Schubmodulbestimmung von Gleisschotter auf Basis von Messungen während der dynamischen Gleisstabilisation

Abstract

Der Dynamische Gleisstabilisator (DGS) dient der (erneuten) Schotterverdichtung im Anschluss an Stopfarbeiten zur Gleislagekorrektur. Die Schotterverdichtung mit dem DGS bewirkt in erster Linie eine Erhöhung des Querverschiebewiderstands, was mit einer erhöhten (Schub-)Steifigkeit des Schotters einhergeht. Die Schubsteifigkeit des Gleisschotters kann als verzerrungsabhängiger Schubmodul G ausgedrückt werden. Im Rahmen der vorgestellten Forschungsarbeit wurden zwei unabhängige Verfahren zur Ermittlung des (verzerrungsabhängigen) Schubmoduls entwickelt. Das erste Verfahren basiert auf Druckmessungen an der Schotterunterkante, welche an einem örtlich festen Messquerschnitt (Messschwelle) durchgeführt wurden, sowie auf einer linearisierten Abschätzung der Schubverzerrungen der Schotterschicht mithilfe von Beschleunigungsmessungen an der Schotterober- und -unterkante. Durch Verwendung einer empirischen Gleichung (Hardin-Gleichung für grobkörnige Böden) ist es möglich mithilfe der Sieblinie des Gleisschotters, den Schubmodul für (sehr) kleine Schubverzerrungen abschätzen. Werden z.B. während einer Überfahrt mit dem DGS mit kleiner werdendem Abstand zwischen DGS und Messquerschnitt immer größere Schubverzerrungen aktiviert, so nimmt der Schubmodul des Schotters ab. Diese Verzerrungsabhängigkeit des Schubmoduls kann mithilfe einer weiteren empirischen Gleichung nach Hardin anhand der messtechnisch ermittelten Schubverzerrungen und Drücke berücksichtigt werden, um daraus Schubmodulverlaufskurven zu generieren. Die ermittelten Verlaufskurven stimmen qualitativ mit den Verlaufskurven von anderen Autoren überein, was das Potential der entwickelten Methode hinsichtlich einer möglichen dynamischen Charakterisierung des Gleisschotters auf Basis dieser Verlaufskurven belegt. Dem zweiten Verfahren liegt eine Modellierung des Gleisrosts als harmonisch angeregter Einmassenschwinger zu Grunde. Hierfür wird der DGS als (unbekannte) harmonische Belastung des Gleisrosts an der Schienenoberkante modelliert, wobei der Gleisrost selbst als Maschinenfundament (mit zugehörigem Feder- Dämpferelementen auf Basis des Einmassenschwinger-Analogons nach Lysmer und Hall) betrachtet wird. Die dynamisch aktivierten Massen bzw. Massenträgheitsmomente sowie die Abmessungen dieses Maschinenfundaments werden mithilfe von Einflusslinien und Faltungsintegralen berechnet. Durch einen Optimierungsprozess mit sorgfältiger Wahl der Startwerte können die unbekannten Eingangsgrößen (Erregerkraft, Erregermoment und Schubmodul des Gleisschotters) abgeschätzt werden. Die rückgerechneten Schubmoduln bewegen sich sowohl für lockerere als auch für dichtere Lagerungsbedingungen des Gleisschotters innerhalb realistischer Bandbreiten womit diese Methode als Basis für die Entwicklung eines Systems zur Flächendeckenden Dynamischen Verdichtungskontrolle (FDVK) mit dem DGS dienen könnte.