Design of railway track substructure modelling the long term thermo-hydro-mechanical behaviour due to traffic and environmental actions

Tiago Moço Ferreira

Key information

Authors:

Tiago Moço Ferreira (Tiago Moço Ferreira)

Supervisors:

Paulo Manuel da Fonseca Teixeira (Paulo Manuel da Fonseca Teixeira)

Published in

June 25, 2015

Abstract

A presente investigação pretende melhorar o actual dimensionamento da subestrutura ferroviária através de uma adequada modelação do seu comportamento termo-hidro-mecânico de longo prazo devido a cargas de tráfego e acções atmosféricas. O dimensionamento de diferentes soluções estruturais para a via-férrea e o seu comportamento mecânico é investigado através de uma análise por elementos finitos tendo em conta uma adequada modelação da interface travessa-balastro. Dado o significativo impacto que a infiltração de água da chuva tem sobre a deterioração da subestrutura ferroviária, é desenvolvido um modelo de elementos finitos que incorpora componentes de drenagem superficial que permitem o escoamento do excesso de água da chuva. Uma análise termo-hidro-mecânica é então realizada por forma a avaliar o impacto da modelação da drenagem, sendo os seus resultados combinados para prever o desempenho de longo prazo das diferentes soluções estruturais quando sujeitas a acções de tráfego e atmosféricas. Devido à necessidade de uma abordagem integrada, é desenvolvido um modelo constitutivo elasto-viscoplástico com endurecimento cinemático isotrópico para solos não saturados. A sua formulação numérica é implementada num código de elementos finitos como opção para o utilizador e uma série de trajectórias de carregamento são simulados por forma a validar e examinar as diferentes características do modelo. O modelo constitutivo proposto permite modelar a resposta mecânica da subestrutura ferroviária devido a carregamentos não monotónicos associados à passagem de comboios considerando o comportamento não saturado dos solos. The aim of this research is to improve the current design of railway substructures by adequately modelling their long term thermo-hydro-mechanical behaviour due to traffic loading and environmental actions. The design of different railway track structural solutions and their mechanical behaviour is investigated through a finite element analysis accounting for the adequate modelling of the sleeper-ballast interface. Given the impact of rainwater infiltration on railway substructure deterioration, a finite element model incorporating superficial drainage components is developed enabling the runoff of excess rainwater. Then, a thermo-hydro-mechanical analysis is performed to assess the impact of drainage modelling and its results are combined to predict the long term performance of the different structural solutions subjected to traffic and environmental actions. To fulfil the need for an integrated approach, an elastic-viscoplastic constitutive model with kinematic isotropic hardening for partially saturated soils is developed. Its numerical formulation is implemented into a finite element code as a user-defined soil model and a variety of stress paths is simulated in order to validate and examine the different model features. The proposed constitutive model allows modelling the mechanical response of the railway substructure due to train non-monotonic loading while considering the unsaturated behaviour of the soils.