Application of expanded polystyrene (eps) geofoam for the mitigation of dynamic vibrations and distress of civil infrastructure

Abstract

Traffic congestion is one of the most important issues related to the conventional means of transportation (e.g., cars or busses). This disadvantage has led to the development of alternative comfort, fast and environmentally friendly transportation means, such as high-speed trains (HST). Nonetheless, in order to safely operate relatively new transportation means such as HST, several important aspects should be properly addressed. The most important issue related to the safety of high-speed railway infrastructure and the disturbance/comfort of the residents of nearby buildings, is the vibrations developed due to the high passing velocity of the trains. In recent decades, the developing noise and vibrations induced by the HST passage, as well as their mitigation, are considered as very crucial issues in structural dynamics. For this reason, several studies have been carried out aiming to propose optimal mitigation approaches in order to reduce ground-borne vibrations. These mitigation approaches can be grouped into four categories: (a) track modification, (b) track maintenance, (c) retrofitting to reduce vibrations of adjacent buildings and infrastructure, and (d) installation of wave barriers. The most popular mitigation measure to reduce the vibrations developed by the passage of HST is the construction of wave barriers/trenches across the railway. For this purpose, several types of wave barriers and filling materials have been proposed over the last decades. However, the most effective wave barriers have also high construction and maintenance costs. Hence, the proposal of an effective, low-cost mitigation measure is still a challenge for the engineering community.An additional challenge for the researchers is to establish numerical, experimental or analytical approaches capable of predicting the developing vibrations in a reliable and accurate manner. For this purpose, several numerical approaches have been proposed, i.e., finite differences, finite element and boundary element-based methods. Furthermore, this complex phenomenon has been investigated via two-dimensional (2D), two-and-a-half-dimensional (2.5D) and three-dimensional (3D) models. Sophisticated computational models have been implemented in order to examine various issues, such as the critical speed of HST, the properties of the track and the subsoil, ground vibrations generated by two passing trains, mitigation measures of induced vibrations, train-structure interaction, etc.One of the main aims of the current doctoral research is to present an efficient computational methodology, with low computational cost, capable of accurately predicting the HST-induced vibrations. For this purpose, the finite element method has been selected and advanced 3D models have been developed. In order to ensure the reliability of the numerical model, the numerical results have been compared with pre-available in-situ measurements. More specifically, field data from the passage of Thalys HST at three sites in Paris-Brussels line have been used in order to validate the developed numerical methodology. In the sequence, an extensive investigation of several mitigation measures based on the application of expanded polystyrene (EPS) geofoam at embankment and cutting sites has been performed in order to determine the optimal mitigation configuration. Accordingly, the impact of the subsoil conditions, the geometrical properties of the site or the HST passing speed have been investigated. Furthermore, the protection of nearby buildings and buried pipelines, using optimal configurations of EPS geofoam has been thoroughly examined and the results illustrate the efficiency of the proposed mitigation measures.

Η κυκλοφοριακή συμφόρηση αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα για τα συμβατικά μέσα μεταφοράς, όπως τα αυτοκίνητα και τα λεωφορεία. Το μειονέκτημα αυτό, οδηγεί όλο ένα και περισσότερο, στην αναζήτηση εναλλακτικών, άνετων, γρήγορων και φιλικών προς το περιβάλλον μέσων μεταφοράς. Τα τρένα υψηλής ταχύτητας (high-speed trains - HST) αποτελούν μια εξαιρετική εναλλακτική λύση σε αυτό το πρόβλημα, όμως θα πρέπει να διευθετηθούν κάποια ζητήματα ώστε να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία τους. Το πιο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο επηρεάζει την ασφάλεια των σιδηρόδρομων υποδομών υψηλής ταχύτητας, είναι τα ενισχυμένα επίπεδα κραδασμών που προκαλούνται λόγω της υψηλής ταχύτητας διέλευσης. Τις τελευταίες δεκαετίες, ο αναπτυσσόμενοι κραδασμοί κατά τη διέλευση HST θεωρούνται ως ένα ιδιαίτερα σημαντικό περιβαλλοντικό ζητήματα.Για τον λόγο αυτό, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες προκειμένου να προταθούν μέτρα περιορισμού των κραδασμών. Τα μέτρα αυτά μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: (α) την τροποποίηση της σιδηροτροχιάς, (β) την καλή και τακτική συντήρηση του σιδηροδρομικού δικτύου, (γ) την εφαρμογή μέτρων προστασίας σε θεμελίωση/σκελετό των κτιρίων, και (δ) την τοποθέτηση τάφρων με στόχο την απομείωση των επιφανειακών κυμάτων. Το πιο δημοφιλές μέτρο μετριασμού για τη μείωση του επιπέδου των κραδασμών είναι η κατασκευή τάφρων κατά μήκος του σιδηροδρομικού δικτύου. Τα τελευταία χρόνια, έχουν προταθεί διάφοροι τύποι τάφρων και υλικών πλήρωσης, ωστόσο, οι πιο αποτελεσματικές τάφροι έχουν υψηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης. Ως εκ τούτου, η πρόταση ενός αποτελεσματικού και οικονομικού μέτρου περιορισμού των κραδασμών εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα.Μία ακόμη πρόκληση για τους ερευνητές είναι η εύρεση αριθμητικών, πειραματικών ή αναλυτικών μεθόδων, ικανών να προβλέψουν με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά των κραδασμών. Για τον σκοπό αυτό, έχουν αναπτυχθεί διάφορα προσομοιώματα δύο (2D), δυόμιση (2.5D) και τριών διαστάσεων (3D) με τη χρήση των μεθόδων πεπερασμένων διαφορών, πεπερασμένων στοιχείων ή συνοριακών στοιχείων. Τα τελευταία χρόνια, οι προαναφερθείσες μεθοδολογίες χρησιμοποιήθηκαν για την εξέταση διαφόρων προβλημάτων, όπως η διερεύνηση της κρίσιμης ταχύτητας διέλευσης των HST, η επιρροή των γεωμετρικών και μηχανικών χαρακτηριστικών της σιδηροδρομικής γραμμής και του υπεδάφους, η εφαρμογή αποτελεσματικών μέτρων περιορισμού των κραδασμών, κ.λπ.Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μίας αποτελεσματικής αριθμητικής μεθοδολογίας προσομοίωσης του σύνθετου δυναμικού φαινομένου, με σχετικά χαμηλό υπολογιστικό κόστος, ικανής να προβλέψει με ακρίβεια τους κραδασμούς του υπεδάφους κατά τη διέλευση HST. Για τον σκοπό αυτό, έχει επιλεγεί η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων. Προκειμένου να διασφαλιστεί η αξιοπιστία της αριθμητικής μεθοδολογίας, τα αποτελέσματα του κάθε προσομοιώματος αναφοράς συγκρίθηκαν με διαθέσιμες επιτόπιες μετρήσεις. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου κατά τη διέλευση του τρένου υψηλής ταχύτητας Thalys σε τρεις θέσεις της σιδηροδρομικής γραμμής Παρισιού-Βρυξελλών για την επαλήθευση της ορθότητας των αντίστοιχων αριθμητικών προσομοιωμάτων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη διερεύνηση με στόχο την πρόταση αποτελεσματικών διατάξεων περιορισμού των κραδασμών με τη χρήση γεωαφρού διογκωμένης πολυστερίνης (expanded polystyrene – EPS) σε θέσεις επιχωμάτων και ορυγμάτων. Για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των προτεινόμενων διατάξεων, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής διερεύνηση διαφόρων παραγόντων, όπως οι συνθήκες του υπεδάφους, η διάταξη της σιδηροτροχιάς, καθώς και η ταχύτητα διέλευσης του HST. Επιπροσθέτως, διερευνάται η προστασία γειτονικών κτιρίων και υπόγειων αγωγών με τη χρήση γεωαφρού EPS, όπου και πάλι αναδεικνύεται η συμβολή των προτεινόμενων μέτρων στην αντιμετώπιση των δυσμενών συνεπειών στις κατασκευές και στους ανθρώπους εξαιτίας των κραδασμών από τη διέλευση HST.