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AVALIAÇÃO DE PLATAFORMAS DE LINHAS FÉRREAS EM OPERAÇÃO - O CASO DA LINHA DE SENA EM MOÇAMBIQUE

Eduardo Fortunato1*, André Paixão1, João Loureiro2, Francisco Asseiceiro2, Nuno Cruz3, Jorge Cruz3

1Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Dep. de Transportes, Av. do Brasil 101, 1700-066 Lisboa, Portugal

*email: efortunato@lnec.pt http://www.lnec.pt 2Mota-Engil - Ferrovias, Rua Mário Dionísio 2, 2799-557 Linda-a-Velha, Portugal 3Mota-Engil - Engenharia e Construção, S.A., Rua do Rego Lameiro 38, 4300-454 Porto, Portugal

Sumário

A avaliação de plataformas de linhas férreas em operação, pode ser relativamente difícil, quer pela sua própria heterogeneidade, quer por dificuldades de acesso à linha, quer ainda pela impossibilidade de criar restrições à operação ferroviária para desenvolver trabalhos de prospeção e ensaios in situ. Neste trabalho apresentam-se alguns resultados dos estudos desenvolvidos com o objetivo de avaliar a adequação da plataforma ferroviária da Linha de Sena, em Moçambique, face aos requisitos estabelecidos no âmbito do processo de reabilitação. Atendendo aos resultados da caracterização da infraestrutura e à informação obtida na modelação numérica, estimou-se a capacidade de carga da plataforma.

Palavras-chave: Via-férrea; Avaliação estrutural; Reabilitação; Capacidade de carga.

1 INTRODUÇÃO

Muitas das infraestruturas de transporte que se encontram em operação, nomeadamente vias-férreas, foram construídas há várias dezenas de anos, para cumprir determinados requisitos, e à luz dos conhecimentos que à data existiam. Em algumas dessas infraestruturas a manutenção tem sido deficiente e nunca foram sujeitas a significativas obras de reabilitação.

Os elementos do armamento da via (carris, travessas e sistema de fixação) danificam-se ao longo do tempo. O balastro ferroviário altera-se com a passagem do tráfego, com as intervenções de manutenção e com as ações atmosféricas [1]. A fundação da via exibe, muitas vezes, comportamento deficiente devido às fracas características geotécnicas dos solos, nomeadamente a sua baixa compacidade e o elevado teor em água [2]. Em muitos casos não existem sistemas de drenagem, ou mesmo existindo funcionam de forma deficiente. Acresce que muitas dessas linhas estão construídas em zonas onde, recorrentemente, os fenómenos atmosféricos são extremos e provocam cheias com a consequente inundação da via-férrea.

Assim, para fazer face aos atuais requisitos, relacionados com o aumento da frequência de utilização, da carga máxima por eixo, da velocidade de circulação, da comodidade e da segurança na operação, pode ser necessário proceder a intervenções significativas, quer ao nível da superestrutura quer da subestrutura, nas vias que se encontram em operação. A decisão sobre o tipo de intervenção a levar a cabo depende da informação disponível relativamente às características da infraestrutura e ao seu desempenho.

A avaliação da infraestrutura, em particular a caracterização da subestrutura, pode ser relativamente difícil, quer pela sua própria heterogeneidade, quer por dificuldades de acesso à linha, quer ainda pela impossibilidade de criar restrições à operação ferroviária para desenvolver trabalhos de prospeção e ensaios in situ. Nestas circunstâncias, há necessidade de considerar métodos relativamente expeditos para obter informação relevante.

Neste trabalho apresentam-se alguns resultados dos estudos desenvolvidos com o objetivo de avaliar a adequação da plataforma ferroviária da Linha de Sena, em Moçambique, face aos requisitos estabelecidos no âmbito do processo de reabilitação. Atendendo aos resultados da caracterização da infraestrutura e à informação obtida na modelação numérica, apresenta-se uma estimativa para a capacidade de carga da plataforma.

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2 CASO DE ESTUDO

2.1 Aspetos gerais

O trecho ferroviário em estudo localiza-se na Linha de Sena, em Moçambique, e desenvolve-se numa extensão aproximada de 173 km, entre as estações de Dona Ana (km 293) e Necungas (km 466) (Fig. 1). Esta linha férrea foi recentemente reativada com vista a possibilitar o transporte de carvão por veículos ferroviários, ao longo de um total de 575 km, desde as explorações mineiras nas proximidades de Moatize, na província de Tete, até ao porto marítimo na Beira, em Sofala. Trata-se de uma linha em bitola de 1067 mm, com travessas monobloco de betão armado pré-esforçado com 2,06 m de comprimento, espaçadas de 0,65 m, e carris do tipo R45 (45,4 kg/m). Segundo o projeto de reabilitação, a via-férrea deverá apresentar bom desempenho relativamente às exigências de operação, nomeadamente as relacionadas com o transporte de 20 milhões de toneladas anuais de carvão, em composições que aplicam à via cargas de 20,5 t/eixo e circulam a uma velocidade máxima de 60 km/h.

No âmbito dos estudos que agora se apresentam, procedeu-se, através de inspeção visual, a uma avaliação do estado dos elementos da superestrutura da via, com o objetivo de identificar anomalias relacionadas com defeitos de carril, de juntas, de travessas e de fixações. Estes defeitos, além de poderem causar danos no material circulante, incomodidade e insegurança na circulação, podem aumentar as cargas dinâmicas e, consequentemente, a taxa de degradação da via.

Analisaram-se os sistemas de drenagem, tendo-se detetado diversas insuficiências de drenagem longitudinal e transversal, quer por ausência de elementos quer por mau funcionamento dos existentes. A deficiente drenagem da via-férrea tem afetado a circulação na linha, em resultado da sua inundação. Além disso, conduz ao arrastamento e à contaminação do balastro por sedimentos transportados pela água, à redução substancial da rigidez e da resistência ao corte dos solos da subestrutura, à erosão superficial de taludes e ao deslizamento de taludes de aterro e de escavação.

Posteriormente analisaram-se os elementos relativos à geometria da via e constatou-se que a qualidade geométrica varia de forma importante ao longo da linha.

Na sequência da análise da informação disponível, estabeleceu-se uma campanha de caracterização da camada de balastro (avaliação da espessura e do grau de contaminação) e da plataforma, que envolveu caracterização física e mecânica das camadas e dos respetivos materiais.

2.2 Caracterização físico-mecânica da via

No âmbito deste trabalho foram realizados ensaios com o objetivo de caracterizar a fundação da via-férrea, em zonas em aterro e em escavação, nomeadamente: a) 70 ensaios de carga com Deflectómetro de Impacto Portátil (DIP) [3], na plataforma da via (entre carris, sob o balastro) e no passeio de via; b) 70 ensaios com Penetrómetro Dinâmico Super Pesado (DPSH) (nos mesmos locais dos anteriores) e 15 ensaios com o Dilatómetro de Marchetti (DMT) (realizados sempre que o número de golpes aplicados com o DPSH até cerca de 1,5 m de profundidade foi inferior a seis). Foram recolhidas 63 amostras de solos remexidas e 14 amostras indeformadas, da parte superior da fundação, para determinação das características granulométricas, de plasticidade e, em alguns casos, do valor de CBR e do grau de compactação em relação ao ensaio Proctor Modificado. Os ensaios foram realizados no mês de junho, com os terrenos a exibirem, em algumas situações, valores do teor em água relativamente elevados. Os poços que foram abertos no balastro para a realização dos ensaios permitiram avaliar a espessura desta camada e a respetiva contaminação com solos. É de notar que, neste caso, a designação de balastro contaminado com solos resultou apenas da inspeção visual e não está suportada pela análise granulométrica do material, pelo que depende da sensibilidade do técnico que fez a observação.

Na Fig. 2 apresentam-se os valores da espessura total de balastro (limpo e contaminado) e da espessura de balastro contaminado, medidos sob as travessas ao longo do troço em análise. Em geral, é possível constatar que existe uma dispersão relativamente importante no que se refere à espessura de balastro (incluindo balastro contaminado). Dos 69 poços realizados, em 35% dos casos detetou-se uma espessura total de balastro igual ou superior a 25 cm; em 36% dos casos a espessura de balastro foi inferior a 25 cm, mas ainda assim igual ou superior a 20 cm; nos restantes 29% dos casos, a espessura foi inferior a 20 cm, mas só em 10% dos casos foi inferior a 15 cm. Assim, pode concluir-se que em diversas zonas a espessura da camada de balastro parece ser insuficiente. Esta questão será comentada posteriormente, aquando da análise estrutural da via.

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a)

b)

Fig. 1. Linha de Sena: a) planta; b) perfil longitudinal.

100200300400

100200300400

50+000 100+000 150+000 200+000 250+000 300+000 350+000 400+000 450+000 500+000 547+133

D.A

na

Nec

unga

s

KM

293

KM

466

Desenvolvimento da linha (PK)

Alti

tude

(m

)

4

Fig. 2. Espessura de balastro identificada ao longo da via.

Na Fig. 3 apresentam-se as características granulométricas (%<#200 ASTM) e de plasticidade (Índice de Plasticidade e Equivalente de Areia) dos solos da plataforma. Na sua maioria, os solos ensaiados ao longo do traçado evidenciam percentagens de finos que os permitem classificar como materiais granulares (#200≤35%), com plasticidade nula a moderada (NP a 25%) e valores de Equivalente de Areia, em geral, inferiores a 30%, a que corresponde solos maioritariamente do tipo A-1, A-2 e A-7, de acordo com a classificação AASHTO [4], e SC, SM e CL, de acordo com a Classificação Unificada [5]. No troço localizado entre aproximadamente o km 360 e o km 410 identificaram-se solos mais finos e com maior plasticidade (tipo A6, A-7-5 e A-7-6), quando comparado com o resto do trecho. Em seis locais deste troço realizaram-se ensaios de avaliação da compacidade e recolheram-se amostras para realizar ensaios CBR. O grau de compactação variou entre 57% e 74% e os valores de CBR (provetes compactados a 95%) variaram entre 2% e 4%.

Fig. 3. Características dos solos: a) %material <#200; b) índice de plasticidade; c) equivalente de areia.

A Fig. 4 apresenta os valores do módulo de deformabilidade obtidos no topo da plataforma com o Deflectómetro de Impacto Portátil (EDIP). É possível concluir que existe uma variação do módulo relativamente importante ao longo da via, traduzida por valores entre 4 e 220 MPa. Em 32% dos casos o módulo foi superior a 80 MPa; em 25% dos casos o módulo variou entre 60 e 80 MPa; em 28% dos ensaios obtiveram-se valores entre 40 e 60 MPa; e apenas 16% dos valores foram inferiores a 40 MPa. Na zona em que foram identificados solos com características geotécnicas mais fracas (entre aproximadamente o km 360 e o km 410), os valores do módulo de deformabilidade obtidos foram, em geral, relativamente mais baixos, quando comparados com o resto do trecho.

a) b) Fig. 4. Ensaios com o DIP na plataforma e no passeio de via: a) valores de EDIP; b) aspeto do ensaio.

0

10

20

30

40

50

60

280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480

Esp

essu

ra (

cm)

Localização (km)Espessura total de balastro Balastro contaminado e=25 cm e=20 cm e=15 cm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480

Mat

eria

l pas

sado

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#200

(%

)

Localização (km)

0

5

10

15

20

25

30

35

280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480

IP (

%)

Localização (km)

0

5

10

15

20

25

30

35

280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480

EA

(%

)

Localização (km)

5

Partindo do pressuposto que os solos na zona do passeio de via são semelhantes e foram colocados da mesma forma que os que estão sob a superestrutura da via, pareceu adequado realizar, em cada local em estudo, para além do ensaio na via, também um ensaio no passeio de via. Em geral, os valores obtidos na plataforma da via são muito superiores aos obtidos no passeio de via, o que pode resultar da densificação dos solos localizados sob a via, devido à passagem dos comboios. Essa tendência torna-se menos relevante, ou é mesmo invertida, nos casos em que o módulo medido na plataforma da via é baixo. Estes resultados evidenciam a importância de compactar adequadamente os solos na zona superior da fundação da via, em particular aquando da reconstrução levada a cabo após a ocorrência de incidentes que danificaram a subestrutura da via.

Em termos gerais, pode concluir-se que existem condições distintas de fundação da via ao longo do desenvolvimento longitudinal do trecho de linha em análise. Em várias zonas foram identificados solos com características geotécnicas (granulometria, plasticidade e compacidade) relativamente adequadas à fundação da via e foram medidos valores do módulo de deformabilidade no topo da fundação superiores a cerca de 60 a 80 MPa. Em geral, nestes locais foram identificados solos medianamente compactos a muito compactos até cerca de 4 a 5 m de profundidade. Noutros casos foram detetados à superfície solos de fraca qualidade (% de finos relativamente elevada, alguma plasticidade e baixa compacidade) e foram medidos valores do módulo de deformabilidade no topo da fundação da ordem de 30 a 60 MPa. Em vários destes casos, os solos encontravam-se soltos até profundidades consideráveis, ou existiam camadas de solos soltos intercaladas com solos de maior compacidade, de acordo com os resultados obtidos em ensaios com o DPSH e com o DMT (Fig. 5).

Fig. 5. Exemplo da estimativa das características dos solos através dos ensaios DPSH e DMT (realizados ao km 374,25 (33) e ao km 372,70 (34)): a) tipo de solo; b) peso volúmico; e c) módulo de deformabilidade.

3 PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA VIA-FÉRREA

Em termos de engenharia ferroviária os parâmetros geométricos da via-férrea são os melhores indicadores de desempenho. Na Linha de Sena procedeu-se à avaliação da geometria da via com recurso a um equipamento MMD (Fig. 6a), tendo-se obtido valores dos parâmetros geométricos a cada 25 cm do desenvolvimento longitudinal. Para além de os parâmetros geométricos refletirem as características da superestrutura e do balastro, parece haver também alguma relação entre esses parâmetros e o módulo de deformabilidade medido na plataforma com o DIP (EDIP). De facto, com exceção dos valores extremos que ocorrem ao longo de todo o trecho, associados à existência de singularidades na via (como por exemplo aquedutos abertos (Fig. 6b), que são estruturas de rigidez relativamente elevada), em diversos casos onde foram medidos valores relativamente baixos de EDIP, a via apresenta uma qualidade geométrica, nomeadamente no que se refere ao nivelamento, relativamente inferior à que foi registada em zonas adjacentes; exemplos disso encontram-se aos km 301,3 (EDIP = 47 MPa), km 388,8 (EDIP = 33 MPa) e km 452,5 (EDIP = 47 MPa). Os trechos que apresentam, em termos médios, valores de EDIP mais baixos são aqueles que exibem pior qualidade de nivelamento; por exemplo, no trecho entre aproximadamente o km 418 e o km 423 (Fig. 6c) registou-se uma deficiente qualidade de nivelamento e valores de EDIP de 39 MPa e 54 MPa. Ao contrário, no trecho aproximadamente entre o km 428 e o km 432, obteve-se uma qualidade de nivelamento boa e valores de EDIP de 222 MPa e 130 MPa.

6

a)

c)

b)

Fig. 6. Aspetos da geometria da via: a) equipamento MDD; b) exemplo de aqueduto aberto com grande rigidez; c) desvio padrão do nivelamento do carril direito calculado com os registos de trechos de 200 m.

Da análise da Fig. 7 pode concluir-se que quando os valores de EDIP são relativamente elevados, em geral superiores a 80 MPa, o desvio padrão do nivelamento de cada um dos carris não ultrapassa 3 mm (valor de alerta estabelecido no documento IT.VIA.018 [6] para vias com bitola de 1000 mm, para velocidade de circulação entre 40 e 80 km/h). Para além disso, observa-se que uma percentagem elevada de valores de desvio padrão superiores a 3 mm está associada a zonas em que EDIP é inferior a 60 MPa.

Fig. 7. Relação entre módulo de deformabilidade e o desvio padrão do nivelamento de cada um dos carris.

4 ANÁLISE ESTRUTURAL DA VIA

Com o objetivo de avaliar o comportamento mecânico da via-férrea no trecho em estudo, foram realizadas análises estruturais de algumas configurações de via que se consideram poder ser representativas das condições existentes, em particular no que se refere às propriedades mecânicas e geométricas dos elementos constituintes do armamento de via, da camada de balastro e dos solos de fundação. Essas análises foram realizadas em modelos numéricos tridimensionais, recorrendo ao programa comercial FLAC3D [7]. No essencial, procedeu-se à avaliação da distribuição de tensões e de deformações em profundidade na via-férrea, decorrentes da

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

415 420 425 430 435 440

Des

vio

padr

ão (

mm

)

Localização(km)

0

1

2

3

4

5

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8

9

0 50 100 150 200 250

Des

vio

padr

ão (

mm

)

EDIP (MPa)

Desvio padrão niv. direito

Desvio padrão niv. esquerdo

Limite de alerta

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solicitação imposta, das características físicas e mecânicas dos elementos que compõem a via e das condições de fronteira. É de notar que na avaliação das ações foram apenas consideradas as cargas estáticas dos veículos que produzem as maiores solicitações. A decisão de não considerar nenhum fator dinâmico para agravar o valor da carga estática teve por base o facto de a velocidade máxima de exploração não ultrapassar os 80 km/h, de se presumir que a adequada manutenção da via fará com que esta exiba uma boa qualidade geométrica e que o material circulante terá também um nível de manutenção adequado. Nestas condições, a haver algum agravamento da carga estática, ele deverá ser pouco significativo, por exemplo da ordem de 10% [8]. Na Fig. 8 apresentam-se as características das diversas configurações analisadas.

Fig. 8. Exemplo de malha de elementos utilizada no programa FLAC3D para modelar a via-férrea.

Nos estudos realizados foi possível concluir que as configurações estruturais em análise, estabelecidas de forma a serem representativas de algumas secções da Linha de Sena, conduzem a resultados semelhantes aos que normalmente se obtêm no cálculo deste tipo de estruturas [9]. Na Fig. 9 e na Fig. 10 apresentam-se, a título de exemplo, para a configuração A (ver Fig. 8), a distribuição tridimensional dos deslocamentos calculados na via e das variações de tensão vertical.

Deslocamentos (m)

a) b)

Fig. 9. Distribuição tridimensional de deslocamentos verticais calculados para a configuração A: a) vista transversal; b) vista longitudinal pelo eixo da via.

Configuração de via Camada/elemento A B C D E F

Carril R45 (45,4 kg/m)

Travessa E (MPa)

ν

E = 64 GPa

ν = 0,25

Kpalmilha de carril (kN/mm) 150

Balastro existente: espessura (m)

E (MPa)

ν

0,25 160 0,2

0,25 160 0,2

0,20 160 0,2

0,20 160 0,2

0,25 160 0,2

0,20 160 0,2

Fundação: E (MPa)

ν

40 0,4

80 0,4

40 0,4

80 0,4

60 0,4

60 0,4

-2.2000e-003 to -2.1000e-003-2.0000e-003 to -1.9000e-003-1.8000e-003 to -1.7000e-003-1.6000e-003 to -1.5000e-003-1.4000e-003 to -1.3000e-003-1.2000e-003 to -1.1000e-003-1.0000e-003 to -9.0000e-004-8.0000e-004 to -7.0000e-004-6.0000e-004 to -5.0000e-004-4.0000e-004 to -3.0000e-004-2.0000e-004 to -1.0000e-004 0.0000e+000 to 0.0000e+000

100 kN 100 kN100 kN

balastro

fundação

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Tensões verticais (kPa)

a) b)

Fig. 10. Distribuição tridimensional de tensões verticais calculadas para a configuração A: a) vista geral sob o armamento de via; b) vista longitudinal pelo eixo da via.

No Quadro 1 apresenta-se a média das tensões verticais no alinhamento mais solicitado (σV), no topo da camada de balastro e no topo da plataforma. No que se refere aos deslocamentos calculados para as estruturas em estudo, resultantes da solicitação aplicada, obtiveram-se valores máximos de deslocamento do carril de cerca de 2,2 mm nas configurações A e C, de 1,3 mm nas configurações B e D e de 1,6 mm nas configurações E e F. Estes valores situam-se num intervalo que se pode considerar adequado para este tipo de vias, de acordo com o apresentado em estudos anteriores e em manuais técnicos [10, 11].

Quadro 1. Tensões verticais máximas no balastro e na plataforma Balastro Plataforma

Configuração σV (kPa)

σV (kPa)

A 77 53 B 92 60 C 75 58 D 91 66 E 87 57 F 85 63

5 AVALIAÇÃO DA PLATAFORMA FERROVIÁRIA

Em particular nas vias antigas, onde não existe uma camada de sub-balastro, as características intrínsecas (granulometria e plasticidade) e de estado (teor em água e grau de compactação) dos solos de fundação influenciam muito a resistência mecânica e a deformabilidade da fundação da via. Nos casos em que as características geotécnicas desses solos são inadequadas, o contributo da fundação para as deformações permanentes da via pode ser muito significativo e pode mesmo pôr em causa a estabilidade da via, quando o número de aplicações de carga ultrapassa um determinado valor. Assim, é usual limitar os níveis de tensão ou de deformação impostos à fundação para que esta possa exibir um adequado comportamento ao longo do ciclo de vida da infraestrutura, isto é, para que, atendendo ao número de aplicações de carga, as deformações permanentes se mantenham em níveis aceitáveis.

Para um determinado número de aplicações de carga, os níveis de deformação dos solos da fundação dependem não só do valor da tensão aplicada (a qual depende da carga por eixo e da espessura das camadas de balastro e de sub-balastro), mas também das características geotécnicas dos materiais. Quando não existe uma camada de sub-balastro, só é possível limitar as deformações dos solos da plataforma se existir uma camada de balastro com uma espessura adequada (sendo que o valor máximo dessa espessura tem ele próprio que ser limitado, sob pena de ser a camada de balastro a contribuir para o mau comportamento da via), e se os solos exibirem propriedades geotécnicas mínimas, as quais dependerão não apenas das suas características intrínsecas, mas também do teor em água e do grau de compactação, como foi já referido.

Gradient Calculation-2.4000e+002 to -2.2500e+002-2.2500e+002 to -2.0000e+002-2.0000e+002 to -1.7500e+002-1.7500e+002 to -1.5000e+002-1.5000e+002 to -1.2500e+002-1.2500e+002 to -1.0000e+002-1.0000e+002 to -7.5000e+001-7.5000e+001 to -5.0000e+001-5.0000e+001 to -2.5000e+001-2.5000e+001 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e+001

100 kN 100 kN

balastro

fundação

9

Algumas formulações, como a de Heukelom (1) relacionam a tensão admissível na plataforma (σadm) com o número de aplicações da carga (N) que provoca essa tensão na plataforma e com a rigidez da plataforma da via (Ed), obtida, por exemplo, no ensaio de carga dinâmico [12].

�����

����, ����

(1)

Alguns autores referem que o parâmetro α pode assumir valores entre 0,006 e 0,008. Neste estudo, de forma conservativa, utiliza-se o primeiro valor. Tendo em conta esta relação e utilizando os valores da tensão aplicada na plataforma obtidos do cálculo numérico de cada uma das configurações estruturais analisadas, pode estimar-se o número de aplicações de carga admissível (Quadro 2).

Quadro 2. Número de aplicações de carga admissível para os diversos tipos de configurações analisadas

Configuração

Espessura da camada de balastro

(m)

Módulo de deformabilidade na plataforma

(MPa)

Média das tensões verticais na plataforma no alinhamento mais

solicitado σV (kPa)

Nº de aplicações de carga admissível

(N) (×106)

A 0,25 40 53 0,1 B 0,25 80 60 10000 C 0,20 40 58 0,03 D 0,20 80 66 914 E 0,25 60 57 39,3 F 0,20 60 63 5,4

Calculando o tráfego necessário para transportar 20 milhões de toneladas de carvão por ano, como estabelecido no projeto, pode estimar-se o número de anos que a plataforma, em condições normais, pode exibir um comportamento adequado. O número de aplicações de carga por ano associadas à passagem de comboios, isto é, o número de eixos de 20,5 toneladas, deve ser calculado tendo em conta: a) as características dos vagões que fazem o transporte (peso bruto, número e espaçamento dos eixos); b) as características e o número de locomotivas adequadas para fazer o transporte; e c) o número de marchas necessárias para realizar o transporte.

Nestas condições, o número de eixos/ano que passam na via para garantir o transporte do carvão e dos passageiros e as circulações associadas às ações de manutenção da via, é de cerca de 1,6×106.

Tendo em conta a metodologia utilizada, e atendendo aos resultados apresentados no Quadro 2, conclui-se que: a) as soluções estruturais do tipo A e C, em que módulo de deformabilidade medido no topo da plataforma é de 40 MPa, provavelmente não têm condições para cumprir os requisitos do projeto, pelo menos em grande parte das zonas em análise; b) aparentemente, as configurações B e D (com módulo de 80 MPa na plataforma) não apresentam problemas de capacidade de carga, tendo em conta o elevado valor obtido para o número de aplicações de carga admissível; e c) a configuração E, que contempla uma camada de balastro com uma espessura de 0,25 m e uma plataforma com módulo de deformabilidade de 60 MPa, poderá ter condições para suportar o tráfego num período que se estima da ordem de 25 anos; a configuração F (com 0,20 m de espessura de balastro) teria menos condições de cumprir os requisitos, pois estima-se que apenas poderá exibir um comportamento adequado num período inferior a 5 anos. Estes resultados confirmam a importância de ter uma espessura de balastro de 0,25 m em vez de apenas 0,20 m.

6 CONCLUSÕES

Durante os trabalhos de caracterização da via-férrea de um trecho da Linha de Sena concluiu-se que existia uma variação importante da espessura da camada de balastro ao longo da linha. Em 65% dos locais analisados a espessura era inferior a 25 cm. Em cerca de 30% da extensão do trecho analisado encontraram-se solos de fundação com características geotécnicas relativamente deficientes, o que é particularmente gravoso por se tratar da plataforma de uma via-férrea sem camada de sub-balastro. Esta situação conduziu a valores do módulo de deformabilidade inferiores a 60 MPa em 44% dos locais ensaiados, sendo que em cerca de 16% desses locais esses valores foram mesmo inferiores a 40 MPa. A análise conjunta da qualidade geométrica da via e dos resultados de caracterização geotécnica da plataforma permitiu concluir que nas zonas em que as características geotécnicas da fundação da via são mais deficientes a qualidade geométrica é inferior.

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Pela análise dos resultados obtidos por modelação numérica, verificou-se que nas configurações estruturais em que se considerou a camada de balastro com 20 cm de espessura em vez 25 cm, os valores máximos de tensão vertical observados no topo da fundação foram cerca de 7 a 9% superiores. A determinação da capacidade de carga da via, tendo em conta as características físicas e mecânicas avaliadas durante a caracterização geotécnica e os resultados obtidos na modelação numérica, permitiu concluir que pelo menos cerca de 70% da extensão do trecho analisado poderá ter condições para cumprir os requisitos do projeto, isto é, garantir o transporte de 20 milhões de toneladas de carvão por ano, durante um período de pelo menos 25 anos, se for possível garantir ao longo de toda a linha uma espessura mínima de 25 cm para a camada de balastro. Estima-se que essa extensão possa vir a ser aumentada em consequência do melhoramento dos sistemas de drenagem e da reabilitação de algumas zonas específicas, nomeadamente no que se refere ao reforço da fundação nos locais em que os solos exibem fracas características geotécnicas, que se traduzem por valores do módulo de deformabilidade inferiores a 60 MPa. É ainda de notar que a ausência de uma camada de sub-balastro e de sistemas de drenagem a funcionar corretamente proporcionam variações significativas do teor em água dos solos de fundação ao longo do ano, em função da pluviosidade e da subida do nível freático nos terrenos. Nestas condições, os valores do módulo de deformabilidade dos solos, em particular dos mais sensíveis à água, podem variar significativamente, pelo que é importante garantir a adequada manutenção dos sistemas de drenagem.

Em face dos valores obtidos, sugere-se ainda que durante a operação ferroviária se proceda ao controlo da carga transportada, para que não se ultrapasse o valor máximo estabelecido de 20,5 t/eixo. Para garantir níveis reduzidos de carga dinâmica transmitida à estrutura, o material circulante deve ser sujeito a manutenção de forma a não exibir defeitos, em particular nas rodas, e a geometria da via deve ser mantida com boa qualidade. Se a operação da via for acompanhada por ações de manutenção regular da superestrutura e da subestrutura, o agravamento das solicitações devido às ações dinâmicas deverá ser pouco significativo, tendo em conta que velocidade máxima de circulação é moderada.

7 AGRADECIMENTOS

Parte deste estudo foi desenvolvido no âmbito do GT4 “Subestrutura da via-férrea, incluindo zonas de transição” da Comissão Portuguesa de Geotecnia nos Transportes (CPGT) da Sociedade Portuguesa de Geotecnia.

8 REFERÊNCIAS

1. E. Fortunato; A. Pinelo; M. Matos Fernandes, Characterization of the fouled ballast layer in the substructure of a 19th century railway track under renewal, Soils Foundations, 50, pp. 55–62, 2010.

2. E. T. Selig & J. M. Waters, Track geotechnology and substructure management, T. Telford, London, 1994.

3. E. Fortunato, Renovação de Plataformas Ferroviárias. Estudos Relativos à Capacidade de Carga, Tese de doutoramento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2005.

4. ASTM D2487-11, Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (USCS).

5. ASTM D3282-09, Standard Specification for Classification of Soil-Aggregate Mixtures for Highway Construction Purposes.

6. REFER, IT.VIA.018 - Tolerâncias dos parâmetros geométricos da via, REFER, EPE, Lisboa, 2009.

7. Itasca, FLAC3D – Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Itasca Consulting Group, 2006.

8. M. A. Prud' Homme, La voie, Revue Générale des Chemins de Fer, Vol. 1, pp. 52-72, 1970.

9. C. Esveld, Modern Railway Track; Ed. 2, MRT-Productions, Zaltbommel, 2001.

10. E. Fortunato; R. Resende, Mechanical behaviour of railway track structure and foundation – three dimensional numerical modelling, Proc. of RailFound 06 pp. 217-227, Birmingham, 11-13 sept 2006.

11. AREMA, Manual for Railway Engineering, AREMA, Lanham, MD, 2000.

12. A. Lopez Pita, Infraestructuras ferroviárias, Ed. Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, 2006.