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Bridge and ballast interaction at a viaduct structural expansion joint on a high speed railway

Sections of railway line associated with variations in track stiffness often have an increased maintenance requirement owing to the relatively rapid deterioration of track geometry. Variations in stiffness could arise from changes in ground conditions, transitions from free track onto a fixed structure and other localised features. Increased dynamic loads may be responsible for track degradation at sites with these characteristics. This is especially relevant to future high speed rail infrastructure, where increased operating speeds have potential to increase dynamic loading on the track significantly. At present, there is little direct physical evidence linking increased dynamic loading to accelerated geometry deterioration, and monitoring of problem sites is needed to investigate their real behaviour. This paper presents some findings from an ongoing study of a ballasted viaduct on a high speed railway, at which ballast migration has been found to occur in the vicinity of a structural expansion joint leading to the occurrence of unsupported sleepers.. The response of the structure and the track to the passage of high speed trains has been monitored using geophones. Using the resulting data supported by appropriate theoretical modelling, mechanisms for the enhanced track degradation are proposed. The results of the study provide insights into the interaction between trains, the track, the ballast and the structure, and can be used to inform the cost-effective maintenance and design of existing and future high speed rail infrastructure. RÉSUMÉ Les parties des rails qui sont liées aux variations de rigidité de la voie ferrée ont souvent une exigence de maintenance plus élevées en raison de la détérioration rapide de la géométrie de la voie ferrée. Les variations de rigidité pourraient être le résultat de changements dans les conditions du sol, des transitions d’une voie ferrée à une structure fixée et d’autres fonctionnalités locales. Les charges dynamiques plus élevées peuvent être responsables de la dégradation de la voie sur les sites qui présentent ces caractéristiques. Ce fait serait particulièrement pertinent pour l’infrastructure ferroviaire rapide à l’avenir, dont les vitesses de fonctionnement augmentés ont le potentiel d’augmenter la charge dynamique sur la voie, d’une manière significative. Actuellement, il n’y a pas beaucoup de preuves concrètes liant le chargement dynamique accrue à la détérioration accélérée de la géométrie, et la surveillance des sites de problèmes est nécessaire pour étudier leur fonctionnement. Cet article présente une étude d'un viaduc lesté sur une ligne à grande vitesse, où la migration des ballasts a été trouvé à se produire, entrainant des traverses non supportées, qui développent dans le voisinage d’un joint de dilatation de structure. La réaction de la structure et la voie pour le passage des trains à grande vitesse ont été suivis en utilisant l'aide de géophones. En utilisant ces données soutenus par les modèles théoriques appropriés, les mécanismes de dégradation de la voie sont identifiés. Les résultats de l’étude fournissent un aperçu de l'interaction entre les trains, le ballast, le rail et la structure et peuvent être utilisés pour influencer l'entretien rentable et la conception des lignes à grande vitesse existants et à l’avenir. 1 INTRODCUTION AND BACKGROUND Track defects, generally qualified as deviations in track geometry, require maintenance to ensure that safe track geometry is maintained. Defects can, in some cases, be attributed to locally enhanced track degradation mechanisms that lead to repeated occurrence of the defect and require additional frequent and costly maintenance. Locally increased dynamic forces are a common driver for the formation of track defects (Dahlberg, 2010). Increased forces could arise from a variation in support stiffness (either natural or man-made changes in support conditions), curving forces and track-ground or track-structure interactions. However, it is not straightforward to find direct physical evidence linking increased dynamic forces to the mechanisms responsible for observed track degradation. This paper is concerned with the influence of an under-bridge on the ballast. Although the dynamic behaviour of bridge structures under railway loading is well understood (Frýba, 1996, Yang et al. 2004) investigation into track-bridge interaction is less well reported and has typically been concerned with the effects on the rails (Calcada et al. 2008) rather than the ballast. This paper describes a site where the dynamic behaviour of the bridge is thought to be affecting the ballast, presenting analyses of results of in-situ monitoring and discussing possible causes of track degradation identifiable from the data. 2 MATERIALS AND METHODS