Geosentetik malzemelerin demiryollarında kullanımı ve balast-alt balast tabaka kalınlıklarının azaltılması
The usage of geosynthetic materials on railways and reducing ballast-sub balast layer thickness
Yazar: İSMAİL AY
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Ulaşım = Transportation

Özet:
Teknolojik gelişmeler ve üretim imkânlarının artmasıyla birlikte ortaya çıkan, polipropilen, polyester, polietilen gibi sentetik malzemelerden üretilen, geosentetikler inşaat mühendisliğinin özellikle geoteknik mühendisliği alanında zemin iyileştirme çalışmaları kapsamında değerlendirilebilecek, yalıtım, drenaj, güçlendirme ve koruma uygulamaları yaygın bir kullanıma sahiptir. Üretim koşullarına göre geotekstil, geomembran, geogrid, geonet ve geokompozit olarak sınıflandırılmakta olan geosentetiklerin, ihtiyaca göre uygun özelliklerde üretim yapılabilmesi ve pratik uygulama imkânları sayesinde kullanımlarını daha cazip hale gelmektedir. Geosentetik malzemelerin her biri farklı fonksiyonlara sahip olduğundan farklı amaçlarda kullanılmaktadır. Geomembran malzemeler yalıtım, geogrid ve geonet malzemeler güçlendirme fonksiyonları ile kullanılırken geotekstil malzemeler drenaj, koruma, güçlendirme, ayırma ve filtreleme gibi fonksiyonları ile geniş bir kullanım alanına sahiptir.
Alt yapı demiryolunun güvenli işletmesini sağlamak üzere demiryolu yapısının en önemli parçalarından biridir. Demiryolu altyapısındaki bir hasar üst yapı üzerinde hattın işletmeye kapatılmasına varacak kadar birçok zararlı etkiye sebebiyet verebilir. Aynı zamanda demiryolu altyapı maliyetleri, üst yapı, sinyal ve telekomünikasyon, elektrik ve proje bedelleri arasından toplam maliyete etkisi en yüksek olandır. Demiryolu alt yapısında görülebilecek en zararlı etkilerden birisi kötü zemin koşulları ve güçlendirme yapılmaması neticesinde ortaya çıkan, altyapı ve üst yapı üzerinde birçok kusur oluşturan arazi platformu hasarlarıdır. Bu sebeple demiryolu hatlarının altyapı ve üstyapı inşaatları ciddi mühendislik çalışmaları gerektirmektedir. Diğer taraftan ray araçlarının hareketlerinden kaynaklanan yüklerin zemine iletilmesini sağlayan ve demiryolu hattı yapım maliyetlerinde altyapı inşaatından sonra ikinci en yüksek etkiye sahip olan üstyapı inşaatı da demiryolu mühendisliği açısından dikkat edilmesi gereken bir diğer konudur. Bu durumlar göz önünde bulundurulduğunda, demiryolu alt yapı ve üst yapı tabakalarının yapım maliyetlerini düşürmek üzere geliştirilecek yöntemler demiryolu yapım maliyetlerini direk etkileyecektir. Demiryolu üst yapısının en önemli elemanlarından biri olan balast tabakası traverslerden aldığı yükleri geniş bir alana yayıp azaltarak zemine iletmektedir. Trafik yükü, işletme ve zemin koşullarına bağlı olarak belirlenmekte olan balast tabakası kalınlığı ile ilgili dünya genelinde yapılan araştırmalar balast tabakasında yapılacak güçlendirme çalışmalarının yük baskı dağılım açısını arttırarak tabakanın taşıma kapasitesini arttıracağı görüldüğünden balast tabaka kalınlığının azaltılmasına müsaade ettiğini göstermektedir.
Demiryolu altyapısı ve balast, alt balast tabakalarının oluşturulması demiryolu mühendisliğinin, demiryolu ve geoteknik mühendisliklerinin ortak çalışma alanı olarak kabul edilebilir. Bu tabakalarda kullanılabilecek ürünler her iki disiplinin de çalışma alanlarını ilgilendirmekte olduğundan geoteknik mühendisliği alanında kullanımı yaygınlaşan geosentetik malzemelerin demiryolu mühendisliği alanlarında kullanılması da bunun bir sonucu olarak karşımıza çıkmaktadır. Geotekstil ürünlerin demiryolu alt yapısında düzensiz oturmaları kontrol altında tutma, drenaj yapısını sağlama ve zemin tabakaları arasında ayırma görevleri ile kullanımı ile başlayan bu süreç günümüzde tünel yapılarının yalıtımlarında geomembran malzemelerin kullanımı ve şev yapılarının oluşturulması, demiryolu alt yapı stabilitesinin arttırılması için geogrid malzemelerin kullanımı ile de genişleyerek sürmektedir.
Yapılan bu çalışmada, geosentetik malzemelerin demiryollarında kullanımları araştırılmış ve tanecikli zemin ve balast malzemeleri arasında kilitleme mekanizmaları oluşturarak altyapı, balast ve alt balast tabakalarının güçlendirmesi çalışmalarında kullanılan geogrid malzemelere ait uygulama örnekleri incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonrasında, ABD'nin Viktoria-Rosenberg bölgeleri arasında yapılan demiryolu hattı iyileştirme çalışması verileri ile Amerikan malzeme tedarikçileri ile taşımacılık firmalarından edinilen yaklaşık birim maliyetler esas alınarak, bu projede balast tabakasının güçlendirilmesinde geogrid malzeme kullanımının ekonomik katkıları değerlendirilmiştir. Ayrıca yapılan araştırmalarda geogrid malzeme ile karayolu altyapısında yapılan güçlendirme işlemleri ve tasarım esasları incelenmiş ve demiryollarında balast tabakasında güçlendirme işlemlerine uyarlaması yapılmıştır. Türkiye'de imalatı yapılmak üzere örnek bir demiryolu kesiti oluşturularak, uyarlaması yapılan tasarım esaslarına göre balast tabakasında geogrid güçlendirmesi yapılarak oluşturulan 100 kilometrelik bir demiryolu hattının, balast ocağına 100 km ve 300 km mesafelerde olma durumları ile balast ve alt balast tabakası imalatının yaklaşık maliyet hesaplamaları yapılmış ve geogrid malzeme kullanımının proje maliyetine ekonomik katkıları değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmeler neticesinde çeşitli kaynaklarda dile getirildiği üzere Viktoria ile Rosenberg arası demiryolu hattında yapılan uygulamanın toplam proje maliyetine göre yaklaşık %5 dolaylarında kar sağlamıştır. Türkiye'de belirtilen şartlarda ve geogrid güçlendirme ile yapılacak bir demiryolu hattında ise balast imalatlarında malzeme ve nakliye maliyetleri açısından %20'ye yakın bir kar edinilebileceği görülmüştür. Yapılan literatür taramalarında demiryolu hatlarında geogrid malzeme kullanılarak yapılan güçlendirme çalışmalarının hat bakım maliyetlerini de düşüreceği görülmüş ancak incelenen projenin ve tasarımı yapılan hattın bakım durumlarına ait bir bilgi bulunmadığından bu tez kapsamına alınmamıştır.

Abstract:
Produced from polypropylene, polyster and polyethylene synthetic materials, geosynthetics come out with the technological developments and increasing production opportunities, have a wide range of applications in civil engineering such as insulation, drainage, reinforcement and protection which can be considered in the field of ground improvement works of geotechnical engineering. Classified as geotextile, geomembrane, geogrid, geonet and geocomposite according to the conditions of their production, geosynthetics usage becomes more attractive with the opportunity of production with appropriate features and the practical application conditions. Each geosynthetic material is used for different purposes because of having different functions. While geomembrane materials use for insulation function with their impermeable structure, geogrid and geonet materials with high bearing and tensile strength use for reinforcement functions, geotextile materials have a wide application field with their drainage, protection, reinforcement, separation and filtration functions because of having micron-sized gaps and durability to the environmental effects.
Infrastructure is one of the most important parts of the railway structure to ensure railway operation safety, any damage on railway infrastructure causes many harmful effects on superstructure and it may be causes canceling of the operations. Also infrastructure costs of a railway have the highest percentage among superstructure, signal and telecommunication, electricity and project costs. One of the most harmful damage on railway infrastructure is land platform damages caused by bad soil conditions and not having reinforcement application; causes many defects on infrastructure and superstructure. Therefore building the infrastructure and also superstructure of a railway requires a serious engineering work and applications. On the other hand building the superstructure layers of the railway which transmit the loads caused by trains movement also requires considering about. Also superstructure building costs of a railway come after the infrastructure costs, and forms the second highest cost level of a railway line construction. Thus, improvements made on these layers and methods developed to construct these layers to reduce the construction costs directly affect the railway construction costs. Ballast layer is one of the most important parts of the railway superstructure and transmits loads from sleepers to the soil and reduces loads by spreading them over a wide area. Ballast layer thickness is determined by some criteria including traffic loads, operation conditions and the soil conditions. Studies around the world show that any reinforcement on ballast layer allows reducing its thickness because of loading capacity improvement by increasing bearing stress distribution angle.
Railway infrastructure and the creation of ballast and sub-balast layers may be considered as a common working field of geotechnical engineering and railway engineering. Geosynthetic materials usage in the field of railway engineering emerges as a result of the concerns of both two disciplines about these materials which are used for the infrastructure and the ballast layers. As a result of this many applications of geosynthetic material occurs in railway engineering, around the world. Starting with the use of geotextile materials in railway infrastructure to keep differential settlements under control, build up drainage system and to separate different soil layers, use of geosynthetic materials continues by expanding with the use of geomembrane materials about the insulation of the railway tunnel structures and the use of geogrid materials to build taper structures and to increase railway infrastructure and superstructure stability. Geotextile and geomembrane usage around the world is almost become a regular application, on the other hand usage of geogrid as a reinforcement material is widening recently with taper structure construction and ballast, sub-ballast layer reinforcement. Also in Turkey, most of railway tunnels waterproofing applications made with geotextile and geomembrane materials. Geomembranes are used to provide impermeability and geotextile materials are used to protect impermeable geomembrane layer and provide drainage of the ground water. On the other hand many European countries and also U.S.A. have some geogrid ballast layer reinforcement applications to reduce ballast costs by reducing ballast quantities. Using geogrid materials between sub-ballast and formation layer provides reinforcement to the soil and improves the stability of the railway structure. This application can be used to increase the weak soils loading capacity and also to provide the same capacity with less ballast material. Application examples which are mentioned in this study show that ballast layer thickness can be reduced to almost half. This means that ballast requirement for the ballasted railway line projects which are away from the ballast quarries can be reduced by using reinforcement with geogrid materials and project costs also reduces. 
In this study, the usage of geosynthetic materials in railway structures is searched and application examples of geogrid materials which are used to reinforce the infrastructure, ballast and sub-ballast layers of a railway by supplying a locking mechanism along these materials are investigated. After the investigations, the economic contributions of the ballast reinforcement with geogrid materials is evaluated with data of a railway line stabilizing work between Victoria and Rosenberg regions at USA and unit costs which provided from American material suppliers and transportation companies. Also the approximate costs of building ballast and sub-ballast layers of a railway line in Turkey based on a sample railway cross section which observed in studies with two different situations of being 100 and 300 kilometers away of the ballast quarry to the project area, is calculated and economic contributions to the project costs are evaluated. Project includes also ballast layer reinforcement with geogrid materials; design method is created to calculate the amount of required ballast material by using the tables and design criteria of geogrid which are obtained from literature searches. These calculations for ballast reinforcement are done with the equations which are achieved by modifying the design criteria for unpaved-road subgrade and filling reinforcements with geogrids. Resulting from these evaluations, as said in many different sources, the geogrid application between Victoria and Rosenberg railway line is provided approximately %5 income from of the total project cost. Constructing a railway line in Turkey with specified conditions and applying geogrid reinforcement, may provide approximately %30 incomes from the ballast layer manufacturing and transportation costs. One of most important effects on income level is transportation distance of the ballast material from quarry to the project site, the example of railway construction in Turkey shows that increasing transportation distance between quarry and the project site from 100 to 300 kilometers increases income percentage of material supply and transportation from 23 to 35. In the literature surveys, it seems ballast and sub-ballast reinforcement with geogrid materials also decreasing the maintenance costs by reducing the ballast maintenance necessity and also building ballast layer with geogrid material reinforcement will have lower costs because of easy to install feature of geogrid and having the opportunity of installing with the help of ballast laying equipment. But having no such information and data about the maintenance conditions after reinforcement of the projects reviewed, this issue was not included in this study.