Beurteilung von Bahntrassen durch Inversion von Dispersionskurven

Abstract

Im Zuge der Gleisinstandhaltung wird die Gleislage durch kombinierte Hebe-, Richt- und Stopfmaschinen korrigiert. Dies führt zu einer Auflockerung des Gleisschotters, resultierend in einer Verringerung des Querverschiebewiderstands des Gleises. Um nach der Gleislagekorrektur die Verwerfungssicherheit des Gleises sicherzustellen und Langsamfahrstrecken zu vermeiden, wird der Gleisschotter üblicherweise mit einem Dynamischen Gleisstabilisator (DGS) verdichtet. Bisher fehlt jedoch eine Möglichkeit, den Verdichtungserfolg flächendeckend, prozessintegriert und für die einzelnen Schichten des Gleiskörpers getrennt nachzuweisen.In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob diese Art der Qualitätssicherung, die sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen würde, mittels Inversion der Dispersionskurven von seismischen Oberflächenwellen durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren, dasin den Geowissenschaften bei der Untergrunderkundung oder Erdbebenlokalisierung zur Anwendung kommt, wird für die vorliegende Fragestellung angepasst: Ein mobiles Sensor-Array miteiner Schlagvorrichtung wird von einer Gleisbaumaschine gezogen, um aus den Messungen eine Dispersionskurve zu ermitteln, die den Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz der Welle zeigt. Dispersionskurven können ebenso ausgehend von theoretischen Bodenmodellen berechnet werden. Deshalb wird im Inversionsprozess mit einem geeigneten Algorithmus versucht, jenes Bodenmodell zu identifizieren, dessen Dispersionskurve die größte Übereinstimmung mit der gemessenen Kurve im Feld hat. Mit diesem Verfahren können die Steifigkeiten der einzelnen Schichten des Gleiskörpers prozessintegriert ermittelt werden. Bisher ist arbeitsbegleitend nur die Bestimmung einer Gesamtsteifigkeit möglich und die Eigenschaften der einzelnen Schichten können nur durch Einzelversuche im Anschluss an die Verdichtungermittelt werden.Es werden in dieser Arbeit die Messdaten von Voruntersuchungen und von Hauptuntersuchungen am Gleis analysiert. Da sich das vorgestellte Verfahren noch in der Entwicklung befindet,konnte aus der Messdatenanalyse ein breites Optimierungspotential abgeleitet werden. Fürweitere Forschungsarbeiten an diesem Verfahren wurden deshalb Vorschläge ausgearbeitet, umdie identifizierten Schwächen zu kompensieren. Eine Weiterentwicklung und Verbesserung des Verfahrens zur Verdichtungskontrolle im Gleisbau erscheint deshalb erfolgsversprechend.

In the course of track maintenance, the track geometry is corrected using a combination of lifting,levelling and tamping machines. However, this process leads to a loosening of the track ballast,resulting in a reduction of the lateral resistance of the track. In order to avoid track-bucklingand speed-restrictions after the correction of the track geometry, the ballast is usually compacted using a Dynamic Track Stabilizer (DTS). To date, however, there has been no method for acontinuous and process-integrated assessment of the compaction success for the different layersof the track body.The present work examines whether this type of quality control, which would bring bothtechnical and economic advantages, can be achieved by means of an inversion of dispersioncurves of seismic surface waves. This method, commonly used in geosciences for undergroundexploration or earthquake localization, is adapted for the present problem: a mobile sensorarray with an impact device is pulled by a track maintenance machine in order to determine adispersion curve from measurements, which describes the relationship between the propagationvelocity and frequency of the wave. Dispersion curves can also be calculated based on theoreticalsoil models. Therefore, a suitable algorithm is used in the inversion process to identify the soilmodel whose dispersion curve matches the measured curve in the field as closely as possible.With this method, the stiffness of the individual layers of the track body can be determinedin a process-integrated manner. Up to now, it has only been possible to determine the overallstiffness during the work and the properties of the individual layers can only be determined byspot-like tests after completion of the compaction work.This thesis analyses the measurement data from preliminary tests and main tests on the track.As the method presented is still under development, a broad potential for optimization could be derived from the measurement data analysis. Proposals were therefore drawn up for further research work on this method in order to compensate for the identified weaknesses. Furtherdevelopment and improvement of the method for compaction control in track construction therefore appears promising.