Een rijdende aardbeving

Auke Ditzel het voorspellen.

De Grieken hadden de primeur met vervoer over spoor. Ze groeven twee greppels, elke precies zo breed als het wiel van een paard en wagen. Zeventien eeuwen later werden de eerste houten sporen gemaakt, voor vervoer van kolen in de mijnen. De industriële revolutie bracht de eerste stoomlocomotief. Erg snel ging het nog steeds niet: acht kilometer per uur, over een stukje rails van vijftien kilometer.

Nu denderen we met driehonderd kilometer per uur van Amsterdam naar Parijs. Maar dat denderen brengt een nieuw probleem met zich mee: grondtrillingen. De trein als rijdende aardbeving; met naast het spoor grondverzakkingen, beschadigingen aan gebouwen, vermoeiingsscheuren in rails en geluidsoverlast tot gevolg.

Auke Ditzel, die vorige week dinsdag zijn proefschrift ‘Train-induced ground vibrations’ verdedigde, ontwikkelde een model om die grondtrillingen langs het spoor te voorspellen.

Als de verwachte trillingen te heftig worden, kunnen met zijn onderzoek bijtijds aanpassingen gedaan worden, zoals verlaging van de maximumsnelheid van de trein of versterking van de grond door het injecteren van beton. Onmisbaar gereedschap voor de ontwerpers van treintrajecten als de HSL en Noord-Zuid-lijn dus.

Ditzel: ,,Treinen bewegen altijd op en neer. Vooral door ongelijkmatigheden in het spoor en de wielen. Die oscillerende krachten veroorzaken golven in de grond, met allerlei frequenties. Bij bepaalde combinaties van trein- en bodemeigenschappen kunnen de trillingen elkaar versterken. Een machinist ziet hierdoor soms letterlijk het landschap voor zijn trein bewegen. Ook chauffeurs van zware vrachtwagens kennen dit effect.”

Schokgolf

Vooral het gewicht en de snelheid van de trein zijn van belang. Ditzel: ,,Als de trein sneller rijdt dan de langzaamste grondtrilling, ontstaat een schokgolf die vergelijkbaar is met een vliegtuig dat door de geluidsbarrière vliegt.”

Snelle treinen kunnen daarbij voor onaangename verrassingen zorgen. In 1995 werd in Frankrijk het wereldsnelheidsrecord op 331 kilometer per uur gezet, maar wel ten koste van zware beschadiging van het spoor. In 1993 ontspoorde er zelfs een Franse hogesnelheidstrein door een verzakking onder het spoor.

Ditzel maakte een model waarbij trein- en bodemeigenschappen ingevoerd kunnen worden, en vervolgens de verwachte grondtrillingen driedimensionaal afgebeeld worden. Hiermee kunnen bodemdeskundigen de effecten van hoge snelheidstreinen op Nederlandse poldergrond beter voorspellen.

Ditzel controleerde zijn model met veldexperimenten. ,,Nederlandse grond is erg zacht”, aldus de onderzoeker, ,,daarom worden gebouwen, wegen en sporen ook zo vaak onderheid. Naar de effecten van hogesnelheidstreinen op zachte grond was nog maar weinig onderzoek gedaan.”

Ditzel deed een aantal veldexperimenten om zijn model te toetsen. Hij plaatste geofoons in de weilanden tussen Delft en Rotterdam om grondtrillingen te meten. Met de vibraties na het afsteken van een klein explosief (‘een soort rotje’) bepaalde hij de grondsamenstelling. De nietsvermoedende passerende intercity’s, snel- en stoptreinen zorgden voor de overige vibratiedata.

Ditzel: ,,De experimenten komen aardig overeen met mijn model. Zo werkt in beide het spoor goed als golfgeleider en fungeert een sloot als een demper voor hoogfrequente trillingen.”

Overal langs het spoor sloten graven dan maar? ,,Nee, was het maar zo makkelijk”, lacht Ditzel. ,,Vooral de laagfrequente trillingen veroorzaken de problemen, zoals trillende gebouwen. Ik heb alleen het gereedschap gemaakt om de golfpatronen te voorspellen. Iemand anders mag nu nadenken over hoe de trillingen verminderd kunnen worden.”

Hoe hard trilt een theekopje op zijn schoteltje op tien meter afstand van het toekomstig HSL-tracé? Met rotjes, geofoons en flink veel wiskunde kan ir. Auke Ditzel het voorspellen.

De Grieken hadden de primeur met vervoer over spoor. Ze groeven twee greppels, elke precies zo breed als het wiel van een paard en wagen. Zeventien eeuwen later werden de eerste houten sporen gemaakt, voor vervoer van kolen in de mijnen. De industriële revolutie bracht de eerste stoomlocomotief. Erg snel ging het nog steeds niet: acht kilometer per uur, over een stukje rails van vijftien kilometer.

Nu denderen we met driehonderd kilometer per uur van Amsterdam naar Parijs. Maar dat denderen brengt een nieuw probleem met zich mee: grondtrillingen. De trein als rijdende aardbeving; met naast het spoor grondverzakkingen, beschadigingen aan gebouwen, vermoeiingsscheuren in rails en geluidsoverlast tot gevolg.

Auke Ditzel, die vorige week dinsdag zijn proefschrift ‘Train-induced ground vibrations’ verdedigde, ontwikkelde een model om die grondtrillingen langs het spoor te voorspellen.

Als de verwachte trillingen te heftig worden, kunnen met zijn onderzoek bijtijds aanpassingen gedaan worden, zoals verlaging van de maximumsnelheid van de trein of versterking van de grond door het injecteren van beton. Onmisbaar gereedschap voor de ontwerpers van treintrajecten als de HSL en Noord-Zuid-lijn dus.

Ditzel: ,,Treinen bewegen altijd op en neer. Vooral door ongelijkmatigheden in het spoor en de wielen. Die oscillerende krachten veroorzaken golven in de grond, met allerlei frequenties. Bij bepaalde combinaties van trein- en bodemeigenschappen kunnen de trillingen elkaar versterken. Een machinist ziet hierdoor soms letterlijk het landschap voor zijn trein bewegen. Ook chauffeurs van zware vrachtwagens kennen dit effect.”

Schokgolf

Vooral het gewicht en de snelheid van de trein zijn van belang. Ditzel: ,,Als de trein sneller rijdt dan de langzaamste grondtrilling, ontstaat een schokgolf die vergelijkbaar is met een vliegtuig dat door de geluidsbarrière vliegt.”

Snelle treinen kunnen daarbij voor onaangename verrassingen zorgen. In 1995 werd in Frankrijk het wereldsnelheidsrecord op 331 kilometer per uur gezet, maar wel ten koste van zware beschadiging van het spoor. In 1993 ontspoorde er zelfs een Franse hogesnelheidstrein door een verzakking onder het spoor.

Ditzel maakte een model waarbij trein- en bodemeigenschappen ingevoerd kunnen worden, en vervolgens de verwachte grondtrillingen driedimensionaal afgebeeld worden. Hiermee kunnen bodemdeskundigen de effecten van hoge snelheidstreinen op Nederlandse poldergrond beter voorspellen.

Ditzel controleerde zijn model met veldexperimenten. ,,Nederlandse grond is erg zacht”, aldus de onderzoeker, ,,daarom worden gebouwen, wegen en sporen ook zo vaak onderheid. Naar de effecten van hogesnelheidstreinen op zachte grond was nog maar weinig onderzoek gedaan.”

Ditzel deed een aantal veldexperimenten om zijn model te toetsen. Hij plaatste geofoons in de weilanden tussen Delft en Rotterdam om grondtrillingen te meten. Met de vibraties na het afsteken van een klein explosief (‘een soort rotje’) bepaalde hij de grondsamenstelling. De nietsvermoedende passerende intercity’s, snel- en stoptreinen zorgden voor de overige vibratiedata.

Ditzel: ,,De experimenten komen aardig overeen met mijn model. Zo werkt in beide het spoor goed als golfgeleider en fungeert een sloot als een demper voor hoogfrequente trillingen.”

Overal langs het spoor sloten graven dan maar? ,,Nee, was het maar zo makkelijk”, lacht Ditzel. ,,Vooral de laagfrequente trillingen veroorzaken de problemen, zoals trillende gebouwen. Ik heb alleen het gereedschap gemaakt om de golfpatronen te voorspellen. Iemand anders mag nu nadenken over hoe de trillingen verminderd kunnen worden.”