? wegenbouw ? algemeen ontwerp?ir.A.1N. van Es en ing.R.e.KroonARCADIS Bouw/lnfra, AmersfoortIn Nederlandligtongeveer6000 kmspoor. Hetovergrotedeel daarvan isballastspoor, be-staande uit een fundering van zand met een ballastbed waarin betonnen of houten dwars-liggers liggen. Op deze dwarsliggers zijn de spoorstaven gemonteerd. Voor,de huidigetreinbelastingen voldoet dit spoor prima, maar het vereistwel veel onderhoud. Als de fun-dering van de spoorbaan in beton zou kunnen worden uitgevoerd, wordt er aan twee kan-ten winst geboekt: minder onderhoud en de spoorbaan is geschikt voor hoge snelheden.In Best is een proeftraject uitgevoerd met ballastloos spoor.SPOORWEGENFUNDERENZONDERBALLASTBEDCEMENT1998/10Bij ballastloos spoor is het ballastbed ver-vangen door beton of asfalt. In verschillendelanden is ervaring opgedaan met ballast-loos spoor; vooral in Duitsland zijn vanaf1993 veel proefvakken gebouwd. Inmiddelsrijdt de Duitse hogesnelheidstrein op eenaantal trajecten op een 'Feste Fahrbahn', zo-als ballastloos spoor in Duitsland wordt ge-noemd. Vanaf 1999 zal op het nieuwbouw-traject K?ln-Rhein/Main 177 km Feste Fahr-bahnworden gebouwd. In Japan is zelfs 90%van het hogesnelheidsspoor ballastloos.Ook in Nederland liggen al stukjes ballast-loos spoor. Rond 1955 ontwikkelde NS eentype ballastloos spoor voor stalen bruggen,waarbij despoo(staven zondertussenkomstvan dwarsliggers op de brugliggers werdengemonteerd. Daarna kwam er ballastloosspoor op betonnen bruggen. Weer later werdeen constructie met ingegoten spoorstavenbedacht, diein een elastische gietmassa lig-gen. Deze methode, die door NS steeds ver-der is ontwikkeld, werd tussen 1976 en1990 op grote schaal toegepast bij overwe-gen, bruggen en tunnels. Het oudste stukjeingegoten spoor dateert van 1976. Dezezettingsarme baan ligt in Deurne in hetspoor Venlo-Eindhoven en is samengestelduit prefab betonelementen van 6 m lengte.Zowel het produceren als het leggen van debetonelementen brengen hoge kosten metzich mee met het gevolg dat, ondanks devoordelen van dittype spoor, het niet op gro-tere schaal werd toegepast.Rond 1990 kwam een ontwikkeling op gangwaarmee betonbanen in grote lengten ge-bouwd konden worden door middel van eencontinu stortsysteem (slipform-methode),hetgeen de meterprijs fors deed dalen. Op-nieuw werd het bouwen van ballastloosspoor interessant, temeer daar de voorde-len bij het proefspoor in Deurne in de loopder jaren duidelijk waren aangetoond. In te-genstelling tot de Duitse systemen was ditproefspoor gedurende meer dan 17 jaar on-derhoudsvrij.Ballastloos spoor is nietalleen zeer geschiktvoor hoge snelheden, het biedt ook moge-lijkheden om geluidsoverlast te beperken.Proeftraject ballastloos spoor in BestIn opdracht van de afdeling Systeemontwik-keling van NS Railinfrabeheer is in mei 1998gestart met de aanleg van een ballastloosproeftraject van3km lengte in het baanvakBoxtel-Eindhoven bij Best [1]. In het kadervan Rail 21 wordt het baanvak hier namelijkuitgebreid van twee naar vier sporen. Hetproeftraject Ballastloos Spoor, ook wel 'Be-tonbaan' genoemd, kon hierdoor op effici?n-te wijze in het nieuwe baanvakontwerp wor-den ge?ntegreerd. De betonbaan bestaat uiteen op een zandcementstabilisatie gefun"deerde doorgaande betonplaat met ingego-ten spoorstaven (fig. 1).Het proeftraject moet veel informatie ople-veren over de ontwerp- en uitvoeringstech-nieken en de bouwkosten. Ook moet deproef uitwijzen hoe dit ballastloze spoor metingelijmde spoorstaven zich in de praktijk ge-draagt.13? wegenbouw ? constructief ontwerp ? funderingenzandCD Dwarsdoorsnede betonbaanGeletop hetindustri?le karaktervan het pro-ductieproces, waarvoor materieel moestworden geselecteerd en mogelijk aangepasten waarvoor uitvoeringsdeskundigheid ont-wikkeld en ingebracht moest worden, is eenbouwteam gevormd bestaande uit deskun-digen van NS Railinfrabeheer afdeling Sys-teemontwikkeling, ingenieursbureau ARCA-DIS en aannemerscombinatie Strukton/KWS/Heijmans.GrondonderzoekHet grondonderzoek omvatte sonderingen,boringen en laboratoriumonderzoek. Hetgrondpakket ter plaatse van het onderzoch-te trac? is als volgt te beschrijven:Overde bovenste 3 tot 5 m komen lostotma-tig vast gepakte ziltige zandlagen voor. Dezelagen worden op verschillende diepten on-derbroken door zandige leemlagen, in diktevari?rend van 0,5 tot 2 m. Over een lengtevan 800 m bevindtzich op een diepte van cir-ca 5 m onder maaiveld een veenlaagvan 0,5tot 1,0 m dikte. Hieronder bevinden zich ma-tige totvaste, ziltige zandlagen. Overhet res-terende deel van het trac? is de ondergrondmeer vastgepakt en wordtplaatselijk door-sneden door leemlagen. Op grotere diepte,circa 8 m onder maaiveld, zijn over de gehelelengte van het traject verschillende lagenaangetroffen, vari?rend van vastgepaktezandlagen, eventueel met leemlenzen, totslappe leem- en veenlagen.Bij sonderingen in bestaande spoorbanenzijn op relatief geringe diepte (circa 1 ? 1,5m) losgepakte zandlagen aangetroffen, ter-wijl daartoch tientallenjaren treinen haddengereden. Dit betekent kennelijk dat het ver-dichtingseffect van treinen niet bijzonderdiep doorwerkUn Duitsland zijn ooktrillings-14metingen in de ondergrond uitgevoerd,diedit bevestigen. Ook bij gebruik van zware tril-walsen wordt veelal tot geen grotere dieptedan circa O,5m een substanti?le verdichtingbereikt.BeddingsgetalOm de betonbaan te kunnen dimensionerenmoet het beddingsgetal van de ondergrondbekend zijn. Het minimale beddingsgetal isontleend aan het grondmechanisch rapport[2]. Het is bepaald uit de berekende zettingten gevolge van de gelijkmatig verdeeld aan-gebrachte belasting. Over het gehele trajectis de berekende gemiddelde beddingsco?f-fici?nt circa 10 000 kN/m3. Uit vergelijkingvan de sonderingen blijktmin of meer dat degrondopbouw over het traject vrij hetero-geenis, waardoor niet met zekerheid is vastte stellen over welk gebied een bepaaldezetting zich zal voordoen. Voor de dimensio-nering van de betonbaan is derhalve uitge-gaan van een minimale beddingsconstantevan circa 6700 kN/m3 ?Invloed zettingsverschillenDoor de aanwezigheid van slappe (leem)la-gen zijn zettingsverschillen te verwachten. Inhetgrondmechanisch rapportwordt een zet-ting van circa 10 mm over een afstand vancirca 25 m aangegeven. Als deze afstandwordt beschouwd als de koorde van een cir-kelboog, dan is bij een pijl van 10 mm dekromtestraal circa 7800 m. In het functio-neel programma van eisen [3] wordt als eisgesteld dat bij ingebruikname van het spoorhet zettingsverschil niet meer mag bedra-gen dan 2 mm op een afstand van 10 m. Ditkomt overeen met eenkromtestraal van6250 m. Aan de gestelde eis wordt hiermeevoldaan.BelastingsspectraIn het functioneel programma van eisen isgesteld datde betonbaan geschikt moet zijnvoor spoorwegverkeer met drie aslasten vanmaximaal 250 kN, h.o.h. 1,50 m, bij eensnelheid van 100 km/h, respectievelijk as-lasten van maximaal 180 kN bij een snelheidvan 300 km/h bij dezelfde aslastafstand.De frequentie van de aslasten is vergelekenmet de eigenfrequentie van de betonbaan.De berekende eerste eigenfrequentie vande betonbaan (f1 ) is 12 Hz. Voor de belas-tingsspectra is voor de eenvoud de frequen-tie van de aslasten vertaald als de nde-fre-quentie van de betonbaan (fbaan ). Bijeensnelheid van 300km/h en een as-lastafstand van 1,50 mh.o.h. wordt fbaan =191 Hz. Voor deze aslastafstand liggen defrequenties zover uit elkaar, dat de bereke-ning feitelijk statisch wordt.Dynamische stabiliteit ondergrondTot voor kort kon de dynamische stabiliteitvan de ondergrond alleen globaal worden af-geschat. Deze onzekerheid heeft in Duits-land vaak geleid tot overbodige en duremaatregelen om de ondergrond te verbete-ren. Dit kan worden vermeden als de dyna-mische stabiliteit direct in het veld kan wor-den gemeten. Voor deze beproevingen isdoor ARCADIS Trischier tezamen met KruppGft de Dynamic Stability Field Test (DySta-FiT) ontwikkeld. Metdezetestis hetmogelijkeen dynamisch belastingsniveau te simule-ren dat karakteristiek is voor hoge snelhe-den van 300 km/h, waarmee voorspellingvan de dynamische stabiliteit en de optre-dende zettingen van de ondergrond mogelijkis.CEMENT1998/10Isolator~Vibrator@ Mobiele testapparatuur DyStaFiT ? Wapening betonbaanDe apparatuur bestaat uit een hydraulischemachine met een makelaar, waaraan eenhoogfrequente vibrator met een staalplaatmeteen diametervan 2,5 misbevestigd. Viadeze staalplaat worden de in de vibrator op-gewekte krachten op de ondergrond overge-bracht (fig. 2).Uit proeven met deze apparatuur is eenvoorspelling van de dynamische stabiliteiten de optredende zettingen van de onder-grond mogelijk. Met de DyStaFiT-apparatuurzijn op vijf verschillende locaties in het trac?van de betonbaan proeven uitgevoerd [4].Voor de DyStaFiT-proeven waren zettings-meters, trillingsmeters, gronddruk- en wa-terspanningsmeters aangebracht. Tijdensde uitvoeringvan de proeven werden metin~clinometers de zettingen van de ondergrondbepaald en werden de grond-en waterspan-ningen gemeten. De resultaten van dezeproeven kunnenin een laterstadium wordenvergeleken met de uitkomsten van het uit tevoeren meetprogramma [5].Invloed aanwezige kunstwerkenDe betonbaan wordt aangelegd in een conti-nu proces. Dit houdt onder meer in dat terhoogte van duikers en tunnels dezelfde be-tondoorsnede wordt gemaakt als op de vrijebaan. De aanwezigheid van duikers en tun-nels in het trac? kan echter grote invloedhebben op het dimensioneren van de wape-ning, aangezien verwacht mag worden datdaarter plaatse debetonbaan slechts in ge-ringe mate ofvrijwel nietzal zetten. Belastin-gen boven deze kunstwerken worden directCEMENT1998/10naar de onderbouw overgebracht, waardoorde overgang van baan naar kunstwerk maat-gevend wordt.De meest ongunstige situatie is wanneer dete verwachten restzettingen van de baan bijminimaal beddingsgetal ongestoord kun-nenplaatshebben. Op zich is het zettings-verschil op te vangen door extra wapeningaan te brengen. Het verschil is echter vandien aard dat ze niet aanvaardbaar is voorde spoorligging. Om het zettingsverschil te-rug te brengen tot aanvaardbare proporties,wordt de betonbaan boven de kunstwerkentijdelijk niet ondersteund door deze op zandte storten, dit zand na verharding van de be~tonbaan weg te spuiten en kort voor het inIij-men van de spoorstaven de resterende ope-ning te ondergrouten.De berekening wordt daarmee terugge-bracht tot een standaard-belastingsgevalvan een elastisch ondersteunde ligger dieplaatselijk nietis ondersteund.De benodigde wapening is bepaald door deliggerte beschouwen als een oneindig langeligger op elastische bedding, uitgaande vanhet minimale beddingsgetal. Conform deVBC en de voor de Nederlandse Spoorwe-gen geldende aanvullingen zijn hierin de in-vloeden van opgelegde vervormingen(krimp, temperatuur en zetting) betrokken.UitvoeringIn het normale dwarsprofiel van een spoor-baan wordt tot 1,50 m onder B.S. ( = Boven-kant Spoor) een grondverbetering toege-past,bestaande uit zand met een water-doorlatendheidswaarde (K-waarde) van 3m/dag en een verdichtingsgraad van 96%.Om de zettingen in het baanlichaam terplaatse van de betonbaan binnen relatiefkorte tijd te laten optreden, wordt in plaatsvan de grondverbetering een 0,50 m dikkezandcement-stabilisatielaagaangebracht.Dit wordt uitgevoerd via de mix-in-place me-thode. Inde stabilisatielaag wordt 150kg/m3CEM III/B 42,5 LH HS toegepast.De stabilisatielaag wordt in een overbreedteaangebracht voor hetspreiden van de krach-ten naar de ondergrond. Tevens ontstaathierdoor naast de aan te brengen beton-piaat een verharde strook van circa 0,75 m,die als loopvlakdientvoor deslipformpaver.De stabilisatielaag wordtzuiver ophoogte af-gewerkt met een lasergestuurde wals. Waarde spoorbaan in verkantingJigt, wordt deze inde stabilisatielaag aangebracht. Hierdoorblijftde doorsnede van de aan te brengen be-tonbaan over de totale lengte gelijk.Op de stabilisatielaag wordt het wape-ningsnet geplaatst (foto 3). waarna het ineen mobielemenginstallatie gemengde be-ton wordt aangebracht met een slipformpa-ver (foto 4). Een productie van circa 40 m peruur is hiermee mogelijk. Als nabehandelingwordt hetbeton metfolie afgedekt(foto 5).In de twee uitgespaarde goten wordt na en-kele dagen verharden een 12 mrn dikkekurkrubberstrook gelijmd. De spoorstavenworden hierop afgesteld met kurkrubberwig-~15? wegenbouw ? onderzoek ? monitoringoAanbrengen beton met slipformpavergen, waarna ze worden ingelijmd met deflexibele gietmassa Corkelast.Omdat de spoorstaven spanningsloos moe"ten worden ingelijmd bij een constante tem"peratuur, worden ze inductief verwarmd toteen constante temperatuur van 17 ?C. Dekurkelastomeer, die uit twee componentenbestaat, wordt met een computergestuurdemenginstallatie gemengd en via slangennaar de goten verpompt. Per dag kan onge"veer 240 m spoorbaan worden ingelijmd.In tabel 1 zijn de technische gegevens vanhet ballastloze spoor bijeengebracht.Na het inlijmen van de spoorstaven zijn hetaanbrengen van een drainagesysteem enhet afwerken van het baanlichaam de laat"ste activiteiten.Indien vereist kunnen er diverse geluidsbe"perkende maatregelen op de betonbaan? Nabehandeling betonbaanworden aangebracht, zoals mini"geluids"schermen, geluidsabsorberende platen engeluidsarme spoorstaven.Meetprogramma naindienststelling be-tonbaanDe door ARCADIS Trischier uitgevoerde me"tingen zullen naingebruikname van hetspoor in oktober 1998 wederom worden uit"gevoerd om te verifi?ren ofhetgedragvan deondergrond in de praktijk overeenkomt metde DyStaFiT"proeven Dit betreft metingenvan zettingen van de betonbaan alsmedezettingen, versnellingen en trillingen van deondergrond. De metingen zullen worden ver"richt onderverschillende toenemende trein"belastingen en snelheden. Ook zal een sca"la aan metingen [5] worden uitgevoerd ominformatie te verkrijgen over:? de zettingsgevoeligheid van ballastloosspoor;? het gedrag van de constructie onder ver"schillende weersinvloeden;? het gedrag van de constructie onder trein"belastingen;? de geluidsafstraling en trillingsdoorgelei"ding.Dit betreft onder meer de volgende metin"gen: geometrie, zettingen, gronddruk, buig"spanningen, scheurontwikkeling (wijdte enafstand) in de betonbaan, uitzetting c.q.krimp van de betonbaan als gevolg van tem"peratuurinvloeden, temperatuurverschiltussen ingegoten spoorstaven enspoorsta"ven op een aardebaan, lengteverschillentussen spoorstaven en betonbaan bij tem"peratuursinvloeden, drukspanningen inlengterichting van de betonbaan, verplaat"singen van de spoorstaafkop, geluids" entrillingsmetingen.Literatuur1. Technisch programma van eisen en uit-gangspunten. NS Railinfrabeheer afdelingSysteemontwikkeling en ARCADIS Bouw/ln-fra, 31 oktober 1998.2. Proefproject ballastloos spoor nabij Bestkm 43.600-47.000 spoorlijn Oirschot-Eind-hoven. Fugro Ingenieursbureau BV, 23 de-cember 1998.3. Functioneel programma van eisen. NSRailinfrabeheer afdeling Systeemontwikke-ling en ARCADIS Bouw/lnfra, 31 oktober1998.4. Dynamische Tests mit DyStaFiT in Best!NL. ARCADIS Trischier, 3 februari 1998.5. Meetprogramma voor 'Pilot project bal-lastloos spoor Best'. NS Railinfrabeheer af-deling Systeemontwikkeling, 27 november1997. ?Tabel 1Technische gegevens ballastloos spoor te Best16 CEMENT1998/10