Câu hỏi: Tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa?
Trả lời:
Việc sử dụng đá dăm có vai trò hết sức quan trọng cho đường ray. Có thể bạn chưa biết, 99% thời gian đường ray sẽ không chịu lực, nhưng 1% còn lại nó sẽ phải cõng nguyên một đoàn tàu nặng hàng ngàn tấn. Thanh tà vẹt sẽ giúp cho các đường ray cố định vị trí khi tàu đi ngang qua, đồng thời truyền lực ép của đoàn tàu xuống dưới đất. Để đảm bảo áp lực được truyền đều xuống bên dưới trong khi vẫn giữ cho đường ray ổn định dưới tải trọng động của một con tàu đang chạy, các thanh tà vẹt được đặt trên một lớp đá dăm. Thêm vào đó, đường ray thường nằm lộ thiên vì vậy chúng phải đối mặt với các yếu tố thời tiết như co giãn nhiệt, chuyển động của mặt đất, địa chấn, mưa và nhiều yếu tố thiên nhiên khác như cỏ dại, cây dại mọc lên từ bên dưới.
Đá dăm sẽ giúp khắc phục các vấn đề trên, nó sẽ giúp hấp thụ nhiệt tốt hơn, giảm nhiệt cho đường ray. Các lớp đá sẽ ngăn chặn các cây dại mọc từ dưới đất lên, đồng thời sẽ giúp thoát nước tốt hơn khi đường ray ngập nước, ảnh hưởng đến độ an toàn của đường ray.
Trở lại câu hỏi, nhiều người sẽ thắc mắc vì sao không sử dụng các viên sỏi tròn mòn phải là đá dăm nhiều cạnh? Bạn hãy thử hình dung một đống cát và một đống đá dăm, bạn hoàn toàn có thể dùng tay đẩy đống cát đi dễ dàng, nhưng với đống đá dăm, hầu như không thể. Tính chất đó có được do "nội ma sát của tập hợp đá", nó giúp đường ray được cố định, giảm tải tốt hơn.
Cùng Top lời giải tìm hiểu một số kiến thức xung quanh đường ray xe lửa nhé!
1. Đường ray là gì?
Đường ray hay đường rầy là thành phần cơ bản trong giao thông đường sắt. Đường ray cùng với bộ phận chuyển ray dẫn hướng cho tàu hoả hay xe điện di chuyển mà không cần lái. Tuyến đường ray gồm 2 ray song song với nhau đặt trên các thanh ngang gọi là tà vẹt, tà vẹt được đặt trên lớp đá dăm gọi là đá ba lát.
Tại sao khi đặt đường ray xe lửa người ta phải để một khe hở?
Khi đặt đường ray xe lửa người ta phải để một khe hở ở chỗ tiếp giáp giữa hai thanh ray vì khi tàu chạy có ma sát làm tăng nhiệt độ của đường ray, khi đó đường ray giãn nở ra. Nếu không để khoảng cách đó thì ray có thể bị cong hoặc bị uốn vòng lên, tàu hỏa đi qua có thể trật khỏi đường ray.
2. Những điều thú vị về đường sắt
Đông đúc nhất thế giới: Ga Shinjuku, Nhật Bản
Ga Shinjuku ở Tokyo, Nhật Bản xác lập kỷ lục Guiness thế giới là điểm giao thông đông đúc nhất vì mỗi ngày trong năm 2007 ga đón trung bình 3,64 triệu lượt khách. Ngoài ra, Shinjuku có tất cả 36 điểm dừng và hơn 200 cửa ra vào. Tokyo cũng là nơi có hệ thống tàu điện ngầm bận rộn nhất thế giới với 3,334 tỉ chuyến vào năm 2013
Chậm nhất thế giới:Glacier Expresscủa Thụy Sĩ
Glacier Expresscủa Thụy Sĩ là chuyếntàu cao tốcchậm nhất thế giới khi mất tới 8 tiếng để hoàn thành quãng đường dài 291 km. Đó là bởi tuyến đường của chuyến tàu này sẽ đi qua những khung cảnh xinh đẹp từ điểm cao nhất của hành trình là Oberalp Pass cho tới cầu đường sắtLandwasser Viaductnằm ở độ cao 65m và lao thẳng xuống một đường hầm đi xuyên qua núi. Chuyến hành trình dài cả ngày này đi qua 91 đường hầm và 291 cây cầu.
Bận rộn nhất nước Anh: Ga Clapham Junction
Tại Anh, Clapham Junction ở thủ đô London là nhà ga đông nhất về số lượng tàu đến và đi [khoảng 110 chiếc mỗi giờ]. Trong khi London Waterloo là nơi giữ vị trí có lượng khách nhiều nhất đất nước với hơn 60 triệu lượt một năm.
Yên tĩnh nhất nước Anh: Ga Reddish South
Theo số liệu đường sắt quốc gia Anh vào tháng 8/2007, Reddish South tại Stockport có 47 tàu đến và đi trong 12 tháng. Con số này cho thấy đây là nhà ga được sử dụng ít nhất. Ảnh: geograph.
Dài nhất thế giới: Đường tàu Yiwu, Trung Quốc - Madrid, Tây Ban Nha
Tháng 12.2014, chuyến tàu dài nhất thế giới từ Yiwu, tây Trung Quốc tới Madrid, Tây Ban Nha kéo dài 20 ngày. Tuyến đường sắt này đi qua Kazakhstan, Nga, Belarus, Ba Lan, Đức và Pháp với chặng đường dài gần 13.000 km. Ảnh: Xinhua/Rex.
Dịch vụ thường xuyên dài nhất: Đường sắt xuyên Siberia
Tuyến đường sắt trực tiếp dài nhất thế giới là tuyến đường sắt Xuyên Siberia từ Moscow tới Vladivostok. Tuyến đường này đi qua quãng đường dài 9.289 km với 8 múi giờ và mất 166 tiếng để hoàn thành. Chuyến tàu này có 142 điểm dừng, đi qua 87 thành phố và thị trấn.
Ngắn nhất thế giới: Đường sắt ở Vatican
Không chỉ là đất nước nhỏ bé nhất thế giới mà ở đây còn tồn tại đường sắt ngắn nhất, chỉ dài 300 m. Tuyến đường này chủ yếu để trung chuyển thực phẩm, hàng hóa theo mùa và thường không có hành khách
Ngắn nhất châu Âu: Đường sắt Storurbridge Town
Đây là tuyến ngắn nhất ở châu Âu để kế nối từ ga đầu mối Stourbridge tới thị trấn cùng tên. Hành trình chỉ kéo dài 3 phút qua 1,6 km đường sắt.
Cao nhất thế giới: Đường sắt Trung Quốc - Tây Tạng
Tuyến đường sắt đi từ tỉnh Thanh Hải, Trung Quốc tới Tây Tạng nằm ở độ cao 5.072 m so với mực nước biển, qua đèo Tanggula, cũng là nơi có trạm ga cao nhất thế giới. Đường sắt được xây dựng trên tổng số 675 cây cầu ghép lại. Ngoài ra, tuyến này có cung cấp oxy cho hành khách do đặc điểm độ cao ít không khí.
Thấp nhất thế giới: Đường tàu Seikan, Nhật Bản
Tuyến Seikan chạy nối liền hai hòn đảo Honshu và Hokkaido của Nhật Bản là đường tàu nằm thấp nhất trên thế giới tại vị trí thấp hơn 240 m so với mực nước biển. Seikan còn có hệ thống hầm đường sắt dài nhất thế giới [53 km].
Dài nhất nằm dưới biển: Đường hầm Channel
Trong khi Nhật Bản có tuyến đường sắt nằm ở vị trí thấp nhất, thì Channel - đường hầm qua eo biển Manche lại là tuyến đường sắt qua hầm chạy dưới nước dài nhất thế giới với gần 38 km. Hầm đường sắt Channel đi vào hoạt động năm 1994.
Đường ray hay đường rầy là thành phần cơ bản trong giao thông đường sắt. Đường ray cùng với bộ phận chuyển ray dẫn hướng cho tàu hoả hay xe điện di chuyển mà không cần lái. Tuyến đường ray gồm 2 ray song song với nhau đặt trên các thanh ngang gọi là tà vẹt, tà vẹt được đặt trên lớp đá dăm gọi là đá ba lát.
Vì sao bên dưới đường ray xe lửa phải rải đá?
Khi một đoàn tàu đi qua, đường ray sẽ chịu một áp lực rất lớn vì các đoàn tàu có thể có tổng khối lượng lên đến hàng chục ngàn tấn. Do đó, nhằm đảm bảo áp lực được truyền đều xuống bên dưới mà vẫn giữ cho đường ray ổn định dưới tải trọng của tàu đang chạy, cần có lớp đá dằn để hỗ trợ thêm cho tà vẹt.
Ngoài ra, lớp đá này được trải bên dưới và xung quanh tà vẹt tạo nên một lực ma sát, góp phần cố định những thanh tà vẹt khi có tàu chạy qua. Nếu không có lớp đá này mà nền đường ray là đất, khi đoàn tàu có khối lượng lớn chạy qua, rất có thể đường ray bị biến dạng hay sụt lún, gây nguy cơ lật tàu.
Lớp đá dăm này còn giúp thoát nước. Khi mưa, nước mưa sẽ dễ dàng chảy qua các khe giữa những viên đá thoát ra ngoài, hạn chế lượng nước tồn đọng trên đường ray và góp phần bảo vệ đất bên dưới.
Lớp đá dăm cũng giúp hạn chế thực vật phát triển xung quanh đường ray - điều khiến lớp đất dưới đường ray trở nên yếu hơn...
Tại sao khi đặt đường ray xe lửa người ta phải để một khe hở?
Khi đặt đường ray xe lửa người ta phải để một khe hở ở chỗ tiếp giáp giữa hai thanh ray vì khi tàu chạy có ma sát làm tăng nhiệt độ của đường ray, khi đó đường ray dãn nở ra. Nếu không để khoảng cách đó thì ray có thể bị cong hoặc bị uốn vồng lên, tàu hoả đi qua có thể trật khỏi đường ray
Hẳn không ít người trong chúng ta thắc mắc tại sao đường ray xe lửa lại luôn có một lớp đá dăm trải đều bên dưới đường ray. Thiết kế đường ray như đã biết gồm 2 thanh ray được đặt song song nhau và được gắn cố định trên các thanh tà vẹt [Traverse] và tất cả đều được đặt trên một lớp đá ba lát [ballast]. Lớp đá này quan trọng như thế nào và tại sao phải có?
Một lớp đá dằn được dải dọc theo đường ray xe lửa.
Thuật ngữ ba lát [ballast] kì thực bắt nguồn từ việc sử dụng đá để dằn những con thuyền buồm và chức năng của nó trên đường ray cũng tương tự. Khi một đoàn tàu đi qua, đường ray sẽ chịu ứng suất lực rất lớn. Cần lưu ý rằng 99% thời gian đường ray chỉ nằm im không chịu áp lực nhưng 1% thời gian còn lại là lúc nó phải "cõng" cả một đoàn tàu. Thử lấy ví dụ như đoàn tàu chở quặng sắt của BHP Iron Ore tại miền Tây nước Úc, nó dài 7,353 km, gồm 682 toa trần, 8 đầu máy GE AC6000 và nặng đến gần 100.000 tấn với 82.262 tấn quặng và đây cũng là đoàn tàu dài nhất và nặng nhất thế giới theo sách kỷ lục Guinness. Thanh tà vẹt bên dưới giúp cố định đường ray tạo nên khổ ray đồng thời có chức năng truyền áp lực từ ray xuống mặt đất bên dưới. Để đảm bảo áp lực được truyền đều xuống bên dưới trong khi vẫn giữ cho đường ray ổn định dưới tải trọng động của một con tàu đang chạy, các thanh tà vẹt được đặt trên một lớp đá dằn. Thêm vào đó, đường ray thường nằm lộ thiên vì vậy chúng phải đối mặt với các yếu tố thời tiết như co giãn nhiệt, chuyển động của mặt đất, địa chấn, mưa và nhiều yếu tố thiên nhiên khác như cỏ dại, cây dại mọc lên từ bên dưới.
Từ 200 năm trước, các kỹ sư ngành đường sắt đã bắt đầu sử dụng nhiều vật liệu nhằm giải quyết tất cả vấn đề vừa nêu. Trước đây xỉ sắt và than vụn đã từng được dùng làm lớp nền cho đường ray. Tuy nhiên, kể từ những năm 1840 thì đá ba lát đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi và trở thành một yếu tố tối quan trọng trong cấu trúc đường ray. Đá ba lát là những viên đá nghiền có kích thước dưới 40 mm. Chúng được rải dưới và xung quanh tà vẹt và sở hữu một đặc tính gọi là "nội ma sát của tập hợp đá". Nội ma sát này phụ thuộc vào cách sắp đặt, hình dạng và kích thước của một tập hợp những viên đá nhỏ. Những loại đá cứng thường được dùng là đá granite, thạch anh, đá trap, v.v... Nếu những loại đá này không có, người ta có thể sử dụng đá cát kết, đá vôi. Nội ma sát này quan trọng như thế nào? Để dễ hình dung, bạn hãy nghĩ tới một đụn cát và một đống đá với độ cao như nhau. Nếu bạn dùng tay đẩy đụn cát đi, bạn sẽ thấy nó dễ dàng di chuyển. Ngược lại, nếu bạn dùng tay đẩy đống đá đi, bạn sẽ cảm nhận được lực cản. Thật không dễ dàng để di chuyển đống đá và thậm chí nó vẫn trơ trơ cho dù bạn cố hết sức. Tương tự khi bạn đứng trên đụn cát, nó dễ dàng bị bẹp xuống và khi bạn đứng lên đống đá, nó vẫn không hề suy suyễn. Đây chính là nội ma sát.
Với đặc tính trên, đá ba lát mang lại một nền tảng hỗ trợ, giúp tăng độ cứng, độ bền và độ linh hoạt cho đường ray khi có tàu đi qua. Ngoài ra, đá ba lát còn giúp dẫn nước mưa và tuyết ra khỏi đường ray, ngăn sự xuất hiện của nước trên bề mặt, ngăn cỏ, cây dại mọc trên đường ray, tăng tính đàn hồi cho đường ray trước tác động nhiệt.
Đá ba lát có độ cứng bền và khả năng linh hoạt cao.
Trong quá trình xây dựng, độ dày của lớp đá ba lát phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách giữa 2 ray [khổ ray], lưu lượng tàu lưu thông trên tuyến đường và nhiều yếu tố khác. Tuy nhiên, lớp đá ba lát không được mỏng hơn 150 mm và các đường ray dành cho tàu cao tốc có thể yêu cầu lớp đá dày đến nửa mét. Nếu lớp đá không đủ dày gây quá tải cho lớp đất bên dưới, trường hợp tệ nhất là đường ray sẽ bị chìm. Lớp đá ba lát thường nằm trên một lớp ba lát phụ [sub-ballast] [hình trên]. Lớp đá này đóng vai trò ngăn nước và hỗ trợ cho cấu trúc đường ray phía trên. Nếu đường ray không có lớp dằn phụ, ray và tà vẹt có thể bị ngập ngước, hư hỏng và dẫn đến tai nạn cho tàu.
Đóng vai trò rất quan trọng, lớp đá ba lát đường ray thường xuyên được bảo trì. Nếu lớp đá này bị bẩn, hiệu quả thoát nước sẽ giảm đi khiến rác, cặn bẩn bị hút từ lớp dằn phụ lên trên khiến lớp đá này càng bẩn hơn. Vì vậy, lớp đá ba lát luôn cần được giữ sạch, dầm chắc hoặc thay mới bằng nhiều phương pháp xử lý như sinh học, bằng lao động hoặc dùng các máy móc chuyên dụng.
Hình ảnh đường sắt không cần dùng đá ba lát.
Trước sự tàn phá của thiên nhiên, con người và sự hao mòn trong quá trình sử dụng, công tác bảo trì lớp đá ba lát tiêu tốn rất nhiều nhân lực, chi phí và thời gian. Vì vậy, ngành công nghiệp đường sắt cũng đã phát triển và áp dụng những loại đường sắt không cần dùng đá ba lát [ballastless track]. Thay vì sử dụng lớp đá ba lát trợ lực, người ta dùng các phiến bê tông đặt liên tiếp nhau và đường ray được đặt trực tiếp lên mặt trên của phiến bê tông. Tuy nhiên, do chi phí ban đầu cao hơn và mất nhiều thời gian để thay thế trên các tuyến đường sắt sẵn có, loại đường ray không dùng đá ba lát thường được dành cho các tuyến đường sắt cao tốc hoặc vận tải nặng.
PV [Theo Tinh Tế]