Tại sao người ta lại rải đá dọc theo đường ray xe lửa?

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?

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.

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.

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.