Keväinen kelirikko tekee sorateistä helposti epätasaisia kynnöspeltoja. Samanlaisen hiekkapatjan päälle on rakennettu suomalainen rataverkko.
– Merkittävä osa Suomen rataverkosta syntyi 1800–1900-lukujen taitteessa miestyönä. Alusrakennekerros syntyi hiekkamateriaalista, jota oli saatavilla läheltä ratatyömaata, Juha Latvala kertoo.
Keväisin roudan sulaminen näkyy myös rataverkolle ilmaantuvina heittoina, ja niiden seurauksena radalle asetettuina nopeusrajoituksina. Niitä korjataan tuentakoneella, joka nostaa ratapölkyt alkuperäiseen tasoonsa ja tiivistää ratasepelin niiden alla.
Tampereen yliopiston TerraRail-tutkimusryhmässä on maan paras ratarakenteiden osaaminen. Latvala teki diplomityönsä ryhmässä vuonna 2014 ja kävi Väyläviraston tutkimushankkeessa uuden tutkimuskysymyksen kimppuun: Onko ratojen epätasaisuus seurausta vanhojen alusrakennekerroksen liiallisesta vesipitoisuudesta? Vesi kun tunnetusti heikentää hienojakoisen maan kuormituskestävyyttä.
– Toiveena oli tehdä radan kuivatuksen parantamisesta edullinen keino korjata osa ratojen geometriaongelmista, Latvala kertoo.
Maa on konstikas rakennusmateriaali, sillä rakenteiden lujuus riippuu paljon niiden vesipitoisuudesta. Mitä hienorakeisemmasta maalajista on kyse, sitä helpommin se muuttuu vedellä kyllästyttyään kantamattomaksi velliksi.
– Vanhat ratarakenteet eivät välttämättä täytä nykyisiä materiaalivaatimuksia.
Rantahiekka ei kestä
Väitöskirjansa omassa suosikkijulkaisussa Latvala rakensi kollegoineen Helsingin ja Turun väliselle rantaradalle kolme kenttämittausasemaa. Ne mittasivat radan rakennekerrosten vesipitoisuuksia ja raiteen millintarkkaa korkeusasemaa vuosina 2017–2022. Mittausasemien toiminnan aikana radan kuivatusta parannettiin ojia syventämällä ja uusien salaojien avulla.
– Radan alusrakenteen vesipitoisuus saatiin alenemaan jopa odotettua paremmin.
Mittausasemien luota kaivetut maaperänäytteet taas päätyivät yliopiston laboratorion koelaitteistoon niin sanottuun kolmiaksiaalikokeeseen.
Laitteisto rummuttaa eri vesipitoisuuksissa olevia maanäytteitä 10 000 pystysuuntaisella pulssilla kerrallaan. Koe toistetaan kerta toisensa jälkeen suuremmalla kuormalla, kunnes maanäytteen kantavuus ei enää riitä ja näyte romahtaa.
Latvala esittelee kokeiden tuloksia väitöskirjansa sivuilta. Referenssimateriaalina toiminut nykyohjeiden mukainen karkearakenteinen hiekka kesti täysin vedellä kyllästyneenäkin helposti kuormitusta, joka vastaa paljon nykyistä suurempien akselipainojen aiheuttamia kuormituksia radan alusrakenteessa.
Heikoimmaksi osoittautuneen, läheltä Salon keskustaa rantaradan alta kaivetun maanäytteen kantavuus riitti kyllä radalla liikkuvan kevyen henkilöliikenteen akselipainoilla. Sen sijaan raskaiden tavarajunien kuorma sai sen kantavuuden romahtamaan vedellä kyllästyneenä. Kuivempana sama maalaji kyllä kantoi kuormansa kunnialla. Millaista maata heikoimmaksi osoittautunut näyte oli?
– Se oli sellaista hyvin pyöreäsärmäistä, mukavan hienorakeista rantahiekkaa, Latvala kuvaa.
Jalan alla miellyttävä maalaji on kuitenkin radan rakentajien tarpeisiin liian hienoa ja tasarakeista.
Radanrakentajat ovat aina ymmärtäneet kustannustehokkuuden päälle. Kun maamassoja taannoin siirreltiin hevosin ja lapioin, tuli helposti houkutus tinkiä pohjarakenteiden laadusta. Mitä hienojakoisempi maalaji, sitä heikompi on sen kuormituskestävyys ja sitä alttiimpaa se on routimaan.
Latvala kertoo, että monien vanhojen rataosuuksien alusrakenteita onkin pitänyt uusia vuosikymmenten varrella karkearakeisemmaksi esimerkiksi routaongelmien takia. Vedellä kyllästynyt hienojakoinen maa laajenee jäätyessään. Sulaessaan sen taas palaa entistä tiiviimpään tilaan, ja rataan saattaa syntyä kuoppa, jonka matkustaja tuntee takalistossaan.
Latvalan laboratoriokokeet paljastivat, että myös rataverkolta löytyvien alusrakenteiden kuormituskestävyys saattaa muodostua ongelmaksi, jos maa on veden kyllästämä.
Maa kuivui, rata vajosi
Entä mitä selvisi vuosia kestäneissä kenttämittauksissa? Niiden perusteella radan kuivatuksen parantaminen kyllä kuivatti radan alusrakenteita tehokkaasti. Sillä ei kuitenkaan ollut toivottua vaikutusta radan vajoamisnopeuteen. Rantaradan raiteet vajosivat mittausasemilla samaa tahtia ennen ja jälkeen kuivatusparannusten. Rataverkon 17 routaseuranta-aseman mittausdata vahvisti saman havainnon.
Käytännössä tämä tarkoittaa, ettei kuivatuksen parantamisesta saatu toivottua edullista työkalua radan kunnossapitotarpeen vähentämiseen. Latvala osasi odottaa tätä jo laboratoriokokeiden perusteella.
– Tutkimamme alusrakennemateriaalit kestivät kyllä nykyistä kuormitusta.
Marginaalit eivät kuitenkaan ole suuret, joten kasvavat junien nopeudet ja akselipainot saattavat tulevaisuudessa aiheuttaa ongelmia, samoin kuin vuotuisten sademäärien kasvu.
Kaduilla tierakenteen muodonmuutokset näkyvät tien painumina esimerkiksi bussipysäkeillä. Rautateillä maarakenteet eivät suuremmista akselipainoista huolimatta joudu lainkaan niin kovalle koetukselle kuin tieverkolla.
– Radan päällysrakenne, kiskot, ratapölkyt ja 55 sentin paksuinen karkea ratasepeli jakavat kuormituksen tasaisesti alusrakenteeseen, Latvala selittää.
Rantaradan lähes 10 millimetrin vuosivajoamat olivat siis seurausta 1900-luvun alussa valmistuneen radan alla edelleen painuvista pehmeistä maakerroksista, ei varsinaisista ratarakenteista.
Uudet ohjeet kuivatukseen
Vuosien työ ei mennyt hukkaan, vaikka tutkimustyön alkuperäinen toive ei toteutunut. Nyt tiedetään paljon enemmän radan kuivatuksesta ja sen rakennekerrosten käyttäytymisestä erilaisissa kosteusoloissa.
Väitöskirjan tulosten pohjalta Juha Latvala laati myös uudet kuivatusohjeet tulevaisuuden ratatyömaille.
Vaikka raideliikenteen häiriöt ovat alkuvuodesta 2024 olleet paljon julkisuudessa, antaa tutkija Suomen rataverkon kunnolle maailmanlaajuisessa vertailussa varsin hyvän arvosanan.
– Liikenneongelmat johtuvat harvoin ratarakenteista. Suurempia haasteita ovat tekniset viat ja yksiraiteiset rataosuudet. Myöhästymiset kertaantuvat, kun joudutaan odottelemaan vastaantulevia junia.
Juha Latvalan tie tekniikan tohtoriksi
- 1987. Juha Latvala syntyy Keravalla.
- 1990. Perhe muuttaa Lapualle, diplomi-insinööri-isä on myös sivutoiminen maanviljelijä. – Maatilalla tuli touhuttua kaikenlaista.
- – Väitöskirja syntyi siinä sivussa. Välillä meni vuosikin, etten ehtinyt edistää sitä lainkaan.
- 2006. Tuore ylioppilas aloittaa rakennustekniikan opinnot Tampereen teknillisessä yliopistossa.
- 2008. Latvala kesätöihin Seinäjoki–Oulu-ratahankkeen rakennuttajaorganisaatioon. – Se oli ensikosketus rautateihin, olin töissä kolme kesää ja osa-aikaisena talvellakin.
- 2012. Tutkimusapulaiseksi yliopistolle.
- 2014. Diplomityö lämmön siirtymisestä ratapenkereessä valmistuu, Latvala aloittaa yliopistolla projektitutkijana.
- 2015. Väyläviraston tilaama tutkimus ratojen kuivatuksen parantamisesta vauhtiin. Latvala kirjautuu jatko-opiskelijaksi.
2024. Väyläviraston tilaamien tutkimushankkeiden pohjalta syntynyt rakennustekniikan alan väitöskirja ”The Effect of Drainage on the Functionality of railway track sub-ballast” hyväksytään Tampereen yliopistossa.
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Tutkimuksessa minulle on tärkeää saada aikaan jotain konkreettista hyvää. Edelleen lämmittää mieltä, kun näkee oman kädenjälkensä, ihan kuten lapsuudessa, kun osallistuin maatilan töihin.
Suosikkileikkikalu?
– Moottorisaha ja metsäkuormaaja. Väitöstyön valmistuttua olen harrastanut kotipuolessa metsähommia.
Lempiharrastus?
– Maatilan työt ja lasten kanssa puuhailu.
Tutkimustyössä sattuu ja tapahtuu
Tampereen yliopiston tutkimuskeskus Terra tutkii infrastruktuurirakenteita ja kouluttaa alan diplomi-insinöörejä. Reilun 30 hengen tutkimusyksikkö tuntee Suomen tiet, radat ja pohjarakenteet.
Juha Latvalan uusin tutkimusprojekti ratarakenteisiin keskittyvässä TerraRail-tutkimusryhmässä on junaliikennettä mittaavien monitorointiasemien pystytys.
Tutkimusryhmän suurin työllistäjä on Suomen rataverkosta vastaava Väylävirasto.
Tutkimustyössä tapahtuu. Väitöskirjatyön mittalaitteita ovat vikuuttaneet esimerkiksi rantaradan ratapenkalta uusia haasteita hakeneet enduroharrastajat moottoripyörineen.
– Pohjaveden pinnan tasoa mittaavaan teräsputkeen taas törmäsi pohjatutkimuksia tehnyt kairavaunu.
Kerran mitta-aseman laitteistot pimensi varas, jonka mukaan lähti asemaa sähköistänyt lyijyakku.
– Mutta se osoittautui niin painavaksi, että akku oli jäänyt muutaman metrin päähän mitta-asemasta.