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Caracterização Físico-Mecânica de Plataformas Ferroviárias

Eduardo Fortunato

Investigador Auxiliar do Laboratório Nacional de Engenharia Civil

Professor Auxiliar Convidado da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

A ESTRUTURA DA VIA FÉRREA

9º Ciclo de Palestras em Engenharia Civil / UNIC – 3 de Maio de 2006

PLATAFORMAFUNDAÇÃO

PLATAFORMAFUNDAÇÃO

PLATAFORMAPLATAFORMA FERROVIÁRIA

FUNCIONAMENTO DA VIA FÉRREA

Solicitações verticais, laterais e longitudinais.

Desempenho:


� estabilidade;� resiliência;� ausência de deformações permanentes significativas;� pouco desgaste dos elementos.


Características da subestrutura da via férreaCaracterísticas da subestrutura da via férrea

São das mais simples estruturas de engenharia civil para construir (compactação de materiais em camadas), mas são das mais complicadas para projectar e caracterizar.

Em geral as estruturas de engenharia civil (barragens, pontes, edifícios) são dimensionadas à rotura, adoptando coeficientes de segurança elevados, e verificadas para estados limites de utilização relativamente bem conhecidos.

As vias férreas são projectados para permitir a circulação durante um dado período (30, 50 anos), estabelecido em função duma análise económica. No entanto, é difícil definir “rotura”, pois corresponde ao aparecimento de diversos tipos de degradações, que poderão ser distintas conforme os trabalhos de conservação e de reabilitação que ocorrerão após a construção.

Por outro lado, os diversos componentes da estrutura têm ciclos de vida distintos.


Aspectos mais importantes relacionados com a qualidade das vias das linhas de alta velocidade ferroviária:

Qualidade (total) da exploração :• segurança,• conforto, • horários, • economia.

=> Qualidade da subestrutura

• Condições de exactidão geométrica na superfície de rolamento(segurança, conforto, gasto energético);

• Ausência de obstáculos à circulação (queda de taludes, inundações, etc.);

• Dificuldade de efectuar trabalhos de conservação na subestrutura e em particular na plataforma (exploração intensa).

Estabelecimento de requisitos funcionais para os diversos elementos


Requisitos funcionais para a plataforma ferroviária (topo do sub-balastro)

FunçãoFunção

Fase de construçãoTraficabilidade

Capacidade de suporte

Protecção das terraplenagens

Fase de exploraçãoCapacidade de carga da via

Redução de tensões para a plataforma

Impermeabilização da plataforma

Drenagem das águas zenitais

Drenagem das águas subsuperficiais

Filtro e separação balastro/plataforma

Protecção contra o gelo

ExigênciasExigências

Execução das camadasExecução das camadas

Mat

eria

is;

esp

essu

ra d

e ca

ma

da

s; té

cnic

as

con

stru

tiva

s

Materiais

Camadas

Geometria

granulometriaplasticidadecaracterísticas das partículas

inclinaçõescotasregularidade

homogeneidadeespessura% compactaçãomódulo Ev2

ExploraçãoExploração

� Balastro� Drenagem� Plataforma� Terraplenagens

Conservação / Reabilitação

� Homogeneidade (longo trecho)

� Variabilidade reduzida(condições climáticas)

MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO DA VIA FÉRREA

Índice de contaminação (fouling index)

FI=P4+P200

FI < 1 limpo1 < FI < 10 moderadamente limpo

10 < FI < 20 moderadamente contaminado20 < FI < 40 contaminado

FI = 40 muito contaminado

Degradação da via - contaminação do balastro com partículas finas INFILTRAÇÃO DE FINOS A PARTIR DA SUPERFÍCIE

BALASTRO CONTAMINADO

FUNDAÇÃO

SUB -BALASTROFORMAÇÃO DE

LAMAS

DESGASTE DO

BALASTRO

DESGASTE DA

TRAVESSA

INFILTRAÇÃO DE FINOS A PARTIR DA SUPERFÍCIE

BALASTRO CONTAMINADO

FUNDAÇÃO

SUB -BALASTROFORMAÇÃO DE

LAMAS

DESGASTE DO

BALASTRO

DESGASTE DA

TRAVESSA

CARRIL


Desenvolvimento de uma rotura por corte progressivo na fundação (Li, 1994)



Formação de bolsadas de balastro na fundação de solos moles: a) perfil transversal; b) perfil longitudinal (Li e Selig, 1995).


Esquema da rotura global por corte (Li, 1994).



FACTORES QUE PODEM INFLUENCIAR O DESEMPENHO DOS MAT ERIAIS :

Parâmetros de estado (meio particulado)

• Estado de tensão; compacidade; teor em água

Parâmetros intrínsecos (partículas)

• Características físicas e litológicas dos materiais

natureza: petrografia, textura

forma: lamelação, alongamento

propriedades físicas: porosidade, dureza, resistência ao desgaste, alterabilidade, etc.

granulometria (%<#200, Dmáx)

% elementos britados

Processos construtivos

• Mistura homogénea no armazenamento transporte e colocação (ex: humidificação evita segregação)

Controlo da qualidade de construção de aterros e de camadas de apoio de pavimentos e de vias férreas

• Especificações baseadas no desempenho–estabelecimento de valores mínimos de grandezas mecânicas que se relacionam com o comportamento da estrutura.

• Especificação por produto– estabelecimento de características a atingir para os produtos => problemas relacionados com a adequação da grandeza física medida e com a representatividade dos ensaios;

ex: dmax > 19mm;

ex: energia de compactação em campo muito distinta da utilizada em laboratório;

• Especificação por procedimentos– definição dos procedimentos de compactação => problemas relacionados com a variação dos materiais e das condições de construção;

Strong

Load

Surface

Base

Subgrade

Weak

Load

Terreno natural

Camadas betuminosas / balastro

agregados

elevada rigidez baixa rigidez

carga carga

Strong

Load

Surface

Base

Subgrade

Weak

Load

Terreno natural

Camadas betuminosas / balastro

agregados

elevada rigidez baixa rigidez

carga carga



Módulo reversível

Er= σd/εr

(características mecânicas relacionadas com o desempenho)

εp

σd

εrε

σ

COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS DAS CAMADAS DE APOIO DA VIA FÉRREA

σd-tensão distorcional cíclica (σ1-σ3)εr-extensão axial reversível na direcção da tensão principal máxima (σ1)


Controlo das terraplenagens (UIC 719 – R) γd ≥ 95% γd OPN

Ev2 ≥ 45 MPa solos finos60 MPa solos granulares

Controlo do leito da via (UIC 719 – R) γd ≥ 100% γd OPN

Ev2 ≥ 80 MPa

CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS (ORE, 1983, adaptado)

Qualidade do solo

Identificação CBR (%)

Ev2(MPa)

QS1Solos com mais de 15% de partículas finas, estado hídrico

“médio” ou “seco”3 a 6 15 a 25

QS2

Solos com 15% a 40% de partículas finas, estado hídrico “seco” e boas condições hidrológicas e hidrogeológicas

6 a 20 25 a 80

Solos com 5 a 15% de partículas finas, estado hídrico “seco”

QS3Solos com menos de 5% de partículas finas, bem graduados e com

partículas de dureza elevada>20 >80

Controlo do camada de sub-balastro (UIC 719 – R)

• material bem graduado e resistente à fragmentação Cu > 6 e 1< Cc <3LA < 25%

• camada impermeabilizante, drenante e anti-contaminante γd ≥ 103% γd OPNEv2≥ 120 MPa


Dados

e sub-balastro

Ev2 topo terraplenagem

Ev2 material sub-balastro

Ev2 material leito

DIMENSIONAMENTO DAS CAMADAS DE

REFORÇO (LNEC, 2000)

Admite-se

E topo do sub-balastro

Modelo de comportamento

Condições de fronteira

Determina-see camada leito

CARACTERIZAÇÃO NO ÂMBITO DO CONTROLO DA QUALIDADE

Vantagens da utilização das especificações baseadas no desempenho:

• transfere para o Empreiteiro a responsabilidadeda obtenção das características adequadas;

• permite fazer alterações e optimizar o projectode acordo com o que está construído;

• permite a utilização de materiais não tradicionais, que normalmente estariam fora das especificações e que podem ser vantajosos em termos técnicos, económicos e ambientais.

• permite obter uma maior homogeneidadenas camadas.

• tendencialmente permite obter uma qualidade mais elevadados empreendimentos, em particular se forem adoptados métodos de controlo em contínuo, ou quase contínuo.

Dificuldades da utilização das especificações baseadas no desempenho:

• necessidade de o projecto especificarconvenientemente as características mecânicas desejáveis para os materiais ou estruturas;

• necessidade de estabelecer forma de medir essas características;

• necessidade de os cadernos de encargos especificarem valores mínimos, valores médios e critérios de aceitaçãocom base no tipo e na quantidade de ensaios realizados;

• necessidade de realizar trechos experimentais, de forma a validar as condições de projecto.


MÉTODOS PARA CARACTERIZAÇÃO DA VIA

• DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE EQUIVALENTE

• ENSAIO DE CARGA COM PLACA (ECP)

• DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO PESADO (FWD) E PORTÁTIL (DIP)

• MEDIDOR DE CAPACIDADE DE SUPORTE EM CONTÍNUO (PORTANCEMÈTRE)

• SOIL STIFFNESS GAUGE (SSG)

• ANÁLISE ESPECTRAL DE ONDAS DE SUPERFÍCIE (SASW, CSW)

Distintas áreas de influência

Distintas solicitações

Distintas deformações

Variação do módulo de distorção.


s

qd0,75E =

com: E–módulo de deformabilidade medido no 2º ciclo de carga do ECP (MPa)d–diâmetro da placa de carga (m)q–tensão vertical aplicada (MPa)s–deslocamento medido (m)

( )[ ]dz - 1

yxz0σσνσ ∆+∆∆= ∫

∞

Es

4

E

- 1 q.d.

2 πν ⋅=s

Assentamento elástico à superfície de um maciço homogéneo semi-indefinido (Lei de Hooke )

solução para uma placa rígida circular

considerando 75,0 4

) - (1 2 =⋅ πν

obtém-se

0

50

100

150

200

250

300

0.E+00 2.E-04 4.E-04 6.E-04 8.E-04 1.E-03 1.E-03 1.E-03

Deslocamento (m)

q (

kPa

)

Ev2

Ensaio de carga com placa (ECP)


Deflectómetro de Impacto (FWD)

• aplicação de uma força de impulsoatravés de uma placa circular, gerada pela queda de uma massa de uma determinada altura sobre um conjunto de amortecedores; • medição da forçaatravés de uma célula de carga instalada junto da placa;• medição das deflexõesem vários pontos da superfície com transdutores, cujos registos permitem quantificar os deslocamentos.


Deflectómetro de Impacto Portátil (DIP)

� Placa de carga φ=100, 200 ou 300 mm� Massa móvel de 10 ou 15 kg� Altura máxima de queda 0,80 m� Célula de carga� Batentes de absorção de energia� Geofones� Computador portátil


Medidor de Capacidade de Suporte em Contínuo (MCSC) (Portancemètre)

( ) cFa MMa Mg MF v201v101 +−++=

ϕω= cos..emF 2c

K5Ev2 =X

FK =

M1.g – peso total do conjunto; M0.av1 – força de inércia da massa vibrante, com av1 representando a aceleração vertical dessa

massa; (M1-M0).av2 – força de inércia do chassis, com av2 representando a componente vertical da

aceleração (residual) das massas suspensas. me – momento produzido pela massa excêntrica; ω – frequência angular; ϕ – ângulo entre o vector da força centrífuga e a vertical.

30 < f (Hz) < 35 30 < E (MPa) < 300e ≅ 0,6 mV < 3,6 km/h

• uma roda vibrante de aço, circulando a uma velocidade baixa e constante solicita a superfície a ensaiar;

• mede acelerações e frequência de vibração;

• calcula a força aplicada e o deslocamento.


Soil Stiffness Gauge(SSG)

( )1,77R

ν1KE

2−=( ) 1int

212flex XmXXKF ω+−=

1X

FK =

• Um vibrador produz pequenas forças que são transmitidas à superfície a ensaiar por um anel;• São medidas as forças e as consequentes velocidades de deformação da superfície, para diversos valores da frequência de vibração, dentro de um intervalo definido.

F – força aplicada pelo vibrador (N); Kflex – rigidez da placa flexível (N/m); X2 – deslocamento da placa flexível (m); X1 – deslocamento do apoio rígido (m); ω – 2πf, em que f é a frequência de vibração (Hz); mint – massa dos componentes internos ligados ao apoio rígido e do próprio apoio (kg).

• F => σ ≅ 30kPa• X1 ≅ 10-6 m • 100 < f (Hz) < 196 • 25 < E (MPa) < 600• e ≅ 20 a 30 cm


∫+∞

∞−

−= dtetxX tiωω ).()(

ft

πφ

2=

t

dV =

f

V=λ

- Z=λ/3- método da matriz de

transferência - matriz de rigidez dinâmica

RV.pV =s

2sVG ρ=

ν)2G(1E +=

Análise Espectral de Ondas de Superfície (SASW/CSW)

• Determinação em profundidade do perfil de rigidez de corte, recorrendo à velocidade de propagação de ondas elásticas e ao comportamento dispersivo (V depende de f) das ondas de Rayleigh em materiais não uniformes (variação de G, ν, ρ);

• As ondas de elevada frequência caracterizam a zona superficial e as de baixa as zonas profundas.


a) Aplicação de uma solicitação à superfície;b) Análise das características da vibração do meio livre (propagação da onda à superfície);c) Determinação da curva de dispersão;d) Inversão para determinar o perfil das ondas de corte e depois o perfil de rigidez.

• IDENTIFICAÇÃO DE MATERIAIS E CAMADAS: GEORADAR

• Princípio : a velocidade de propagação da energia electromagnética e a sua reflexão em interfaces entre diferentes materiais são afectadas pelas propriedades eléctricas e magnéticas dos diferentes meios.

• O georadar gera e envia impulsos de energia electromagnética que se propaga através do meio e ao encontrar interfaces entre materiais com propriedades electromagnéticas contrastantes, parte dela reflecte-se para a superfície, outra atravessa essa interface.

• Alta resolução, superior à de qualquer dos métodos clássicos de prospecção.

Tem

po d

e tr

ajec

to (

ns)

0 -

Distância

Ar

Posição da antena ao longo do perfil

camada 1

camada 2

onda directa

ar/camada 1

onda reflectida

c 1/c 2

• Materiais com elevada condutividade eléctrica atenuam/absorvem os sinais => menor profundidade de penetração do georadar (ex: metal, argilas ).


k

cV =

2

V.ts =

RESULTADOS DE ENSAIOS REALIZADOS DURANTE A RENOVAÇÃ O DA PLATAFORMA FERROVIÁRIA DA LINHA DO NORTE

Com os objectivos de avaliar:

• a qualidade da obra construída;

• a facilidade de utilização e o rendimento dos equipamentos;

• a repetibilidade dos valores obtidos em cada local;

• a sensibilidade dos valores às condições de ensaio;

• a relação entre os valores obtidos e os valores do módulo de deformabilidade obtidos pelo ECP (Ev2 – φ=600 mm, σvmax=250 kPa);

• a possibilidade de estes equipamentos contribuírem para o estabelecimento da energia de compactação necessária;

• a possibilidade de estes equipamentos permitirem detectar zonas com comportamento distinto, de forma muito mais fácil e económica do que recorrendo ao ECP.


Camada de 30 a 45 cm de enrocamento calcário

Leito de via: 20 a 35 cm de material calcário britado com granulometria 0/37,5 mm + Sub-balastro: 0,15 m de material de granítico de granulometria (0/37,5 mm).

Plataforma das terraplenagens em más condições

ZONA A – Renovação da plataforma ferroviária

Leito de via e sub-balastro ambos construídos com material agregado britado de granulometria extensa numa espessura total de 0,35 m.

Ev2 min = 40 MPa

ZONA B – Plataforma ferroviária nova

Ev2 min = 120 MPa


y = 0.705x + 53.751

R2 = 0.7413

60

80

100

120

140

160

180

200

60 80 100 120 140 160 180EV2 Leito (MPa)

EV

2 S

ub-b

alas

tro

(MP

a)

0

10

20

30

40

50

[0.0;1.0] [1.0;1.2] [1.2;1.4] [1.4;1.6] [1.6;1.8] [1.8;2.0] [2.0;2.2] [2.2;2.4] [2.4;2.6]

EV2/EV1

Fre

quên

cia

(%)

Sub-balastroLeitoFundação

� Aumento significativo de EV2 com a construção do leito (30% a 300%);

� Dispersão relativamente elevada; R2 baixo.

y = 0.6302x + 73.048

R2 = 0.342760

80

100

120

140

160

180

200

20 40 60 80 100 120EV2 Fundação existente (MPa)

EV

2 Le

ito (

MP

a)ECP

(φφφφ=600)

�Aumento importante de EV2 no domínio dos valores mais baixos, com a construção do sub-balastro (10% a 70%, com valor máximo de 40 MPa)

� R2 relativamente elevado.

� 1 < EV2/EV1 < 2,5;

� valores médios: 1,5 (F); 1,4 (L); 1,3 (SB);

� materiais distintos, distintas relações;

� resposta mais adequada da camada de sub-balastro em relação à de leito e desta em relação à fundação existente.


Valores do módulo de deformabilidade medidos com o ECP e o com DIP e calculados pelo MEF, no topo das camadas de leito e de sub-balastro na Zona A.

LeitoE DIP = 1.2 E ECP

R2 = 0.9

Sub-balastroE DIP = 1.1 EECP

R2 = 0.8

40

60

80

100

120

140

160

180

40 60 80 100 120 140 160 180EECP (MPa)

ED

IP (

MP

a)

Medidos no topo do leito

MEF no topo do leito (E leito=300MPa)

Medidos no topo do sub-balastro

MEF no topo do sub-balastro (E sub=250; E leito=300MPa)


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 200 400 600 800 1 000 1 200

Distância (m)

E (

MP

a)

Valor mínimo exigido (80 MPa)MCSCECP

(a) leito de via com 0,20 m de espessura(b) enrocamento com 0,30 m de espessura(c) geotêxtil(d) passagem inferior hidráulica

(b) (b)

(a)

(c)(d)

%12N

E

EEN

1 ECP

MCSCECP

=

−∑

• 80 < EV2 (MPa)< 170

• Efeito do número de passagens, detecção de zonas com anomalias; avaliação de soluções construtivas.

Módulo de deformabilidade obtido com o MCSC e com o ECP na Zona A no topo da camada de leito da via.


Valores do modulo de deformabilidade obtidos com o MCSC e com o ECP na Zona B.

100

150

200

250

300

350

140 850 140 950 141 050 141 150 141 250 141 350 141 450 141 550 141 650 141 750 141 850 141 950

Local (km)

E (

MP

a)

MCSC ECP

Passagem inferior

PI

%9N

E

EEN

1 ECP

MCSCECP

=

−∑


• 125 < EV2 (MPa)< 260

FWD/DIP/ECPSub-balastro da

subestrutura na zona B

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

141050 141100 141150 141200 141250 141300 141350

Local de ensaio (VD) (m)

E (

MP

a)

DIP 300 (4/01) FWD 300 (4/01) ECP 300 (4/01) DIP 300 (7/01) FWD 300 (7/01) ECP 300 (7/01)

Verãow med (%)

1,0 (h=0,0 m)0,9 (h=0,1 m)0,8 (h=0,3 m)

Primavera w med (%)

3,8 (h=0,0 m)2,6 (h=0,1 m)2,3 (h=0,3 m)

Intervalos dos valores médios e coeficientes de variação do módulo de deformabilidade equivalente para uma probabilidade de 95%

16925 a 1096ECP 7/01

141091 a 1189FWD 7/01

151120 a 1226DIP 7/01

11332 a 373ECP 4/01

15235 a 258FWD 4/01

7353 a 369DIP 4/01

Coef. de variação (%)E médio (MPa)Série


σFWD = 280 kPa

σECP= σDIP = 200 kPa

EDIP = 1,4 EFWD

cv=10%

y = 242.81x-0.68

R2 = 1.00

y = 395.49x-0.80

R2 = 0.97

y = 315.83x-0.89

R2 = 0.91

y = 258.76x-1.28

R2 = 0.95

0

40

80

120

160

200

0 1 2 3 4 5 6 7w (%)

EV

(MP

a)

ECP-CS7ECP-GS8SSG-CS7SSG-GS8

ESSG = 65% EECP

ECP e SSG sobre camadas de sub-balastro em ABGE calcário (CS7) e granito (GS8)


Caracterização da plataforma com métodos das ondas sísmicas superficiais (SASW)


0

1

2

3

4

5

0 100 200 300 400 500

E SASW (MPa)

Pro

fun

did

ade

(m)

após desguarnecer

após escavar

sobre leito

sobre sub-balastro

Plataforma em renovação

(diversas fases/cotas)

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

ESASW (MPa)

141270 VD141230 VD141200 VD141170 VD141140 VD141110 VD

wméd=1,4%

Plataforma nova(diversos locais)

t = 4

.14

ns

Reflexão múltipla da interface balastro

contaminado - solo

Antena: 900 MHz

Te

mpo

(ns

)

Esp

ess

ura

(m

) (k

=9.

6)

2

V.ts =

k

cV =

Tem

po (

ns)

Esp

essu

ra (

m)

(k=

5.9)

GEORADAR NA CARACTERIZAÇÃO DA SUBESTRUTURA


Antenas de 500 e 900 MHz

Ensaios de laboratório

Trecho experimental

Plena Via


%81 =

−∑

N

e

eeN

obs

obsradar

Te

mp

o (

ns)

balastro

sub-balastro (agregado)

Caracterização da viaPlataforma antiga

Te

mp

o (

ns)

20m

balastro contaminado com solos

balastro

Plataforma renovada

e = espessura total de balastro

Características gerais dos equipamentos utilizados:

Desvantagens:

• distintas solicitações, distintas deformações, distintas áreas de influência

• dificuldade em alterar condições de ensaio (estado dos materiais e tensões aplicadas)

• exigência de mão-de-obra muito especializada e de equipamentos e programas de cálculo automático sofisticados em particular o SASW

Em particular:

• MCSC – análise em contínuo e fácil detecção de zonas de comportamento distinto

• SASW/CSW – permite a caracterização a elevadas profundidades

• SSG e o DIP – grande portabilidade, facilidade de operação e baixo custo

• ensaios não destrutivos

• grande mobilidade

• fácil colocação em obra e fácil operação

• conhecimento das grandezas em análise em tempo real

• elevado rendimento => muitos dados => tratamento estatístico

• pouca perturbação da obra


� é desejável que o controlo de compactação das camadas de apoio das infra-estruturas de transporte, além de recorrer a especificações de produto, passe a recorrer também a especificações baseadas no desempenho;

EM CONCLUSÃO:

� o valor do módulo de deformabilidade equivalente das camadas de apoio das infra-estruturas de transporte é um dos bons indicadores de desempenho e existem actualmente métodos que permitem fazer a sua determinação de forma sistemática;

� a prática vai permitir estabelecer valores de referência a obter com os diferentes equipamentos. Obrigado !

� o valor do módulo de deformabilidade equivalente pode ser muito influenciado pelo teor em água dos materiais que constituem as camadas das subestruturas; assim, a caracterização destas camadas deve ser feita nas condições mais adversas, nomeadamente para valores do teor em água próximos do máximo que os materiais poderão exibir durante a exploração da via; no caso das vias férreas esses valores não deverão ser muito distintos do valor do teor em água óptimo utilizado na compactação das camadas;� os valores do módulo de deformabilidade equivalente obtidos em diferentes condições de ensaio e com diferentes equipamentos podem ser muito distintos;


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