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Efeito da Rigidez da Plataforma Ferroviária na Quebra do
Agregado Pétreo do Lastro da Ferrovia Transnordestina
Gilberto Fernandes
UFOP, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Jéssika Cosme
UFOP, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Lucas Fernando Vieira Gomes
UFOP, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Mariana Cosenza Lima
UFOP, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Daniel Pinto Fernandes
UFOP, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
RESUMO: Trata-se de uma ampla campanha de ensaios de campo e laboratório visando subsidiar a
escolha de uma faixa granulométrica para agregado pétreo que vai compor uma camada de
preenchimento de 40 cm de espessura de rebaixo nos cortes de rocha da plataforma ferroviária da
Ferrovia Transnordestina. A campanha de campo consistiu no âmbito dos ensaios que mensurou as
propriedades mecânicas de módulo de Young e rigidez da estrutura da preenchimento e para isso
contou com o uso do equipamento GeoGauge™ H4140. A campanha de ensaios em laboratório
consistiu em ensaios de indices físicos, ensaios de medição de vazão para drenagem e ensaios de
determinação da rigidez da estrurtura formada pelos agregados com tamanho granulométrico de
grãos de rachão, brita zero e brita 1. Finalmente, foi feita uma análise conjugada dos resultados
obtidos em campo e laboratório permitindo apontar a melhor camada como solução para o
preenchimento do rebaixo dos cortes de rocha.
PALAVRAS-CHAVE: Faixa Granulométrica, módulo de Young, GeouGage.
1 INTRODUÇÃO
O controle tecnológico das obras de construção
da plataforma ferroviária tem uma influência
relevante no sucesso do empreendimento, pois
garante o desempenho da estrutura em
conformidade com as premissas do projeto.
Portanto tem-se estimulado a realização de
estudos especiais com ensaios de laboratório e
campo reproduzindo as reais condições de
campo com vistas às análises do desempenho
previsto.
Os processos adotados no controle
tecnológico das obras de infra e superestrutura
ferroviária mantêm, ainda, procedimentos e
metodologias convencionais que não fornecem
suficientes subsídios técnicos para uma
avaliação indireta das propriedades mecânicas
das camadas do pavimento e da estrutura como
um todo. Muitas vezes os dados extraídos do
controle de campo são insuficientes para a
interpretação das condições de deformabilidade
in situ dos pavimentos. Além disso, tais
processos de controle convencionais, vem se
tornando ineficazes em face da elevada
produtividade dos novos métodos e
equipamentos de construção ferroviária.
Ressalta-se também a importância de se
estabelecer relações entre “Laboratório e
Campo”, com o objetivo de inferir as variáveis
que afetam diretamente o desempenho da
estrutura ferroviária. É preciso obter resultados
em laboratório ou in situ no controle
tecnológico que se relacionem com o
comportamento mecânico e drenante de campo,
seja por meio de fatores ou diretamente.
Dentre os equipamentos de maior destaque
na realização de testes in situ nas camadas de
pavimento rodoviário e ferroviário, cumpre
mencionar o GeoGauge™ H4140, já para a
medição da capacidade de drenagem dos
agregados pode-se citar o Permeâmetro de
Carga Constante em escala real de uso.
O equipamento GeoGauge™ H4140 é capaz
de determinar em poucos minutos, o módulo de
resiliência e rigidez do material analisado. O
aparelho provê um meio direto de medida das
propriedades dos materiais e das estruturas das
camadas do pavimento. Ele trabalha medindo a
tensão imposta à superfície do solo e a
velocidade resultante da superfície, como uma
função do tempo. Trata-se de medir a
impedância na superfície do solo. A rigidez,
uma razão entre força e deflexão, resulta
diretamente da medida de impedância. Para a
realização do ensaio, o equipamento impõe ao
solo pequenos deslocamentos (<1,27x10-6m) a
25 frequências fixas entre 100 e 196 Hz. A
rigidez é determinada para cada um desses 25
estágios de frequência, e a média dos valores é,
então, exibida. A duração do ensaio é de
aproximadamente 75 segundos.
Ainda, a frequências baixas, a impedância da
superfície do solo corresponde à rigidez é
proporcional ao módulo cisalhante do solo. A
simples entrada do coeficiente de Poisson do
material resulta na determinação dos módulos
cisalhantes e de elasticidade do solo pelo
equipamento.
2 RESULTADOS DOS ENSAIOS
2.1 Ensaios de Campo
No dia 12 de setembro de 2012, foram
realizados ensaios com o aparelho em trechos
da Ferrovia Transnordestina, no ramal
Salgueiro-Porto de Suape. As medições foram
realizadas em três pontos diferentes no
sublastro, sendo eles: bordo direito, eixo da via
e bordo esquerdo, no material de rachão e brita
1.
Em todas as posições onde foram realizadas
as medições, as temperaturas do agregado foi
medida. O trecho da Figura 1 mostra o local das
medições onde o material era de rachão.
Figura 1. Trecho inacabado da ferrovia.
As medições realizadas em campo foram
registradas, como observam-se nas figuras 2 e
3.
Figura 2. Aparelho GeoGauge em uso no bordo direito.
Figura 3. Aparelho Geogauge em uso no bordo esquerdo.
Figura 4. Aparelho GeoGauge em uso no eixo da via.
2.1.2 Ensaios realizados no Ramal Salgueiro-
Suape.
Os ensaios para esse trecho, devido a extensão
considerável, encontram-se resumidos em 5
tabelas com todos os dados concernentes
inclusos os quais, colocados em gráficos,
resultam no mostrado abaixo.
.
Antes das análises dos valores medidos em
campo, cabe uma série de observações feitas no
campo com relação a qualidade das camadas
encontradas:
A1. O material denominado rachão apresentava
uma granulometria inferior ao material ensaiado
no laboratório;
A2. O material denominado rachão apresentava
um grau de compactação diferenciado nos
bordos e no eixo;
A3. O material denominado rachão apresentava
uma contaminação de fino na camada de campo
e o material enviado para ensaios no laboratório
se encontrava isento de fino;
A4. O material denominado brita 1 apresentava
uma excessiva contaminação de fino de origem
da britagem;
A5. O material denominado brita 1 apresentava
uma espessura muito superior ao especificado;
A6. O material denominado brita 1 apresentava
grande irregularidade na cota final de
acabamento.
A7. O material denominado brita 1 apresentava
uma grande similaridade entre as camadas de
preenchimento do corte e a camada de
sublastro.
2.2 Ensaios Realizados em Laboratório
2.2.1 Caracterização Petrográfica
A caracterização petrográfica mostrou que o
material é granito.
2.2.2 Granulometria
A chamada curva granulométrica de brita 0
apresentou 77% do tamanho dos grãos dentro
da faixa ABTN para brita 0 (#4,8mm –
#9,5mm), com 8,5% com tamanho de grãos
maior que a #9,5mm o que pode classificada
como brita 1 e 14,5% com tamanho de grãos
inferior a #4,8 o que poderia ser classificado
como contaminação.
A chamada curva granulométrica de rachão
apresentou todas as partículas com diâmetro
superior 76 mm o que a classifica como pedra
de mão, todas as partículas se apresentaram
maiores que 130 mm e isentas de pó.
A chamada curva granulométrica de brita 1
apresentou 100% do tamanho dos grãos dentro
da faixa ABTN para brita 1 (#19mm –
#9,5mm).
2.2.3 Determinação do Módulo de Resiliência
e Rigidez
O ensaio realizado no Laboratório de Ferrovias
e Asfalto, consistiu na confecção de uma caixa
de madeira com 1m² de área e 40cm de
profundidade, como indicado nas Figuras 14 e
15. As medições foram executadas quatro vezes
em nove posições diferentes na caixa. A média
desses valores nos forneceu o módulo de
resiliência e rigidez dos materiais ensaiados
como apresentados na tabela 1.
Figura 14. Ensaio com o Geogauge H4140 com rachão.
Figura 15. Ensaio com o Geogauge H4140 com brita 0.
Tabela 1. Resultados obtidos com o aparelho Geogauge
H-4140.
Matriz
Rochosa
Granulometria
Rigidez
(MN/m)
E (MPa)
Gnaisse Brita 1 3,61 31,25
Granito Brita 0 2,94 25,48
Granito Rachão 4,10 35,14
Analisando-se os valores acima, destaca-se
que do ponto de vista do módulo de elasticidade
dos materiais e da rigidez que representa a
estrutura da camada constituída pelos mesmos,
conclui-se que o melhor material para compor a
camada de preenchimento do rebaixo dos cortes
de rocha levando em consideração o efeito do
contato roda-trilho, a conseqüente vibração
decorrente e o contato aresta a aresta das
partículas, é o material com curva
granulométrica de brita 0, pois apresenta a
melhor condição de absorção das tensões
geradas.
2.2.3 Determinação da Capacidade de
drenagem do material
Para determinação da capacidade drenante do
material, foi confeccionado no Laboratório de
Ferrovias e Asfalto um permeâmetro de carga
constante. O conhecimento do valor da
permeabilidade é muito importante em algumas
obras de engenharia, principalmente, na
estimativa da vazão que percolará através do
maciço. Um tubo metálico com 40 cm de
profundidade foi perfurado em sua base e foi
forrado com a geomanta de especificação
BIDIM OP-40, gramatura 300mm, com
diâmetro equivalente ao diâmetro do tubo. Nas
Figuras 16 e 17, observa-se a montagem do
tubo metálico do permeâmetro.
Figura 16- Aferição de 40 cm de profundidade.
Figura 17- Assentamento da geomanta no tubo metálico.
O ensaio de carga constante trata-se da
determinação da vazão que percola pelo
material ensaiado quando submetido a uma
carga hidráulica constante durante o ensaio.
Após aferição da carga constante, o reservatório
era fechado e o permeâmetro revestido por um
plástico, garantindo que não houvesse
interferência das condições ambientes do local
ou perda de água durante o ensaio. Os materiais
ensaiados foram mantidos em estufa, garantindo
máxima absorção de água pelo material rochoso
durante o ensaio. Realizou-se duas medidas de
tempo diferentes, a primeira de 10 minutos e a
segunda de 5 minutos. Dado o tempo exato,
eram fechados os registros e aferido o volume
percolado pelo material. Para análise dos
resultados, realizou-se uma média das vazões
percoladas como mostrado na Tabela 2.
Tabela 2- Resultados obtidos pelo ensaio com o
permeâmetro de carga constante.
Matriz
Rochosa
Granulometria
Vazão
(l/s)
Velocidade
percolação
(cm/s)
Gnaisse Brita 1 0,1183 0,0476
Granito Brita 0 0,0900 0,0464
Granito Rachão 0,1117 0,0510
A velocidade de percolação foi medida
levando em consideração o tempo gasto para
percorrer a extensão de 40 cm da camada
formada pelo material. Já a vazão trata-se da
quantidade de água que passou pela camada de
40 cm em segundos. Portanto dos resultados
obtidos na Tabela acima, avaliou-se que o
material que apresentou a melhor performane
no item de fornecer o melhor caminho
preferencial para a retirada da água da camada
de preenchimento do rebaixo dos cortes de
rocha, foi o rachão.
Para determinação da vazão, foi aferido o
volume percolado nos materiais dentro do
permeâmetro. Após executadas todas as
medições, o material foi retirado do
permeâmetro e foi analisado as condições da
geomanta colocada no tubo metálico. A
geomanta utilizada nos ensaios com a brita1 e
rachão não sofreu nenhuma alteração, já a
utilizada no ensaio com o material constituído
pela brita 0 ficou obstruida devido a grande
quantidade de finos, como observado na Figura
18. Partindo do principio que o material que
dever ser utilizado na constituição da camada de
preenchimento deve ser de partículas limpas,
duráveis e isentas de matéria orgânica com
capacidade de drenagem mínima de 10-3
cm/s,
capaz de assegurar a livre drenagem sem perdas
de cargas acentuadas, o material na
granulometria de rachão com velocidade de
percolação igual a 5,1x10-2
cm/s pode ser
classificado como de média capacidade de
drenagem e é o que apresenta melhor
alternativa.
Figura 18 – Geomanta utilazada, após ensaio com brita 0
3 CONCLUSÕES
Acerca dos aspectos da elaticidade (e
efeitovibração roda trilho), há citações segundo
Selig e Walters, 1994 de que quando se dá a
contaminação do lastro ferroviário por produção
de finos do próprio material constituinte, até
76% (setenta e seis por cento) é
responsabilidade do processo vibratório (da
grade e da própria camada de lastro).
O efeito chicote, no caso do rebaixo em
rocha sã torna-se evidente e, também, por
inferência intuitiva (não há medidas
sistematizadas para se confiar - a área que tenta
mostrar os efeitos das vibrações em ferrovias é
isenta de estudos sistematizados). Mais energia
acumulada, durante o comportamento elástico,
liberará mais energia, que produzirá mais
vibrações na parte superior (superestrutura),
então, o material com maior módulo de
elasticidade passa a ser o mais contra-indicado
e, por conseqüência, o material que apresentar o
menor módulo de elasticidade apresentará a
maior capacidade de "amortecimento" das
vibrações: a camada do material colocada no
rebaixo em rocha transmitirá menos vibrações à
superestrutura.
As medições em laboratório indicaram uma
ordem crescente de valores de módulos de
elasticidade:
- brita 0 - material recebido - com finos - menor
valor
- brita 1 - material do laboratório - sem finos -
valor intermediário
- rachão - material recebido - sem finos - maior
valor
Assim, considerando este aspecto
isoladamente - comportamento elástico -, o
rachão é o material menos indicado e a brita
zero (com finos) passa a ser o material mais
indicado para o caso em questão: esse material,
se utilizado, trabalhará diminuindo e, portanto,
amortecendo o efeito chicote com bastante
eficiência.
Acerca dos aspectos de capacidade de
drenagem as medições em laboratório
indicaram uma ordem crescente de valores para
as capacidades de drenagem (competência
natural para possibilitar percolação):
- brita 0 - material recebido - com finos - menor
valor
- brita 1 - material do laboratório - sem finos -
valor intermediário
- rachão - material recebido - sem finos - maior
valor.
Se for considerada a importância da garantia
da função drenante da tal camada, para o
perfeito funcionamento da plataforma
ferroviária, há que se descartar a possibilidade
de uso do material brita 0 pois durante nos
ensaios de laboratório chegou a ocorrer quase a
completa colmatação do material utilizado
como filtro, levando-se a crer que em utilização
corrente na plataforma, certamente passará pela
situação aferida e, podendo até interromper a
capacidade drenante da camada inserida de brita
0.
Substituir o material pela brita 1 parece ser o
mais indicado: o material apresentou valores de
elasticidade e de capacidade drenante,
intermediários. Nas duas formas de medições,
módulo de elasticidade e capacidade drenante, a
brita 1 (isenta de finos) apresentou valores
muito convenientes.
Em relação aos resultados obtidos em campo
observa-se que o melhor material para compor a
camada de preenchimento do rebaixo dos cortes
de rocha levando-se em consideração o efeito
do contato roda-trilho, a conseqüente vibração
decorrente e o contato aresta a aresta das
partículas, é aquele com o menor valor de
rigidez, que tem melhor condição de absorção
das tensões geradas, que no caso, indica que o
material a ser utilizado pode ser a brita 1, mas
com isenção de finos de contaminação, o que
poderia ocasionar o processo de colmatação dos
vazios e com isso poderia causar
comprometimento da capacidade drenante da
via.
Conclui-se então que os resultados obtidos
em campo e laboratório convergiram,
mostrando que o material mais adequado para o
preenchimento dos rebaixos de corte de rocha
na Ferrovia Transnordestina é o agregado com
faixa granulomética correspondente a btrita 1.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos a Odebrecht S/A, a toda equipe
do Laboratório de Ferrovias e Asfalto da UFOP
e a Fundação Gorceix.
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Track Geotechnology and Substructure Management