Simulation punktueller Instabilitäten infolge plastischer Verformungen im Unterbau/Untergrund unter dynamischer Belastung durch Eisenbahnverkehr (EPIB 1.2)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der durch zyklische und dynamische Belastungen verursachte Eintrag von Feinanteilen aus bindigen wassergesättigten Bodenschichten in das Schotterbett und die damit einhergehende Schotterverschmutzung werden bei in konventioneller Schotterbauweise hergestellten Eisenbahnfahrwegen als ein maßgebender Prozess bei der Entstehung von punktuellen Instabilitäten angesehen. Die kontinuierliche Reduktion der Scherfestigkeit und Steifigkeit sowie die Abnahme der hydraulischen Durchlässigkeit des Eisenbahnschotters führen folglich zu einer progressiven Verschlechterung der Gleislage. Mit gekoppelten bodendynamischen (EPIB 1.2) und gleisdynamischen (EPIB 1.1 und EPIB 2) numerischen Simulationsmodellen konnte der Entstehungsprozess und die Auswirkungen einer punktuellen Instabilität phänomenologisch modelliert und umfangreich untersucht werden. So konnte z.B. gezeigt werden, dass bei einer entstehenden punktuellen Instabilität während der Zugüberfahrt wechselnde Porenwasserüber- und -unterdruckbereiche im Schotterbett entstehen, während sich hingegen im bindigen Boden Porenwasserüberdrücke akkumulieren. Diese Prozesse können generell eine Mobilisierung und Transport der Feinanteile in das Schotterbett ermöglichen. In der weiteren Untersuchung und physikalisch begründeten Simulation dieser Prozesse, welche mit Entfestigungsprozessen und Strukturänderungen des bindigen Untergrunds sowie einer kontinuierlichen Verschmutzung des Gleisschotters einhergehen, liegt weiterer zukünftiger Forschungsbedarf. Die hochwertige stoffliche Modellierung mit hypoplastischen Stoffgesetzen für rollige und bindige Böden ermöglichte zudem eine realitätsnahe Ermittlung elastischer und plastifizierender Bereiche in Ober- und Unterbau, was unter anderem die numerische Nachrechnung von im untersuchten Gleisbereich durchgeführten Feldmessungen (EPIB 2) belegt. Auf eine im Forschungsantrag ursprünglich angedachte Verwendung des HCA-Modells wurde verzichtet, da für die Charakterisierung entstehender punktuellen Instabilitäten vor allem die impliziten Zyklen respektive Verformungs-Zeit-Verläufe des Überrollvorgangs (belastete Gleislage) entscheidend sind. Mit den validierten dreidimensionalen dynamischen Kontinuumsmodellen wurde die belastete Gleislage für unterschiedliche Zugtypen und Schotterverschmutzungsgrade ermittelt und an der Schnittstelle Schienenoberkante (Modell 1) bzw. Schwellenunterkante (Modell 2) an das Teilprojekt EPIB 2 übergeben. Anhand dieser für punktuelle Instabilitäten typischen Systemantworten wurden in einer weiteren Mehrkörpersimulation (EPIB 2) Achslagerbeschleunigungssignale ermittelt und so in Teilprojekt EPIB 1.1 mittels Analyse und Klassifizierung eine Bewertungsgrundlage für das übergeordnete Ziel eines Früherkennungsindikators für punktuelle Instabilitäten geschaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Frühzeitige Detektion von punktuellen Instabilitäten am Bahnkörper“. Der Eisenbahningenieur (EI), Heft 12/2018, pp. 32-35, 2018
N. Lillin, S. Rapp, S. Freudenstein, U. Martin, Ch. Moormann
