bygging, JD 531 (1998) 10.Jernbaneverket Teknisk spesifikasjon - Ballastpukk, https://trv.jbv.no/ts/overbygning/ballast 11.Nordisk Bro og Geoteknisk samarbeid Temarapport: Ballast, (1997) 12.Statens vegvesen - Laboratorieundersøkelser, Håndbok 014, (1997) 13
STIKKORDREGISTER B ballasthøyde 3 ballastsiffer 6 ballastskulderen 8 Bergarter 12 bæreevne 5; 10 F flisighet 11; 12 funksjonene 5 K kontaktspenninger 6 kornfordeling 3; 10 kornform 11; 12; 13 kravene 3; 4; 10 L Los Angeles-test 12 M Mill Abrasion 12 P planeringsbredde 8 planum 9 pukk 3; 11; 12 R Renhet 11 råstoff 13 S sidemotstand 7; 8; 9; 10 sidestabilitet 3 skulderbredde 3; 7; 8 slitestyrke 12; 13 svillemellomrommet 3; 8 T tekstur 12 V vedlikeholdsoppgaver 9 vibrasjonene 5; 6; 7; 11 N nedknusing 6; 12 14