Experimentální měření.
Podpražcové podložky patří mezi moderní prvky železniční tratě, jejíž účelem je zlepšit její vlastnosti. Problematika podpražcových podložek je z pohledu aplikace v konstrukci železničního svršku často zkoumaným fenoménem, avšak při návrhu mostních konstrukcí bývá přehlížena. Prohloubením znalostí týkajících se funkce podpražcových podložek a jejich vhodným zohledněním společně s dalšími prvky koleje může vést ke zefektivnění návrhu železničního svršku a konstrukcí železničních mostů.
Pavel Vrba, Marek Foglar,
ČVUT v Praze, Fakulta stavební,
katedra betonových a zděných konstrukcí
Otto Plášek, Richard Svoboda,
VUT v Brně, Fakulta stavební,
Ústav železničních konstrukcí a staveb
Tento příspěvek shrnuje výsledky části experimentu, který je věnován se in situ měření příčného odporu koleje různými druhy podpražcových podložek. Bylo provedeno měření popisující odezvu koleje na vzorcích bez USP, s použitými tuhými a středně tuhými USP. Vzorky byly umístěny v přechodové oblasti mostu a na mostní konstrukci. Byla zkoumána konfigurace s polouzavřeným a uzavřeným kolejovým ložem. Měření příčného odporu bylo realizováno formou vytlačovací zkoušky pražce s kontinuálním měření síly a posunu.
Kolej osazená podpražcovými podložkami vykazuje větší hodnoty příčného odporu. Vliv USP na zvýšení příčného odporu koleje je patrný zpravidla u větších deformací. Pro konfiguraci s uzavřeným kolejovým ložem byly zjištěny větší hodnoty příčného odporu koleje. Dle výsledků měření nebyl nalezen prokazatelný vliv tuhosti nebo drsnosti podkladu kolejového lože.
Highlights
- Tuhé USP zvyšují příčný odpor koleje o 7-16 %.
- Středně tuhé USP zvyšují příčný odpor o 3-8 %.
- Uzavřené kolejové lože zvyšuje oproti polouzavřenému loži nárůst příčného odporu v průměru o 16,1 %.
- Vliv rozdílného podkladu lože není dle měřených hodnot prokazatelný.
- Pražcová kotva zvyšuje příčný odpor pražce o 30-43 %.
1. Úvod
Udržitelnost je aktuálním společenským tématem, který je platný i pro odvětví dopravy, včetně té železniční. Železniční stavitelství je vystaveno snahám o zefektivnění výstavby tratí ve smyslu enviromentálního dopadu, prodloužení životnosti konstrukcí a v neposlední rovině také prodloužení doby mezi údržbovými zásahy. V rámci těchto snah jsou v konstrukci koleje aplikovány inovativní prvky jako jsou podpražcové podložky (Under Sleeper Pads – USP), jejímž cílem je zvýšit odolnost a trvanlivost konstrukce koleje. Vlastnosti podpražcových podložek mohou mimo běžně uváděných benefitů také přispět k efektivnějšímu návrhu mostních konstrukcí ve smyslu interakce koleje a mostu [1].
Vzhledem k budoucímu masovému použití USP na železniční síti ČR (zejména použití na VRT) byl v zahájen experimentální program s cílem detailního popsání vlivu USP na odezvu koleje a podložení obecně platných hypotéz pomocí výsledků in situ experimentálního měření.
1.1. Motivace pro výzkum vlivu USP na vlastnosti koleje
Standardy, jimiž se řídí provozovatel dráhy v ČR (Správa železnic, státní organizace – SŽ) předpokládají použití bezstykové koleje (BK / CWR) na veškerých vysokorychlostních tratích (VRT / HSR) [2]. Dle závazných dokumentů SŽ se předpokládá použití podpražcových podložek v síti VRT, a to na základě řady pozitivních přínosů získaných na testovacích úsecích a dle ohlasů ze zahraničních výzkumů.
V nedávné době byly vydány dokumenty popisující možnosti použití USP a základní doporučení pro užití pro železniční svršek [3]. Navzdory publikovaným výhodám použití USP dosud nejsou k dispozici žádné technické pokyny týkající se jejich vlivu na příčný odpor koleje. Dle dokumentu IRS Railway Application – Track and structure – Under Sleeper Pads(USP) – Recommendations for Use [4] (International Railway Solutions) od mezinárodní železniční unie UIC je potřeba problematiku USP více prozkoumat.
Příčný odpor koleje je důležitý parametr pro zajištění bezpečnosti železniční tratě. Vlivem teplotních účinků dochází k nárůstu osových sil v bezstykové koleji, kde není umožněna teplotní dilatace kolejnic. Z řady publikací [5], [6], [7], [8], [9] vyplývá, že průběh křivky příčného odporu koleje zásadním způsobem ovlivňuje stabilitu BK proti vybočení, tj. vzpěrnou pevnost koleje.
Na mostech a v přechodových oblastech mostů dochází k dalším přírůstkům osových sil zapříčiněných teplotní dilatací mostní konstrukce, vlivem průhybu mostní konstrukce a vlivem brzdných a rozjezdových sil [1]. Pro zajištění stability koleje vůči výše uvedeným vlivům je důležité správně pracovat s hodnotou příčného odporu koleje, případně s celým průběhem příčného odporu koleje v závislosti na příčném posunu koleje. V současnosti jsou V ČR hodnoty příčného odporu koleje stanoveny pouze na úrovni interního předpisu národního provozovatele dráhy [10] jako hodnota příčného smykového odporu koleje, a to bez zahrnutí vlivu podpražcových podložek.
Častým tématem pro výzkum USP je šíření vibrací nebo vliv na dynamickou odezvu mostu [11], [12]. Z hlediska návrhu železničních mostů, respektive v rámci řešení problematiky interakce kolej-most, je dle dostupných výzkumných publikací vliv podpražcových podložek téměř opomíjeným tématem.
1.2. Pružné prvky v konstrukci koleje
Pružné prvky železničního svršku jsou prvky vkládané na rozhraní kolejnice/pražec, pražec/kolejové lože a kolejové lože/pláň železničního spodku, jejichž úkolem je zvýšit trvanlivost geometrie koleje, tlumit vibrace a snižovat hladinu hluku [13], [14]. Konkrétně se jedná o podložky pod patu kolejnice, podložky pod podkladnicemi nebo roznášecími deskami ve zpružněném uzlu upevnění, podpražcové podložky (USP) a antivibrační rohože rohože (UBM) pod kolejovým ložem nebo pod konstrukčními vrstvami železničního spodku.
Podložky pod patu kolejnice, podložky pod podkladnicemi nebo roznášecími deskami upevnění kolejnice na pražci jsou běžně používané komponenty s cílem snížení kontaktního namáhání mezi kolejnicí a úložnou plochou pražce, příp. podkladnice, zlepšit roznos zatížení po délce koleje na jednotlivé pražce s snížit dynamické namáhání mezi kolem kolejového vozidla a kolejnicí a následně také pražce. USP a UBM jsou komponenty, které jsou aktuálně používané především lokálně a pro konkrétní účely. UBM jsou plošné prvky na pláni železničního spodku, které se používají primárně ke tlumení přenosu vibrací do konstrukce železničního spodku a dále do okolí dráhy, zejména na stavby v blízkosti železniční trati. Tloušťka vrstvy USP je obvykle 5–20 mm díky čemu je umožněna kompatibilita s betonovými pražci při zachování konvenčních postupů pro stavbu a údržbu kolejí, zejména podbíjení koleje a čištění kolejového lože [13].
1.3. Funkce a použití USP
USP je vrstva pružného materiálu upevněná na ložné ploše pražců s cílem zlepšení nebo prodloužení žádoucího technického stavu trati. Použitím USP dochází ke zvětšení kontaktní plochy mezi pražcem a kolejovým ložem [15], [16], primárně tak dochází ke snížení kontaktního napětí. Dochází ke zlepšení roznášení zatížení pod pražcem i po délce koleje. Sekundární účinek větší kontaktní plochy je větší třecí plocha a větší součinitel tření, což se projevuje formou větší příčné tuhosti pražce.
Většina publikací se zaměřila na přístup USP ke zlepšení koleje z hlediska zmírnění dynamické rázové síly a zlepšení trvanlivosti geometrie koleje. Vlivem použitého materiálu USP dochází k plynulejší homogenizaci vertikální tuhosti koleje [17], která se projevuje ve schopnosti snížit náklady na údržbu v důsledku degradace geometrie koleje [14]. Formou řízení svislé tuhosti lze ovlivnit degradaci koleje vlivem sedání [18]. Tato forma řízení svislé tuhosti pražce může být použita také lokálně v oblasti výhybek a kolejových křížení, což vede k prodloužení životnosti těchto prvků [19]. Další způsob použití USP je v přechodových oblastech, pro plynulejší přechod mezi jednotlivými tuhostmi pláně železničního spodku [20], [21], [22], [23]. Dále byly nalezeny případy použití USP při snížené tloušťce kolejového lože nebo při osazení koleje na velmi tuhé podloží. V neposlední řadě lze USP použít za účelem snížení šíření vibrací. Pro toto použití lze volit měkké a velmi měkké USP s vhodnými vysokofrekvenčními tuhostními vlastnostmi, avšak oproti UBM je efekt nižší [24].
Některé publikace dochází k závěrům, že použití USP prokázalo dobré výsledky z hlediska potlačení rychlosti rozvoje skluzových vln na kolejnicích v obloucích malých poloměrů [25], [26]. Řada nalezených zdrojů se zabývá výzkumu USP z hlediska užitého materiálů [27], přičemž častým směrem je výzkum na téma použití materiálů recyklovaných.
Hlavními důvody použití podpražcových podložek snížení opotřebení součástí kolejového svršku, plynulejší distribuce tuhosti podloží, efektivnější přerozdělení zatížení a snaha o prodloužení intervalů údržby tratě. Naproti tomu, dle znění příslušných dokumentů může mít použití podložky s nevhodnými parametry i negativní důsledky [4].
V publikacích [13], [14], [25], [26], byly experimentálně prokázány výhody USP. Dle [13] dochází k 20–30% snížení sil přenášených na štěrkové lože a zvýšení bočního odporu o přibližně 9 % u kolejí s USP. Až na výjimky [5], [6] však neexistuje dostupná literatura o vlivu USP na příčný odporu koleje založené na plnohodnotných in-situ zkouškách [12], [28], [29].
1.4. Vymezení rozsahu experimentu
V tomto příspěvku jsou prezentovány experimentální výsledky shrnující 48 (resp. 58) zkoušek příčného odporu koleje provedených in situ na nově budované koleji. Byl zkoumán vliv USP podložek na betonových pražcích délky 2,6 m v oblasti železničního náspu a na skutečné mostní konstrukci. Odezva koleje byla měřena pro referenční vzorek pražce bez USP a pro dva typy USP. Podpražcové podložky byly voleny s tuhé a středně tuhé s ohledem na hodnotu jejich statické plošné tuhosti Cstat [4] a aplikovány byly na celou ložnou plochu pražce. Měření proběhlo ve dvou etapách podle uspořádání kolejového lože. Nejprve s polouzavřeným kolejovým ložem s uspořádáním pro vysokorychlostí tratě [2], [29], z hlediska hodnot příčných řezů je možné ho považovat za otevřené. Následně byly realizovány zkoušky pro uzavřené kolejové lože, které se běžné používá na mostních konstrukcích [34]. Pro měření příčného odporu byla použita metoda vytlačovací zkoušky uvolněného pražce bez zatížení.
Cílem této studie bylo popsat vliv použitých USP podložek na příčný odpor koleje. Motivací bylo stanovení změn v průběhu příčného odporu, dané užitím USP na pražcích. Dále bylo cílem stanovit, zda lze zohlednit zjištěné změny v příčném odporu při vyšetřování interakce kolej-most a také stanovit doporučení pro předpisy SŽ. V rámci dalších měření, které nejsou tématem této studie, byl zkoumán vliv USP na podélný odpor koleje a redistribuce svislého zatížení.
2. Experiment
2.1. Umístění a rozsah experimentu
Experimentální úsek je umístěn v rámci prostoru stavby „Modernizace trati Praha-Bubny (vč.) – Praha-Výstaviště (vč.)“, městské části Holešovice, na území hl. m. Prahy. Experimentální měření bylo dle zkoumaného fenoménu rozděleno na trojici úseků, km 412,2 trati Praha - Kralupy n. Vltavou.
Na neprovozovaných úsecích A a B proběhlo měření svislého roznosu zatížení, měření podélného odporu zatížené i nezatížené koleje a měření příčného odporu koleje. V rámci vzorku C bylo uvažováno s měřením podélného a příčného odporu provozované koleje.
2.2. Uspořádání experimentu
Celková délka experimentálního úseků A+B je 39,6 m a délka úseku C činí 29,9 m. Uspořádání zkušebních úseků A+B a C, včetně rozdělení na jednotlivé vzorky a jejich vystrojení viz následující schéma.
Jednotlivé vzorky úseku A+B mají délku 6,6 m, tzn. ekvivalent délky 11 ks pražců při rozdělení „u“, tj. vzdálenosti pražců 600 mm, osazených daným typem USP. Vzorky jsou symetricky uspořádány kolem mostního závěru opěry O2 železničního mostu.
Úsek C byl rozdělen na trojici vzorků o délce 9,2 m, tzn. ekvivalent délky 15 ks pražců (při rozdělení 611 mm), každý vzorek využívající jiný způsob zachování stability koleje.
Rozdělení zkušebních úseků dle použité USP:
- Úsek A = Předmostí
- Vzorek 1 = železniční svršek na zemním tělese bez USP
- Vzorek 2 = železniční svršek na zemním tělese „tuhá“ USP
- Vzorek 3 = železniční svršek na zemním tělese „středně tuhá“ USP
- Úsek B = Na mostě
- Vzorek 4 = železniční svršek na mostě (VRT) „středně tuhá“ USP
- Vzorek 5 = železniční svršek na mostě (VRT) „tuhá“ USP
- Vzorek 6 = železniční svršek na mostě (VRT) bez USP
- Úsek C = Provizorní trať
- Vzorek 7 = pražcové kotvy
- Vzorek 8 = bez pražcových kotev
- Vzorek 9 = kolejové lože pojené pryskyřicí
Vlivem změny postupu výstavby byl dotčen i harmonogram experimentu, kdy bylo nutné předčasně opustit vzorek C. Experimentální měření bylo uskutečněno na již připravených vzorcích 7 a 8. Měření příčného odporu kolejového lože pojeného pryskyřicí (vzorek 9) nebylo na daném zkušebním úseku z časových důvodů realizováno.
2.3. Vystrojení zkušebního úseku A+B
Dočasný zkušební úsek A+B je modifikací výhledového stavu železničního svršku v daném místě. Železniční svršek se skládá z kolejnice 60 E2, betonového pražce B 91 T/1 délky 2,6 m, bezpodkladnicového upevnění Vossloh W14. Pro účely experimentu byly do dílčích vzorků doplněny podpražcové podložky schválené pro použití v síti národního provozovatele železnice v ČR a upravena geometrie obrysu kolejového lože odpovídající požadavkům pro výstavbu vysokorychlostních tratí v ČR. Použitá tloušťka kolejového lože pod pražcem byla 350 mm. Konkrétní sestava pro jednotlivé vzorky viz následující tabulka. Pro omezení parazitních vlivů roznosu zatížení byly úseky realizovány bez převýšení (D = 0 mm). Kolej byla v požadované poloze hutněna pomocí ruční mechanizace. Kolejové lože na zkušebních úsecích A+B není konsolidováno železniční dopravou.
Tab. 1: Tabulka vystrojení zkušebního úseku A+B
Geometrie železničního svršku (obrys kolejového lože) byla volena dle „Manuál pro projektování VRT ve stupni DÚR“ [2]. Schématický řez železničním svrškem v experimentu viz následující obrázek. Nejprve byl měřen příčný odpor pražce s polouzavřeným kolejovým ložem (uspořádání „a“). Pro druhé měření byl tvar kolejového lože doplněn do uzavřené konfigurace (uspořádání „b“) a opětovně zhutněn pomocí ruční mechanizace.
Obr. 3: Schéma uspořádání příčného řezu zkušebního úseku A+B
2.4. Vystrojení zkušebního úseku C
Na úseku C (provizorní kolej) byly v předstihu v srpnu 2024 instalovány pražcové kotvy a následně byl úsek po dobu jednoho roku provozován pro získání hodnot na konsolidovaném kolejovém loži. Vzorek C reprezentuje konstrukci koleje dle stávajících standardů pro konvenční železniční koleje.
Vzhledem k předpokládanému provozu byla provizorní kolej konstruována z kolejnice 49 E1, betonového pražce B 91 S/2 délky 2,6 m, bezpodkladnicového upevnění Vossloh W14. Pražec B 91 S/2 je stejný jako pražce B 91 T/1 použité ve vzorcích A a B, ale je uzpůsoben pro kolejnice 49 E1 (má užší úložná místa). Kolejové lože ze štěrku frakce 31,5/63 bylo ve standardní šířce 1,7 metru od osy koleje a tloušťky 350 mm pod pražcem. Kolej ve sledovaném úseku je směrové přímé a bez převýšení (D = 0 mm). Do tohoto úseku byly v srpny 2024 instalovány ocelové pražcové kotvy a následně byl úsek po dobu téměř jednoho roku provozován, což vedlo ke konsolidaci kolejového lože provozem.
Tab. 2: Tabulka vystrojení zkušebního úseku C
Obr. 4: Schéma uspořádání příčného řezu zkušebního úseku C
2.5. Měření příčného odporu
Pro měření příčného odporu pražců byla použita standardní vytlačovací souprava vyvinutá dříve ve Výzkumném ústavu železničním (dnes VUZ). Oproti v minulosti realizovaným měřením byla doplněna o kontinuální měření posunu a vytlačovací síly, vzorkovací frekvence pro obě veličiny byla 1 Hz.
Vytlačování pražce probíhalo ručně poháněným tlakovým válcem, který působil přes vytlačovací hlavici na čelo pražce na jedné straně koleje. Posun pražce byl realizován vůči kolejnici, za níž byl uchycen rám. Posunutí bylo měřeno dvojicí digitálních snímačů, ze kterých byly hodnoty odečítány a zapisovány ručně do záznamového archu. Tyto snímače byly upevněny na měřící tyč, která uložené na sousedních pražcích. Snímače byly opřeny o betonovou tvárnici s tuhou pružnou podložkou z recyklované pryže, která byla položena na zkoušený pražec. Na měřicí tyč byly upevněny další 2 snímače, které byly připojeny k měřici jednotce a které snímaly posunutí pražce kontinuálně. Ke stejné jednotce byl připojen také kontinuálně měřící snímač síly. Tato měřicí jednotka byla připojena k měřicímu notebooku, ze kterého byla ovládána a na kterém byly zobrazovány naměřené údaje.
Výsledkem tohoto postupu jsou jednak záznamy z ručního měření a jednak jednotlivé soubory pro měření každého pražce uložené v měřicím notebooku. Tyto dvojice dat pro každý zkoušený pražec jsou vzájemně porovnány, nicméně při zběžném porovnávání v průběhu měření zobrazují oba záznamy stejné hodnoty.
Vlastní měření bylo prováděno na zkušebním úseku složeném ze 6+2 vzorků. Vzhledem k délkám jednotlivých vzorků byly na každém vzorku provedeny čtyři vytlačovací zkoušky v úseku A+B a pětice zkoušek na úseku C. Vždy se jednalo o zkoušky na různých pražcích. Více měření nebylo možné provést, protože je nutné, aby vždy mezi měřenými pražci zůstal jeden pražec neměřený, aby nedocházelo k ovlivňování kolejového lože jednotlivými zkouškami.
Vzhledem k lednovému termínu měření bylo potřeba věnovat zvýšenou pozornost počasí. V době měření se denní i noční teploty pohybovaly kolem 0 °C. Přestože měření probíhalo koncem ledna, nebyl v lokalitě měření sníh. Asi 3 týdny před měřením nebyly ani žádné výrazné dešťové srážky a kolejové lože bylo suché. Přesto před měřením bylo provedeno opatření proti vnikání případné srážkové vody do kolejového lože, a to zakrytím kolejového lože plachtami. Plachty zakrývaly celý profil kolejového lože a za pražci na straně, kde docházelo k vytlačování štěrku.
První měření příčných odporů proběhlo ve středu 22. 1. 2025. Teplota pohybovala od -2 °C do +2 °C. Teplota byla relativně stálá pro všechny prováděné zkoušky. Celý den bylo zataženo a sucho. Kolejové lože bylo suché v celém profilu.
Pro první den zkoušek bylo kolejové lože upraveno do profilu VRT standardu dle [2], tedy do vzdálenosti 1,7 m od osy koleje, bez rozšíření a nadvýšení.
Druhé měření příčných odporů proběhlo ve středu 29. 1. 2025. Vzhledem ke slunečnému počasí se teploty pohybovaly od -2 °C do +10 °C. V průběhu měření proběhla krátká jemná přeháňka, která ale neměla vliv na celkovou vlhkost kolejového lože. Kolejové lože zůstalo i tak suché po celou dobu měření.
Pro toto měření bylo kolejové lože upraveno na tvar zapuštěného kolejového lože, tedy v úrovni horní plochy pražce do vzdálenosti minimálně 3 m od osy koleje.
Z analýzy měření vyplývá, že provedené zkoušky vykazují viditelně nelineární chování. V úvodní fázi zkoušky narůstá příčný odpor rychleji a po dosažení posunu několika málo desetin nebo nižších jednotek milimetrů se výrazně sníží rychlost nárůstu příčného odporu. Zdá se, že tato změna sklonu křivky příčného odporu nastává později než u dříve prováděných zkoušek, tedy většinou mezi 2 až 5 milimetry příčného posunu. Je zřejmé, že nižší teploty vzduchu neměly na kvalitu zjištěných příčných odporů žádný vliv.
3. Výsledky
3.1. Výsledky měření úseků A+B
3.1.1. Výsledky kontinuálního měření
Měření probíhalo na vzorcích 1 až 6 definovaných v kapitole 2.3. Index a označuje měření na polouzavřeném kolejovém loži, index b značí měření na uzavřeném kolejovém loži.
V rámci měření příčného odporu byly pro každou měřenou sestavu železničního svršku realizovány čtyři měření. Každé měření bylo osazeno dvojicí snímačů posunu. Dle uvedené metodiky měření bylo pro každou sestavu získáno celkem osm průběhů příčného odporu. Výstupy měření polouzavřeného lože vzorků předpolí mostu (úsek A) jsou pro ilustraci uvedeny níže uvedeny níže.
V rámci analýzy výsledků byly vyjmuta odchylná měření (významně odlišný průběh nebo hodnoty). Následně byla pro každý vzorek stanovena křivka reprezentující průměr z měřených hodnot. Průměrné hodnoty jsou uvedeny v níže přiložených grafech, z důvodu přehlednosti zvlášť pro polouzavřené a uzavřené kolejové lože.
Dle průběhů křivek získaných na polouzavřeném kolejovém loži je patrný pozitivní přínos podpražcových podložek na zvýšení hodnoty příčného odporu koleje. Maximální dosažené hodnoty příčného odporu se pohybují okolo 8,2 kN. V počáteční fázi grafu (oblast malých deformací) je nárůst tuhosti obdobný pro všechny osazení. Vzorky osazené pražci s USP vykazují vyšší hodnoty příčného odporu, zejména při větších posunech pražce. Nejvyšší odpory byly naměřeny pro kolej s tuhými USP (vzorky vz2a a vz5a). Naopak nejnižší hodnoty příčného odporu byly měřeny pro vzorky bez USP (vz1a a vz6a).
Křivky grafů získané měřením na uzavřeném kolejovém loži potvrzují trend stanovený pro polouzavřené lože. Oproti výsledkům na polouzavřeném loži došlo při dosypání a přehutnění tvaru kolejového lože k drobnému nárůstu příčného odporu. Maximální dosažené hodnoty příčného odporu se pohybují okolo 9,5 kN. Na průběhu výsledků měřených na uzavřeném kolejovém loži je dále patrný vliv méně strmého průběhu příčného odporu koleje, pro vzorky osazené středně tuhými USP (vzorky vz3b a vz4b) oproti vzorkům s tuhými USP (vzorky vz2b a vz5b).
3.1.2.Záloha měření ručním odečtem
Vzhledem k technické závadě se nepodařilo zaznamenat kontinuální průběh měření na vzorku vz6b. Díky tomu, že měřicí aparatura byla osazena i digitálními snímači a hodnoty posunutí a síly byla zapisovány, bylo možné měření vyhodnotit, byť se sníženou vypovídací schopností.
Ručně zapisované hodnoty byly s krokem záznamu 1 milimetr. Tedy vždy po dosažení posunutí vytlačovaného pražce o 1 milimetr byla zaznamenána také velikost příslušné síly. Výsledkem je sada hodnot posunutí a příslušné síly, kterými je možno proložit křivku reprezentující průběh nárůstu příčného odporu.
Z grafů měření na ostatních vzorcích je patrné, že nárůst příčného odporu v počáteční fázi je velmi výrazný a až při dosažení přibližně 2 500 kPa (ekvivalent 5,3 kN) se pražec začíná posouvat. Proto je průběh zejména v počátku zkoušky z ručního zápisu méně přesný. Hodnota tlaku hydraulické kapaliny při deformaci 10 mm je 4 750 kPa (ekvivalent 9,5 kN).
3.2. Výsledky měření úseku C
Měření na provizorní koleji, tzn. na koleji s konsolidovaným kolejovým ložem bylo ovlivněno změnami harmonogramu stavby, což vedlo k předčasnému zrušení úseku. Celkem byly provedeny pětice zkoušek příčného odporu pro vzorek koleje 49 E1 bez pražcových kotev a pětice zkoušek pro pražce vystrojené pražcovými kotvami.
Experimentálním měřením byla potvrzena hodnota příčného odporu pro betonový pražce dle předpisu SŽ S3/2 [10], tedy hodnota blízká 7,0 kN. Pražce osazené pražcovými kotvami dosáhly při posunutí 10mm hodnoty příčného odporu 13,5 kN tedy nárůst 43,6 %.
Graf na Obr. 13 slouží k porovnání příčného odporu pražce na konsolidovaném vzorku C oproti vzorkům bez konsolidace (A a B). Hodnota příčného odporu v oblasti velkých posunutí pražce je srovnatelná, okolo 7,0 kN. V oblasti menších posunutí pražce je patrný méně strmý nárůst příčného odporu pro vzorky bez konsolidace. Křivka reprezentující konsolidovaný stav kolejového lože (červená) má výrazněji identifikovatelnou plastickou část.
Dalším rozdílem mezi zkušebními úseky je tvar kolejového lože. Uspořádání „a“ disponuje širším kolejovým ložem (1,8 m), menším klonem (1:1,5) a částečným zapuštěním. Dle geometrie jednotlivých uspořádání byly předpokládány menší hodnoty příčného odporu pro uspořádání „c“, avšak vliv konsolidace se ukázal jako významnější.
3.3. Vyhodnocení měření
Pro lepší orientaci napříč prezentovanými výsledky jsou dále prezentovány výsledky ve vybraných deformacích 1, 2, 3, 5 a 10 mm. Průměrné výsledky měření pro jednotlivé sestavy železničního svršku v daných deformacích jsou shrnuty v níže přiložené tabulce. Tabulka dělena dle sledovaného fenoménu a dle úpravy kolejového lože.
Tab. 3: Vyhodnocení experimentu - rozsah hodnot příčného odporu pražce
Další přiložená tabulka předkládá porovnání mezi jednotlivými sestavami v příslušných deformacích pro průměrné hodnoty příčného odporu (viz Tab.3). Dle provedené numerické analýzy (další směr výzkumu) dochází ke ztrátě stability a rozvoji plastických deformací, po překročení hodnoty příčné deformace cca 3-10 mm. Na základě tohoto poznatku jsou dále prezentovány shrnující hodnoty v rozsahu deformací právě 3-10 mm.
Problematicky se do vyhodnocení projevují výsledky měření na vzorku 6b. Měřené hodnoty příčného odporu vzorku 6b nedosahují předpokládaných hodnot, ve smyslu trendu ostatních měření (ve všech ostatních případech dosahují vzorky uspořádání „b“ vyšších hodnot oproti uspořádání „a“). Nižší hodnoty vzorku 6b následně nadhodnocují přínos USP, oproti trendu ostatních srovnání. Na základě poznatků uvedených v tomto odstavci není pro vyčíslení vlivu USP vzorek 6b brán v úvahu (hodnoty prezentovány jsou).
Tab. 4: Vyhodnocení experimentu – porovnání hodnot příčného odporu pražce
Dle výše uvedené tabulky lze vyvodit následující poznatky. Vliv osazení USP se projevuje zpravidla u větších příčných posunutích pražce. Osazením tuhých USP (vzorky 2 a 5) dochází k navýšení příčného odporu koleje oproti referenčnímu vzorku koleje bez USP (1 a 6). Pro měření na polouzavřeném kolejovém loži se příčný odpor koleje zvyšuje o 6,9-16,3 % (medián hodnot 10,7 %), pro uzavřené lože o 11-15 % (medián hodnot 14 %). Osazením středně tuhých USP (vzorky 3 a 4) dochází oproti referenčnímu vzorku taktéž k nárůstu příčného odporu. Pro měření na polouzavřeném kolejovém loži o 4,7-8,3 % (medián hodnot 6,1 %), pro uzavřené kolejové lože o 2,6-4,9 % (medián hodnot 4,1 %).
Při porovnání vlivu mezi jednotlivými podpražcovými podložkami dochází k většímu nárůstu příčného odporu pražce při použití tuhých USP, v rozsahu 6,9-16,3 %. Středně tuhé USP mají taktéž pozitivní vliv na nárůst příčného odporu pražce, v rozsahu 2,6-8,3 %.
Dalším sledovaným vlivem je vliv uspořádání kolejového lože, tedy rozdíl mezi výsledky pro polouzavřené a uzavřené kolejové lože. Napříč všemi měřeními dochází ke zvýšení příčného odporu koleje pro vzorky s uzavřeným kolejovým ložem v rozsahu 7,9-24,9 % (medián hodnot 16,4 %).
Následně byl zkoumán vliv podkladu kolejového lože, tedy srovnání výsledků mezi vzorky na náspu (vzorky 1 až 3) a vzorky na tvrdé ochraně izolace mostu (vzorky 4 až 6). Zde nelze konstatovat jednoznačné závěry.
Měření vlivu pražcových kotev na úseku C ukazuje postupný nárůst příčného odporu pražce s pražcovou kotvou o 52,8 až 77,1 %, dle dosažené deformace (medián hodnot 60,8 %).
4. Závěr
V rámci výzkumného úkolu zaměřeného na popis vlivu podpražcových podložek na odezvu železničního svršku byl realizován experiment, jehož cílem bylo získání reálných in situ hodnot, které budou dále použity pro numerické analyzování. Tento příspěvek shrnuje výsledky části experimentu věnujícímu se měření příčného odporu koleje.
Bylo provedeno měření na experimentálním úseku složeném ze vzorků popisující běžnou kolej bez USP, s tuhými USP a středně tuhými USP. Jednotlivé vzorky byli umístěny v přechodové oblasti mostu i na mostní konstrukci. Po měření příčného odporu koleje s polouzavřeným kolejovým ložem byl tvar kolejové lože upraven, kolejové lože přehutněno a proběhlo měření na uzavřeném kolejovém loži.
Měření příčného odporu bylo realizováno formou kontinuálního měření síly a posunu pro vytlačovací zkoušky uvolněného pražce. Měření bylo pro každou sestavu kolejového svršku realizováno na čtyřech pražcích.
Obecně lze konstatovat, že kolej osazená podpražcovými podložkami vykazuje větší hodnoty příčného odporu. Vliv USP na zvýšení příčného odporu koleje je patrný zpravidla u větších deformací vytlačovací zkoušky. Dílčí závěry měření jsou uvedeny níže.
Osazením tuhých podpražcových podložek dochází ke zvětšení hodnoty příčného odporu (oproti vzorkům bez USP) na vzorcích v přechodové oblasti mostu o 7-15 % a pro vzorky na mostní konstrukci o 7-16 %.
Osazením středně tuhých podpražcových podložek dochází ke zvětšení hodnoty příčného odporu (oproti vzorkům bez USP) na vzorcích v přechodové oblasti mostu o 3-8 % a pro vzorky na mostní konstrukci o 5-7 %.
Dle naměřených hodnot bylo dosaženo v průměru o 16,4 % větších hodnot příčného odporu pro uzavřené kolejové lože oproti konfiguraci polouzavřeného kolejového lože.
Srovnáním hodnot příčných odporů naměřených na vzorcích umístěných v přechodové oblasti, oproti vzorkům umístěným na mostní konstrukci nebyl nalezen prokazatelný vliv tuhosti nebo drsnosti podkladu kolejového lože.
Měřením na provozované koleji byl prokázán vliv pražcové kotvy, kdy došlo ke zvýšení příčného odporu oproti pražci bez pražcové kotvy v průměru o 60,8 % (s rostoucí deformací bylo dosaženo vyšší hodnoty příčného odporu).
Reference
[1] UIC Code 774-3 R Track/bridge Interaction - Recommendations for calculations, 2nd edition, Paris – France: UIC, October 2001, ISBN 2-7461-0257-9
[2] Manuál pro projektování VRT ve stupni DÚR. Praha, 2020.
[3] SŽ MP Metodický pokyn pro navrhování pražců s podpražcovými podložkami do konstrukce kolejí, výhybek a výhybkových konstrukcí, Praha, SŽ, 2020
[4] IRS 70713-1 Railway Application – Track and structure - „Under Sleeper Pads(USP) – Recommendations for Use“, 1st edition, Paris – France: UIC, April 2018, ISBN 978-2-7461-2697-8
[5] G.P. Pucillo, A. De Iorio, S. Rossi, M. Testa, On the effects of the USP on the lateral resistance of ballasted railway tracks, in: Proceedings of the 2018 Joint Rail Conference, ASME, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, 2018: p. V001T01A017. 10.1115/JRC2018-6204.
[6] De Iorio A, Grasso M, Penta F, Pucillo GP, Rossi S, Testa M. On the ballast–sleeper interaction in the longitudinal and lateral directions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2016;232(2):620-631. doi:10.1177/0954409716682629
[7] Tan P, Xiao Y, Jiang Y, Wang M, Wang X, Zhang Ch, Tutumluer E, Investigating influencing mechanisms of under-sleeper pads on lateral resistance of ballasted railway trackbed via hybrid DEM-FDM simulations, Transportation Geotechnics, Volume 45, 2024, 101200, ISSN 2214-3912, https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2024.101200.
[8] Aminulai H, Abadi T, Sharp D, Powrie W. (2024). Lateral Resistant of Different Types of Sleepers with and Without Additional Stabilising Measures. 10.1007/978-981-97-8237-6_19.
[9] Ulu, A., Metin, M., Arikoglu, A. et al. From Material to Field Test: An Improved Under Sleeper Pad Model. Arab J Sci Eng 50, 1555–1577 (2025). https://doi.org/10.1007/s13369-024-08979-7
[10] SŽDC S3/2 Bezstyková kolej, Praha, SŽ, 2013
[11] Mottahed J, Zakeri JA, Mohammadzadeh S. Field and numerical investigation of the effect of under-sleeper pads on the dynamic behavior of railway bridges. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2018;232(8):2126-2137. doi:10.1177/0954409718764027
[12] Myskowski B, de O. Lima A, Edwards JR, Under tie (sleeper) pads – A state of the art review, in: Construction and Building Materials, Volume 383, 2023, 131239, ISSN 0950-0618, Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131239.
[13] Lakušik S, Ahac M and Haladin I. Experimental investigation of railway track with under sleeper pad. In.: 10th Slovenian Road and Transportation Congress, Portorož, Slovinsko, říjen 2010.
[14] Witt S, Influence of under sleeper pads on railway track dynamics. Linkoping University, Švédsko, 2008
[15] GRABE PJ; MTSHOTANA BF; SEBATI MM and THUNEMANN EQ. The effects of under-sleeper pads on sleeper-ballast interaction. J. S. Afr. Inst. Civ. Eng. [online]. 2016, vol.58, n.2 [cited 2025-09-14], pp.35-41. Available from:
[16] GUO Y; WANG J; MARKINE V a JING G. Ballast Mechanical Performance with and without Under Sleeper Pads. Online. KSCE Journal of Civil Engineering. 2020, roč. 24, č. 11, s. 3202-3217. ISSN 1226-7988. Dostupné z: https://doi.org/10.1007/s12205-020-2043-5
[17] Dahlberg TLE, On the Use of Under-Sleeper Pads in Tracks with Varying Track Stiffness. In 9th International Heavy Haul Conference, Linkoping University, Švédsko, 2009
[18] Plášek O, Hruzikova M, Svoboda R, Bilek J. (2014). Under Sleeper Pads in Railway Track. Communications - Scientific letters of the University of Zilina. 16. 27-34. 10.26552/com.C.2014.4.27-34.
[19] Plášek O, Hruzikova M. (2017). Under sleeper pads in switches & crossings. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 236. 012045. 10.1088/1757-899X/236/1/012045.
[20] Insa R, Salvador P, Inarejos J and Medina L. Analysis of the performance of under-sleeper pads in high-speed line transition zones. In.: Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Transport [online]. 2014, ISSN 0965-092X. Dostupné z: https://doi.org/10.1680/tran.11.00033
[21] Paixão A, Varandas JN, Fortunato E, Calçada R (2018) Numerical simulations to improve the use of under sleeper pads at transition zones to railway bridges. Engineering Structures 164:169-182, DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.03.005
[22] MOTTAHED J; ZAKERI JA, MOHAMMADZADEH S. A Field Investigation on the Effects of Using USPs in Transition Zone From Ballasted Track to Bridges. Online. International Journal of Civil Engineering. 2019, roč. 17, č. 9, s. 1421-1431. ISSN 1735-0522. Dostupné z: https://doi.org/10.1007/s40999-019-00440-3.
[23] Ognibene G, Powrie W, Le Pen L, Harkness J. Analysis of a Bridge Approach: Long-Term Behaviour From Short-Term Response. In 15th Railway Engineering Conference, Edinburg, 2019
[24] IRS 70719-1 Way and Works – Track and Structure - Recommendations for the use of Under Ballast Mats (UBM), 1st edition, Paris – France: UIC, August 2022, ISBN 978-2-7461-3198-9
[25] Zakeri JA, Esmaeili M and Heydari-Noghabi H. "A field investigation into the effect of under sleeper pads on the reduction of railwayinduced ground-borne vibrations." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit Vol 230 No 3 (2016): pp. 999–1005.Kaewunruen S, Remennikov AM. "Under sleeper pads: field investigation of their role in detrimental impact mitigation." Proceedings of the 13th International Railway Engineering Conference. pp. 1–17. Edinburgh, Scotland, June 30 - July 1, 2015.
[27] Heydari H, Zakeri JA, Noori AS, Material-oriented maintenance of railway track using under sleeper pad (USP), International Journal of Transportation Science and Technology, 2025, ISSN 2046-0430, https://doi.org/10.1016/j.ijtst.2025.01.016.
[28] Schneider P, Bolmsvik R and Nielsen JCO. "In situ performance of a ballasted railway track with under sleeper pads." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit Vol 225 No 3 (2011)
[29] Safari Baghsorkhi M, Laryea S, McDowell G, Thom N. "An investigation of railway sleeper sections and under sleeper pads using a box test apparatus." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit Vol 230 No 7 (2016)
[30] IRS 60680 Design of a high speed railway - Infrastructure, 1st edition, Paris – France: UIC, April 2022, ISBN 978-2-7461-3154-5
[31] De Iorio A, Grasso M, Penta F, Pucillo, GP et al. "Transverse strength of railway tracks: part 1. Planning and experimental setup." Frattura ed Integrità Strutturale Vol. 30 (2014)
[32] De Iorio A, Grasso M, Penta F, Pucillo GP, Rosiello V. "Transverse strength of railway tracks: part 2. Test system for ballast resistance in line measurement." Frattura ed Integrità Strutturale Vol 30 (2014)
[33] De Iorio A, Grasso M, Penta F, Pucillo GP et al. "Transverse strength of railway tracks: part 3. Multiple scenarios test field." Frattura ed Integrità Strutturale Vol 30 (2014)
[34] ČSN 73 6201: Projektování mostních objektů, Praha, ČNI, 2008
