Zużycie torowiska podsypkowego

Tradycyjnej konstrukcji torowisko podsypkowe składa się z szyn, podkładów i podsypki. Konstrukcja ta zabudowana jest w gruncie, w przekopie lub na nasypie. Szereg procesów fizycznych doprowadza do stopniowego zużycia torowiska, skutkującym ograniczeniem dopuszczalnej prędkości maksymalnej i nacisku.

Na torowisko podsypkowe oddziałują warunki atmosferyczne. Ziarna kruszywa tworzą porowatą, zwartą strukturę, odprowadzającą wodę. Wiatr nawiewa na torowisko piasek, resztki roślin i inne odpady organiczne. Fekalia z wagonów z otwartego obiegu toalet kierowane są na torowisko. Pył metaliczny ze ścierających się kół obsypuje kruszywo, barwiąc je na brunatno. Szczególnie dużo metalicznego pyłu powstaje w miejscach zatrzymań pociągów –są to drobiny z żeliwnych klocków hamulcowych, kół kolejowych, a także opiłki z tarcz hamulcowych i klocków hamulcowych. Z przekładni starej konstrukcji wyciekają krople oleju. Łączą się one z pyłem i tworzą zwarte błoto, nie przepuszczające wody, bądź wręcz nią nasiąkające. Piasek z piasecznic, wykorzystywanych w okresie zimowym, zalega na torowisku.

Powstałe błoto, mieszanina zanieczyszczeń, piasku i gruntu, wypełnia szczeliny pomiędzy kruszywem. Wówczas do akcji wkracza woda. Krople deszczu wpływające po opadach, roztapiający się śnieg, bądź spływająca po gruncie woda wypełnia szczeliny. Ciecz, pchana przez grawitację, drąży kanały i szczeliny w kruszywie, poszukując ujścia. Woda rozpycha ziarna kruszywa i wypełnia przestrzenie błotnistą frakcją. Podsypka miesza się z sąsiadującym gruntem, szczególnie jeśli nasyp lub przekop są porośnięte, bądź –w wypadku bocznic – w ogóle nie istnieje żadna granica pomiędzy torowiskiem a gruntem rodzimym. Na bocznicach lub nieużywanych liniach, nawiewany grunt wypełnia wszystkie szczeliny i staje się miejscem wzrostu roślin. Trawa, krzewy, a później drzewa, wprowadzają swoje korzenie pomiędzy ziarna kruszywa i degradują torowisko.

Dodatkowo, zmienną nośnością charakteryzuje się grunt, który ma odebrać wodę z torowiska. W okresie letnim jest on wysuszony i stabilny. Po silnych opadach deszczu i nasiąknięciu, nośność gruntu zmniejsza się. Dotychczas zwarta konstrukcja ziemna uplastycznia się i rozpływa pod naporem torowiska. W okresie zimowym, grunt zamarza na niedużą głębokość, szczególnie w czasie długich, silnych mrozów. Wraz z wiosennymi roztopami, wierzchnia warstwa gruntu zamienia się w błoto, podatne nawet na niewielkie naciski.

Na ten okresowo podatny grunt i ulegające zanieczyszczeniu kruszywo podawany jest ciężki nacisk. Pojazdy szynowe poruszają się po stalowych kołach, które na niewielkim odcinku obwodu koła skupiają potężny nacisk sięgający 22,5 tony (225 kN). Siła ta przypada na niewielką powierzchnię styku, gdyż stalowe koło ulega jedynie mikroskopijnym odkształceniom. W rezultacie, potężny nacisk, dwukrotnie większy niż w ruchu samochodowym (max 115 kN na oś), przypada na wielokrotnie mniejszą powierzchnię. Siła ta przyjmowana jest przez główkę szyny, która rozprowadza ją przez szyjkę i stopkę na podkłady. Pomimo, iż podkłady są gęsto rozmieszczone, to szyny zauważalnie uginają się pod ciężarem przetaczających się wagonów. Oddziaływania te wzrastają wraz z przyrostem prędkości pociągu.

Potężna masa pojazdu kolejowego nie tylko odgina szyny, wywołując statyczny nacisk. Istotny jest też fakt, iż szyna faluje pod pojazdem, uginając się i unosząc pod kolejnymi osiami pociągu. W rezultacie, wraz z przetaczaniem się następnych osi, szyny skręcone na sztywno z podkładami wpadają w wibracje. Podkłady wbijają się w tłuczeń, dodatkowo nim potrząsając. Efekt końcowy jest podobny jak w sicie: wszystkie zanieczyszczenia spadają głębiej, poprzez szczeliny między ziarnami. Tłuczeń wypełnia się brudem i zatyka.

Do tak powstałej mieszanki wprowadzana jest woda, rozmywająca strukturę tłucznia. Szyny, ustawione początkowo idealnie prosto lub zgodnie z geometrią łuku, zaczynają wraz z podkładami odpływać w kierunku, gdzie opór jest najmniejszy i kruszywo zmieszane jest z pyłem. Podkłady przesuwają się, odchylają, a szyny uginają, tworząc chaotycznie pofalowaną drogę. Poruszające się pojazdy szynowe wpadają w drgania, wychylają się, falują i wibrują. Pogarsza się komfort podróży, a kontakt koła z szyną staje się niepewny. Poruszanie się z dużą prędkością zaczyna zagrażać wykolejeniem. Prędkość maksymalna i nacisk muszą zostać ograniczone, na czym tracą przewoźnicy i klienci kolei. Tak zużyte torowisko wymaga oczyszczenia podsypki i wyrównania toru w planie i profilu.