Railway ballast characteristics, selection criterion and performance

This work is a comprehensive investigation to find to what extent simple laboratory tests e.g. Los Angeles abrasion and micro-Deval might be suitable for predicting real railway ballast performance with respect to deformation and degradation. A number of tests to measure essential properties of ballast aggregate have been performed in addition to advanced material testing. Large cyclic triaxial loading test and full scale railway track model test were employed to simulate the effects of train loading and tamping, and to study settlement, stiffness and degradation of a range of ballast materials. The testing programme included both wet and dry testing conditions. All the rock types tested were mainly composed of combinations of principal rock-forming silicate minerals. They represent all together a wide variety of igneous, metamorphic and consolidated/metamorphosed sedimentary rocks mainly fine to very fine grained. Mechanical properties Change in the ballast grading proved to affect the ballast breakage development over time. However, the abrasion property expressed by the micro-Deval value did not show any association with the degradation of ballast under repeated load testing. Simulation of repeated tamping seemed to be the main source of ballast breakage. Most rocks showed high frost resistance after long term impact, but samples with high content of amphibole were less frost resistant. The rocks’ mechanical strength in terms of the Los Angeles abrasion or micro-Deval value did not show any correlation with either the amount of microcracks or the rocks’ average mineral grain size. A new method to measure the amount of microcracks based on luminescence measurements was developed. It is suggested that micro-cracks represent open channels for water to penetrate into the aggregate, which was confirmed by good correlation between water absorption and the amount of micro-cracks. Moisture had generally a negative effect on rocks’ mechanical strength according to Los Angeles abrasion and Point Load strength results. On the other hand, dry and wet triaxial tests with cyclic loadings did not confirm this effect. Neither did mineral grain size distribution show any correlation with mechanical strength, but the range of coefficient of conformity (Cu = D60/D10) was probably too narrow to obtain a reliable conclusion. A new method to quantify the mineral grain size distribution was developed under these test series. Functional properties Both resilient modulus of the ballast layer and the stiffness of the track were governed by the materials’ grading curve and specific density. A possible relation between the amount of microcracks in the aggregate and resilient modulus as well as ballast breakage is suggested. The permanent vertical strain during repeated load testing was affected by both the micro-Deval value, the grading curve of the ballast and the aggregate’s content of soft minerals. Improvements of test methods The Los Angeles abrasion test distinguished clearly between the superior quality material and the very poor material. The Los Angeles abrasion value is, however, a poor parameter to indicate how the intermediate material will behave in service regarding ballast breakage. This study proposes to improve the ranking of ballast materials by introducing two additional methods. One which is able to measure some rocks’ ability to recover mechanical strength after repeated crushing, and one which measures the production of fines (0/0.125 mm) during crushing. Saturation of ballast material before micro-Deval testing did not have any significant effect on degradation. Neither did the use of 1 % sodium-chloride solution have any effect

Notat; Bruk av tynnslipanalyser sett opp mot andre undersøkelser av steinmaterialer

Tynnslipanalyse av bergarter kan være et nyttig hjelpemiddel for å evaluere målte bergartsegenskaper, men det krever minimum 2-6 tynnslip fra hver forekomst for å dekke mulig variasjoner i bergarten. Viktige egenskaper for en bergarts mekaniske styrke er blant annet mineralkornstørrelse og -fordeling, innhold og orientering av glimmer, tilstedeværelsen av mikrosprekker, innhold av bløte mineraler totalt og kontaktflaten mellom de ulike mineralkornene. Korrelasjon mellom mekaniske styrkeparametere, slik som Los Angeles-verdi og Micro-Devalverdi, krever en kvantifisering av de nevnte egenskapene, noe som ofte er vanskelig og tidkrevende. Tynnslipanalyse fungerer derfor best som støttefunksjon til arbeidet med å vurdere en bergarts kvalitetsegenskaper. I henhold til norsk regelverk skal tynnslipanalyse utføres for alt tilslag som skal benyttes i betong, der sand, singel og pukk fra produsert materiale skal undersøkes. Tynnslipanalyse er spesielt viktig med tanke på å vurdere potensiell alkalireaktivitet i bergartene, der kornstørrelsen, teksturen og mengden kvartsmineraler (SiO2) er avgjørende for reaktiviteten. Tynnslipmikroskopi brukes i Norge stort sett som eneste metode for å klassifisere tilslagsreaktivitet, i motsetning til i de fleste andre land der det benyttes ulike ekspansjonstester. To supplerende ekspansjonsmetoder er imidlertid også inkludert i det norske regelverket. Tynnslipanalyse kan også gi en indikasjon på glimmerinnholdet i bergarten. Høyt glimmerinnhold i sandfraksjonen vil gjøre betongen mer vannkrevende. Svovelinnholdet i bergarter er en kritisk parameter for om tilslaget kan benyttes i betong, og dette bestemmes våtkjemisk. Tynnslipteknikken kan imidlertid bidra til å vise hvilke bergartstyper som har høyt svovelinnhold. Dette kan gi viktig forskningsmessig informasjon, i tillegg til at det kan muliggjøre selektiv drift i et pukkverk. Tynnslipanalyse brukes også som et støtteverktøy ved ingeniørgeologiske undersøkelser, og analysemetoden har vist seg å være nyttig i denne sammenheng. Dette gjelder for eksempel ved forundersøkelser av potensielle nye pukkverk eller av tunneltraseer med tanke på bruk av tunnelmasser til betongformål. Tynnslipanalyser kan i mange tilfeller også være med på å forklare årsaker til/underbygge oppnådde laboratorieresultater for bergartsprøver. Samlet sett er undersøkelser i mikroskop et meget godt, kvalitativt verktøy. Ved bruk av ulike typer slip, for eksempel ved å supplere med polerte tynnslip for opake faser/kismineraler og kombinasjons-slip med fluoriserende epoksy som får fram blant annet mikroriss og tegn på forvitring, kan man få svar eller indikasjoner på en rekke materialtekniske og bestandighetsmessige forhold.publishedVersio

Local use of rock materials – production and utilization State-of-the-art

During excavation of tunnels, large amounts of rock material are produced. This excavated rock material is utilized to a varying extent for road-, railway- and concrete purposes, but significant amounts are used as deposits on land, in fjords or lakes. For both economic and environmental reasons there is a great potential in increasing the utilization of excavated rock material locally in the same project or in neighboring projects. Initially, this report presents a brief introduction to the geology in Norway and some comparable European countries. This may give an indication which main rock type to expect in different areas during tunnelling. Further, the development within the main directions of tunnelling is discussed. Also, an overview of equipment and crushing technology is given. The boundaries of this report are excavated material used in asphalt, concrete, road construction and railway construction. For each area of utilization, a presentation of the currenttechnical requirements for various uses of the material in Norway is given. Examples of projects where excavated material is utilized are presented. Finally, possibilities and obstacles when it comes to utilizing excavated rock material are discussed, and further work is proposed.publishedVersio

Produksjon og bruk av overskuddsmasser - Beste praksis og vegen videre

Kortreist Stein har hatt en arbeidspakke konsentrert mot Produksjon og anvendelse. Som et utgangspunkt for forskningsaktivitetene, er det det laget detaljerte oversikter over de mest relevante anvendelsesområdene for kortreist stein og hvilke tekniske egnethetskrav som må tilfredsstilles ut fra dagens regelverk. Prosjekter i Norge og andre land hvor overskuddsmasser har blitt nyttiggjort, er presentert. Prosjektet har sett nærmere på hvordan man kan optimalisere knuseprosessen i mobile anlegg ut fra utgangsmateriale og med mål om mest mulig høyverdig anvendelse av kortreist stein. I Arbeidspakken Produksjon og anvendelse er det gjort detaljerte studier i laboratorium og felt rettet inn mot bruk av tunnelmasser i veg, asfalt og betong, og hvor effekt av knusing og annen prosessering også har vært fokusert. Forskningsarbeidene har inkludert Master- og PhD-arbeid. Flere studier har spesielt vært rettet mot utnyttelse av svake steinmaterialer i ulike anvendelser. Flere arbeider utfordrer dagens metodikk for kvalitetsvurdering av tilslagsmaterialer, og der mange funn demonstrerer nytteverdien av funksjonstesting for bedre konklusjon om egnethet og bruksoppførsel og slik sett bedre utnyttelse av kortreist stein. Arbeidet har resultert i forslag til forbedringer og videre forskning, som både er relevant for utnyttelse av overskuddsmasser fra infrastrukturprosjekter og bergverk, generelt for forhold rundt tilslagsproduksjon og tunnel- og anleggsdrift. Foreliggende rapport oppsummerer arbeider, resultater og anbefalinger. I teksten gis referanser til hvilke publikasjoner funn er hentet fra, og en egen referanseliste følger til slutt i rapporten. Hovedbudskapet fra arbeidspakken Produksjon og anvendelse er som følger: • Etabler en helhetlig produksjons- og bruksstrategi som tar utgangspunkt i hvilke lokale og kortreiste steinmasser man kan nyttiggjøre i eller fra et infrastrukturprosjekt. Dette vil føre til en bedre massebalanse, og en mer kortreist, høyverdig bruk av overskuddsmasser fra infrastrukturprosjekter. • Det ligger flere optimaliseringsmuligheter for å få til dette, både når det gjelder • Utgangsmaterialet og kunnskap om dette • Driveteknikk • Prosessering og mobile anlegg • Materialteknologi og anvendelser Riktig og tidlig fokus kan gi forbedret ressursforvaltning og -utnyttelse, miljø og bærekraft og økonomi.publishedVersio

Skred av typen landlaup i Ulvådalen

Hovedoppgave i ingeniørgeologi - Norges tekniske høgskole, Geologisk institutt, Trondheim, 197

Skred av typen landlaup i Ulvådalen

Hovedoppgave i ingeniørgeologi - Norges tekniske høgskole, Geologisk institutt, Trondheim, 197

Railway Ballast Characteristics, Selection Criteria and Performance

This work is a comprehensive investigation to find to what extent simple laboratory tests e.g. Los Angeles abrasion and micro-Deval might be suitable for predicting real railway ballast performance with respect to deformation and degradation. A number of tests to measure essential properties of ballast aggregate have been performed in addition to advanced material testing. Large cyclic triaxial loading test and full scale railway track model test were employed to simulate the effects of train loading and tamping, and to study settlement, stiffness and degradation of a range of ballast materials. The testing programme included both wet and dry testing conditions. All the rock types tested were mainly composed of combinations of principal rock-forming silicate minerals. They represent all together a wide variety of igneous, metamorphic and consolidated/metamorphosed sedimentary rocks mainly fine to very fine grained. Mechanical properties Change in the ballast grading proved to affect the ballast breakage development over time. However, the abrasion property expressed by the micro-Deval value did not show any association with the degradation of ballast under repeated load testing. Simulation of repeated tamping seemed to be the main source of ballast breakage. Most rocks showed high frost resistance after long term impact, but samples with high content of amphibole were less frost resistant. The rocks’ mechanical strength in terms of the Los Angeles abrasion or micro-Deval value did not show any correlation with either the amount of microcracks or the rocks’ average mineral grain size. A new method to measure the amount of microcracks based on luminescence measurements was developed. It is suggested that micro-cracks represent open channels for water to penetrate into the aggregate, which was confirmed by good correlation between water absorption and the amount of micro-cracks. Moisture had generally a negative effect on rocks’ mechanical strength according to Los Angeles abrasion and Point Load strength results. On the other hand, dry and wet triaxial tests with cyclic loadings did not confirm this effect. Neither did mineral grain size distribution show any correlation with mechanical strength, but the range of coefficient of conformity (Cu = D60/D10) was probably too narrow to obtain a reliable conclusion. A new method to quantify the mineral grain size distribution was developed under these test series. Functional properties Both resilient modulus of the ballast layer and the stiffness of the track were governed by the materials’ grading curve and specific density. A possible relation between the amount of microcracks in the aggregate and resilient modulus as well as ballast breakage is suggested. The permanent vertical strain during repeated load testing was affected by both the micro-Deval value, the grading curve of the ballast and the aggregate’s content of soft minerals. Improvements of test methods The Los Angeles abrasion test distinguished clearly between the superior quality material and the very poor material. The Los Angeles abrasion value is, however, a poor parameter to indicate how the intermediate material will behave in service regarding ballast breakage. This study proposes to improve the ranking of ballast materials by introducing two additional methods. One which is able to measure some rocks’ ability to recover mechanical strength after repeated crushing, and one which measures the production of fines (0/0.125 mm) during crushing. Saturation of ballast material before micro-Deval testing did not have any significant effect on degradation. Neither did the use of 1 % sodium-chloride solution have any effect

Bruk av tynnslipanalyser sett opp mot andre undersøkelser av steinmaterialer

Tynnslipanalyse av bergarter kan være et nyttig hjelpemiddel for å evaluere målte bergartsegenskaper, men det krever minimum 2-6 tynnslip fra hver forekomst for å dekke mulig variasjoner i bergarten. Viktige egenskaper for en bergarts mekaniske styrke er blant annet mineralkornstørrelse og -fordeling, innhold og orientering av glimmer, tilstedeværelsen av mikrosprekker, innhold av bløte mineraler totalt og kontaktflaten mellom de ulike mineralkornene. Korrelasjon mellom mekaniske styrkeparametere, slik som Los Angeles-verdi og Micro-Devalverdi, krever en kvantifisering av de nevnte egenskapene, noe som ofte er vanskelig og tidkrevende. Tynnslipanalyse fungerer derfor best som støttefunksjon til arbeidet med å vurdere en bergarts kvalitetsegenskaper. I henhold til norsk regelverk skal tynnslipanalyse utføres for alt tilslag som skal benyttes i betong, der sand, singel og pukk fra produsert materiale skal undersøkes. Tynnslipanalyse er spesielt viktig med tanke på å vurdere potensiell alkalireaktivitet i bergartene, der kornstørrelsen, teksturen og mengden kvartsmineraler (SiO2) er avgjørende for reaktiviteten. Tynnslipmikroskopi brukes i Norge stort sett som eneste metode for å klassifisere tilslagsreaktivitet, i motsetning til i de fleste andre land der det benyttes ulike ekspansjonstester. To supplerende ekspansjonsmetoder er imidlertid også inkludert i det norske regelverket. Tynnslipanalyse kan også gi en indikasjon på glimmerinnholdet i bergarten. Høyt glimmerinnhold i sandfraksjonen vil gjøre betongen mer vannkrevende. Svovelinnholdet i bergarter er en kritisk parameter for om tilslaget kan benyttes i betong, og dette bestemmes våtkjemisk. Tynnslipteknikken kan imidlertid bidra til å vise hvilke bergartstyper som har høyt svovelinnhold. Dette kan gi viktig forskningsmessig informasjon, i tillegg til at det kan muliggjøre selektiv drift i et pukkverk. Tynnslipanalyse brukes også som et støtteverktøy ved ingeniørgeologiske undersøkelser, og analysemetoden har vist seg å være nyttig i denne sammenheng. Dette gjelder for eksempel ved forundersøkelser av potensielle nye pukkverk eller av tunneltraseer med tanke på bruk av tunnelmasser til betongformål. Tynnslipanalyser kan i mange tilfeller også være med på å forklare årsaker til/underbygge oppnådde laboratorieresultater for bergartsprøver. Samlet sett er undersøkelser i mikroskop et meget godt, kvalitativt verktøy. Ved bruk av ulike typer slip, for eksempel ved å supplere med polerte tynnslip for opake faser/kismineraler og kombinasjons-slip med fluoriserende epoksy som får fram blant annet mikroriss og tegn på forvitring, kan man få svar eller indikasjoner på en rekke materialtekniske og bestandighetsmessige forhold

Experimental and numerical study on lateral resistance of frictional sleeper with arrowhead groove

To enhance the stability of continuous welded rail (CWR) tracks, frictional sleepers have been developed. The frictional sleepers are new types of sleepers with grooves on the bottom, and different bottom grooves improve lateral resistances at different magnitudes. In this study, single sleeper push test (SSPT) and its model with discrete element method (DEM) were carried out to confirm how much arrowhead groove frictional (AGF) sleeper increases the lateral resistance of ballasted track. The SSPTs were performed to confirm the lateral resistance results, and also to validate and calibrate the DEM models. With the validated models, the groove factors influencing the lateral resistances were studied, including groove sizes (depth, width), arrowhead groove direction and groove numbers. The reason of lateral resistance improvement was studied at mesoscopic level, including the ballast-sleeper contact numbers and contact force chains. Results show that applying the AGF sleeper is able to improve lateral resistance by 7–24%, and it can provide enough lateral resistance after reducing ballast shoulder width from 500 mm to 300 mm. The AGF sleeper can improve the sleeper-ballast interaction by increasing sleeper-ballast contact number. The study is helpful for frictional sleeper design, further improving track stability.Railway Engineerin