Giải đáp thắc mắc: “Tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa?”

1. Đường ray xe lửa là gì?

Đường ray là thành phần cơ bản cấu thành nên tuyến giao thông đường sắt. Đường ray cùng với bộ phận chuyển ray dẫn hướng cho tàu hỏa di chuyển mà không cần người lái.

Một tuyến đường ray gồm 2 ray song song với nhau, được đặt trên các thanh ngang. Thanh này gọi là tà vẹt. Tà vẹt này được đặt trên lớp đá lót, loại đá thường được dùng là đá dăm, hay còn gọi là đá ba lát.

2. Thành phần cấu tạo nên đường ray xe lửa

Đường ray là bộ phận phải chịu ứng suất rất lớn, đồng thời cũng là bộ phận phải chịu mài mòn cao do lực của bánh của tàu lửa tác động trong quá trình di chuyển, cũng như chịu đựng những tác động của thời tiết. Đây cũng là lý do tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa. 

Thuở ban đầu khi hình thành các tuyến đường sắt đầu tiên thì nguyên vật liệu làm đường ray chủ yếu là sắt. Theo quá trình hiện đại hoá và cải tiến công nghệ thì các kỹ sư đã lựa chọn thép là nguyên vật liệu để thay thế. Đặc biệt là thép hình chữ l bởi chất lượng tương đối cao và bền bỉ theo thời gian nên thường được lựa chọn để làm đường ray xe lửa.

Vật liệu thép đã được cải tiến hết mức để phù hợp với những yêu cầu cao khi chọn làm đường ray. Nhưng đương nhiên, theo sự phát triển của thời đại sẽ luôn luôn có những cải tiến ưu việt hơn thay thế vật liệu cũ. Ngày nay,  người ta vẫn đang nghiên cứu từng bước loại bỏ những hạn chế của thép ray sử dụng làm đường tàu.

Nếu đi sâu hơn thì dạng ray có mặt cắt chữ I không đối xứng, sử dụng cán nóng chính là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Nói chung khi có tải trọng càng lớn thì cần đòi hỏi kích thước của ray phải đủ độ tương ứng mới đáp ứng được nhu cầu xây dựng.

Dưới đây là 03 công đoạn tạo thành đường ray xe lửa:

2.1. Nối từng đoạn ray nhỏ

Dùng bản cá để nối 2 thanh ray lại với nhau. 

Như đã đề cập ở trên, đường ray xe lửa được sản xuất bằng thép ray hoặc thép hình chữ I chất lượng cao. Các thanh ray được chế tạo theo dây chuyền công nghệ hiện đại và sản xuất hàng loạt nên có hình thức thành từng đoạn, có chiều dài cố định và thường bị hạn chế bởi khả năng chuyên chở. Do vậy, việc làm một tuyến đường sắt dài cần phải có công đoạn nối các đoạn ray này lại với nhau trước.

Ngày nay những thanh ray bằng thép hoặc thép hình chữ I chất lượng cao thường có chiều dài tầm 12,5m đến tối đa 25m

2.1. Nối 2 ray dài bằng bulong

Phương pháp để này nối những thanh ray bằng thép hình chữ I. Bằng cách này, người ta dùng những bản thép nối, hay còn gọi là bản cá, hoặc bản nối rồi bắt bulong.

Do còn phải chừa những khe co giãn nên khi tàu lửa di chuyển, thường sẽ phát ra các âm thanh đặc trưng do các mối nối ray sẽ tạo ra. Đồng thời cũng khiến cho vận tốc bị giảm đi. 

Với việc nối ray bằng bulong này có điểm hạn chế là xảy ra tình trạng nứt xung quanh bu lông do hiện tượng tập trung ứng suất cộng. Thêm vào đó là theo thời gian vận hành, chất lượng đường ray cũng giảm đi đáng kể. Đây đang là những vấn đề đáng e ngại, vì có thể dẫn tới sự hư hỏng đầu đường ray xe lửa. 

2.3. Cố định ray vào tà vẹt

Một đường ray tàu hỏa thường sẽ có hai đường ray chính đặt song song với nhau từ một trạm này tới một trạm khác. Thêm nữa là hàng loạt các thanh ngang được đặt vuông góc giữa hai đường ray chính.

Những thanh ngang này được gọi là thanh tà vẹt. Một thanh tà vẹt tiêu chuẩn sẽ có hình chữ nhật, được làm từ xi măng. Chức năng chính của thanh tà vẹt là giữ cho hai đường ray luôn ổn định và cách đều nhau. Chúng cũng giúp truyền một phần áp lực từ ray xuống mặt đất tốt hơn.

Có rất nhiều phương pháp để cố định ray và tà vẹt. Thanh ray này được gắn vào tà vẹt bằng một tấm đệm thép. Ngoài ra, ở vài quốc gia khác trên thế giới dùng biện pháp gắn trực tiếp đường ray xe lửa vào tà vẹt mà không cần phải sử dụng tấm đệm.

3. Tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa?

Khi một đoàn tàu di chuyển, đường ray là nơi sẽ chịu một áp lực rất lớn vì các tổng khối lượng đoàn tàu có thể 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 quá của tàu đang chạy. Người ta rải thêm một lớp đá dằn để hỗ trợ thêm cho tà vẹt. Đó là lý do đầu tiên phải kể đến cho việc tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa.

Ngoài ra, lớp đá này được trải bên dưới và xung quanh tà vẹt còn nhằm mục đích tạo nên một lực ma sát. Lực này góp phần cố định những thanh tà vẹt khi có tàu chạy qua.

Nếu không có lớp đá này làm nền mà mà bên dưới đường ray trực tiếp là đất, thì 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.

Ngoài ra, lớp đá dăm này còn giúp thoát nước. Khi có 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. Đảm bảo độ an toàn của công trình xe lửa vừa góp phần bảo vệ đất bên dưới. 

Còn một công dụng lớn khác của lớp đá dăm này đó là giúp hạn chế thực vật phát triển xung quanh đường ray. Đây là điều nguy hiểm bởi cây cỏ phát triển nhiều sẽ điều khiến lớp đất dưới đường ray trở nên yếu hơn. Vì thấy, đây là những lý do tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa.

4. Vì sao chỉ được sử dụng đá dăm để rải dưới đường ray xe lửa?

Như vừa đề cập ở trên, đường ray thường nằm lộ thiên nên sẽ 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. Đá dăm sẽ giúp khắc phục các vấn đề này. Đó là sẽ giúp hấp thụ nhiệt tốt hơn, giảm nhiệt cho đường ray. 

Vậy tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa là loại đá dăm nhiều góc cạnh mà không phải là đá sỏi nhẵn mịn? 

Ngoài tác dụng giữ ổn định cho đường ray và các thanh tà vẹt lớp đá dăm này còn có một vài chức năng khác. Đầu tiên có thể kể đến việc đặc tính của dăm là giúp ngăn không cho các loại cây cỏ mọc lên, khiến cho kết cấu bề mặt phía dưới đường ray không trở nên yếu đi.

Một tác dụng quan trọng khác là nhờ vào bề mặt thô sơ và góc cạnh, đá dăm có thể hạn chế một phần lớn lượng nước tiếp xúc với đường ray. Đồng thời, chúng có thể giúp cho nước rút đi nhanh hơn để tránh ảnh hưởng tới kết cấu bề mặt của đất xung quanh và dưới đường ray.

Ngoài ra, do nằm lộ thiên và chịu ảnh hưởng của nhiều loại thời tiết khắc nghiệt. Thời gian lâu dài,  kích cỡ của đường ray có thể biến đổi, Nhờ vào tác dụng của lớp đá này sẽ giúp tăng tính đàn hồi cho đường ray.

5. Tại sao cần thiết kế một khe hở ở giữa đường tiếp giáp 2 ray xe lửa?

Khi đặt đường ray xe lửa người ta phải chừa một khe hở ở chỗ tiếp giáp giữa hai thanh ray. Nguyên nhân là khi tàu chạy sẽ có ma sát làm tăng nhiệt độ của đường ray, dẫn đến đường ray dãn nở ra, tàu hoả đi qua có thể trật khỏi đường ray.

Khoảng cách này để giữ cho đường ray không bị cong hoặc bị uốn vồng lên, đảm bảo độ an toàn trong suốt quá trình tàu di chuyển.

Bài viết trên đây đã giải đáp thắc mắc tại sao phải rải đá dưới đường ray xe lửa? Bên cạnh đó đồng thời cung cấp thêm những kiến thức bên lề về về thép ray cũng như quy trình tạo ra đường ray xe lửa. hy vọng sẽ cung cấp cho đọc giả những thông tin thú vị và bổ ích về phương tiện di chuyển này.