Väitös: Kuivatus parantaa raskaasti liikennöidyn radan kuormituskestävyyttä

Suomen rataverkosta merkittävä osuus on rakennettu 1800–1900 lukujen taitteessa käytännössä miestyönä. Koska nykyisiä tehokkaita maansiirtokoneita ei ollut, ratojen rakentamisessa oli käytettävä mahdollisimman helposti läheltä saatavia materiaaleja. Ratojen päällysrakenteita, jotka koostuvat ratapölkyistä, kiskoista ja sepelikerroksesta, on myöhemmin vaihdettu useampaan kertaan, mutta monin paikoin radan alusrakennekerroksen materiaalit ovat edelleen alkuperäisiä, eivätkä ne välttämättä täytä nykyisiä materiaalivaatimuksia.

– Nykyään junien nopeudet ja akselipainot ovat aivan eri luokassa kuin ratojen alkuperäisenä rakennusaikana yli sata vuotta sitten. Myös olosuhteet ovat muuttuneet haastavammiksi, sillä esimerkiksi vuotuiset sademäärät ovat lisääntyneet.  Tutkimuksessani pyrin selvittämään, miten Suomessa käytetyt alusrakennemateriaalit kestävät kuormitusta eri vesipitoisuuksissa ja voidaanko niiden kestokykyä lisätä radan kuivatusta parantamalla, Latvala kertoo.

Väitöskirjassaan Latvala selvitti radan kuivatuksen vaikutuksia useiden eri tutkimusmenetelmien avulla. Merkittävässä roolissa ovat olleet kuivatuksen seurantaa varten Helsingin ja Turun väliselle Rantaradalle rakennetut monitorointiasemat, jotka mittasivat kattavasti niin radan rakennekerrosten vesipitoisuuksia kuin rataan muodostuvia pystysuuntaisia siirtymiä. Samaan aikaan laboratoriossa koekuormitettiin radan alusrakennemateriaaleja eri vesipitoisuuksissa, jolloin vesipitoisuuden vaikutusta siirtymiin pystyttiin arvioimaan.

– Lisäksi tutkimuksessani tarkasteltiin radan kunnossapidon menetelmiä ja sopimuksia sekä tehtiin lukuisia maastotarkasteluja ja tietokonepohjaista mallinnusta.  Havaintojeni perusteella Suomen rataverkon kuivatuksessa on monin paikoin parannettavaa. Väitöskirjassani annan myös suosituksia kunnossapidon kehittämiseen, Latvala kertoo.

Routamitoitus estää myös tulvimisesta aiheutuvia ongelmia

Tutkimuksessaan Latvala havaitsi, että osalla aiemmin käytetyistä alusrakennemateriaaleista kuormituskestävyys alenee merkittävästi, kun vesipitoisuus kasvaa. Kuitenkaan seurantakohteilla kohonneetkaan vesipitoisuudet eivät näkyneet haitallisina epätasaisuuksina.  

– Suomessa routamitoituksen vuoksi tehdyt paksut alusrakennekerrokset näyttävät vähentävän tehokkaasti myös liiallisten vesipitoisuuksien aiheuttamia ongelmia, joita on esiintynyt runsaasti maailmalla. Suomen radoilla kuormituskestävyyteen liittyvät ongelmat tulevat yleensä esiin vasta hyvin raskaiden tavarajunien kohdalla ja kun vedenpinta on erittäin korkealla. Henkilöliikenteen akselipainoilla ongelmia ei tutkimuksen perusteella yleensä esiinny, Latvala selvittää.

Tutkimustuloksiin perustuvan ohjeistuksen myötä radan kuivatussyvyys voidaan tarvittaessa määrittää liikenteen ominaisuuksien ja alusrakenteen materiaaliominaisuuksien avulla. Tulokset on otettu huomioon Väyläviraston loppuvuonna 2023 valmistuneessa ”Teiden ja ratojen kuivatuksen suunnittelu” -ohjeessa. Ohjeistus helpottaa kuivatustoimenpiteiden suunnittelua ja kohdistusta oikeisiin paikkoihin.

– Vaikka radan hyvä kuivatus parantaa sen kuormituskestävyyttä, tiedetään nyt, että radalla esiintyneet geometriaongelmat johtuvat vain harvoin yksin huonosta kuivatuksesta. Usein kohteet ovat moniongelmaisia. Epätasaisuutta aiheuttavat pohjamaan painuminen tai epäjatkuvuuskohtien, kuten ratapenkereiden ja kallioleikkausten siirtymävyöhykkeiden aiheuttama dynaaminen kuormitus, Latvala päättää.

Alun perin Lapualta kotoisin oleva Juha Latvala on valmistunut rakennustekniikan diplomi-insinööriksi Tampereen teknillisestä yliopistosta vuonna 2014. Tämän jälkeen Latvala on työskennellyt yliopiston tutkimuskeskus Terrassa Väyläviraston tilaamien rautatietutkimushankkeiden parissa. Seuraava tutkimushanke liittyy raskaan ja nopean junaliikenteen monitorointihankkeeseen, jossa rataverkolle rakennetaan kattava monitorointi ratarakenteen kuormitusvaikutusten mittaamiseksi.

Väitöstilaisuus perjantaina 16. helmikuuta

Diplomi-insinööri Juha Latvalan rakennustekniikan alaan kuuluva väitöskirja The Effect of Drainage on the Functionality of railway track sub-ballast tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston Rakennetun ympäristön tiedekunnassa perjantaina 16.2.2024 klo 12 alkaen Hervannan kampuksella Rakennustalon auditoriossa RG202 (Korkeakoulunkatu 5, Tampere).

Vastaväittäjänä toimii professori Emerita Hannele Zubeck Alaska Anchorage -yliopistosta Yhdysvalloista. Kustoksena toimii dosentti Heikki Luomala Tampereen yliopiston rakennetun ympäristön tiedekunnasta.