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Efeito da granulometria na deformação e quebra de lastro
ferroviário
Gino Omar Calderón Vizcarra
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil,
Sanjay Nimbalkar
University of Wollongong, Wollongong City, NSW 2522, Australia, [email protected]
Buddhima Indraratna
University of Wollongong, Wollongong City, NSW 2522, Australia, [email protected]
Michéle dal Toé Casagrande
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil,
RESUMO: O efeito da granulometria no comportamento mecânico do lastro tem sido estudado por
vários pesquisadores no passado. A revisão de estes estudos indicaram que uma gradação mais
uniforme que as atualmente usadas pela indústria ferroviária, diminuiria a deformação permanente e
degradação do lastro ferroviário. Neste estudo, o equipamento prismoidal triaxial cíclico projetado e
construído na Universidade de Wollongong foi utilizado. Duas granulometrias de lastro foram
testadas sob tensão vertical cíclica máxima de 450 kPa. Os resultados mostraram que a
granulometria teve grande influencia a deformação permanente e quebra de lastro ferroviário.
PALAVRAS-CHAVE: Lastro, Ferrovia, Granulometria, Quebra, Deformação permanente.
1 INTRODUÇÃO
Ferrovias deformam vertical e lateralmente sob
carregamento cíclico como resultado de trafego
e velocidades variáveis, causando desvio
significativo da sua geometria original de
projeto com o tempo. A geometria das vias
férreas requer níveis e alinhamentos específicos
para ter uma aceitável qualidade de percurso e
cumprir as normas de segurança estabelecidas
pela indústria. Para ferrovias com lastro, o nível
e alinhamento da via permanente, depende
fortemente das caraterísticas mecânicas da
subestrutura granular, em particular da camada
de lastro. A camada de lastro tem um rol
significativo na dissipação e distribuição efetiva
da carga desde a superestrutura para o subleito.
Este artigo presenta os resultados de ensaios
de carregamento cíclico em lastro ferroviário
novo. Estes ensaios foram conduzidos usando
uma câmera prismoidal triaxial de grande escala
projetada e construída na Universidade de
Wollongong. O deslocamento lateral do lastro
ferroviário no campo não está restrito, na
ausência de suficiente tensão lateral (tensão
confinante); por isso a câmera prismoidal
triaxial com lados não restritos é uma instalação
ideal para modelamento físico das deformações
do lastro sob carregamento cíclico (Indraratna e
Salim, 2003; Indraratna et al. 2006, 2007, 2012;
Indraratna e Nimbalkar, 2013). O objetivo de
este estudo foi avaliar a deformação e a
degradação do lastro sob um grande numero de
ciclos de carga e estudar a influencia das duas
diferentes granulometrias. Uma delas estava de
acordo à gradação recomendada por Indraratna
et al. 2004 como uma melhora à Norma
Australiana AS 2758.7 (1996) e a outra foi
preparada em concordância com a norma
Brasileira NBR 5564 EB-655.
2 ORGANIZAÇÃO DO EXPERIMENTO
2.1 Equipamento Triaxial Dinâmico
O equipamento prismoidal triaxial e de grande
escala usado neste estudo pode acomodar
espécimenes de 800 mm de comprimento, 600
mm de largura, e 600 mm de altura (Figura 1).
Para construir um modelo físico de ferrovia “in
situ”, a câmera triaxial foi preenchida em quatro
camadas. Este é um verdadeiro equipamento
triaxial no qual as três tensões principais (1, 2
e 3) podem ser aplicadas. Porque cada parede
vertical da câmera do ensaio pode se mover
independentemente na direção horizontal, o
espécimen de lastro é livre para deformar
lateralmente sob carga vertical cíclica e
pressões laterais externas. Embora os estados de
tensões atuais podem não ser simulados
exatamente, especialmente nas interfaces solo-
parede, esta câmera de grande escala particular
é capaz de simular razoavelmente tensões e
deformações do lastro como nas encontradas
em ferrovias atuais (Indraratna e Nimbalkar,
2013). Tensões verticais cíclicas foram medidas
usando células de pressão feitas de aço
inoxidável (12 mm de espessura, 230 mm de
diâmetro) instaladas nas interfaces dormente-
lastro e lastro-sublastro. Para medir
deformações verticais e horizontais do lastro,
placas de recalque (que consistem em placas
base de aço de 100 100 6 mm ligadas a
hastes de aço de diâmetro 10 mm) e
potenciômetros eletrônicos foram instalados em
varias interfaces tais como dormente-lastro,
lastro-sublastro, respetivamente (Figuras 1 e 2).
2.2 Descrição do Material
O lastro novo usado na presente pesquisa é
basalto latite, de partículas grossas, afiadas e
angulosas. As propriedades físicas (Indraratna
et al. 1998) foram avaliadas usando os
procedimentos de ensaio normatizados pela
AS2758.7 (Standards Australia 1996). Basalto
latite é um agregado de grão fino, muito escuro,
e denso que contem minerais essenciais como
plagioclasa (feldspato) e augite (piroxênios).
Duas amostras foram preparadas com duas
granulometrias diferentes. Uma amostra foi
preparada segundo a recomendação de
Indraratna et al. (2004) e a outra amostra foi
segundo a norma brasileira. NBR 5564 EB-655
(Tabela 1, Figura 3).
Figura 1. Ilustração esquemática da câmera triaxial cíclica (dimensões em mm)
Tabela 1. Granulometria dos materiais
Gradação A Gradação B
Diâmetro máximo 63 63
Diâmetro mínimo 13,2 19
d10 16 27
d30 27 33 d50 33 38
d60 37 41
d90 50 48
Cu 2,31 1,52
Cc 1,23 0,98
Classificação USCS GP GP
Figura 3. Granulometria e coeficiente de uniformidade do
lastro.
2.3 Procedimentos de Ensaio e Programa
2.3.1 Preparação de Amostras.
Uma camada de grava arenosa de espessura 150
mm foi usada para representar o sublastro. As
duas camadas superiores, i.e. lastro portante
(espessura 300 mm) e lastro do ombro
(espessura 150 mm), consistiram de lastro novo.
Um dormente de madeira e segmento de trilho
foram colocados acima da camada compactada
de lastro portante, e o espaço entre o dormente e
as paredes foi preenchido com lastro do ombro.
A camada de espessura 300 mm de lastro foi
compactada em quatro camadas de espessura 75
mm e o sublastro (espessura 150 mm) foi
compactado em três camadas de 50 mm de
espessura até atingir densidades de campo
representativas. A compactação foi realizada
utilizando um martelo. Os pesos unitários secos
() das camadas de lastro e sublastro foram
15.69 e 19.61 kN/m3, respetivamente. As razoes
de vazios correspondentes (e0) do lastro e
sublastro foram 0.69 e 0.35, respetivamente.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
Per
cen
tag
em q
ue
pas
sa (
%)
Tamanho de particula (mm)
Gradação A
(Cu=2,31)
Gradação B
(Cu=1,52)
Figura 2. Equipamento prismoidal triaxial cíclico.
2.3.2 Procedimento de Ensaio
Uma tensão vertical cíclica (´1cyc) foi fornecida
pelo atuador servo-hidráulico de carga dinâmica
e transmitida através de um embolo de diâmetro
100 mm ao modelo físico. No ambiente da
ferrovia, a pressão confinante é de grande
interesse (Lackenby et al. 2007). Sob condições
normais de uma ferrovia, um movimento lateral
significativo é observado na camada de lastro,
fato que é atribuído principalmente à reduzida
restrição lateral na borda do dormente
(Indraratna et al. 2010, 2011, 2014). Para
simular comportamento da ferrovia sob tais
confinamentos, pequena pressão lateral
perpendicular ao dormente (´2 = 10 kPa), e
(´3 = 7 kPa) paralela ao dormente foram
aplicadas para simular confinamento de campo.
Confinamento numa ferrovia real geralmente é
fornecido pela altura do lastro do berço e do
ombro, juntamente com um embricamento e
atrito entre as partículas angulosas e interação
entre o dormente e o lastro. Inicialmente um
estagio de deformação controlada foi realizado
(a taxa constante de 1mm/s) até que o nível
médio de tensão desviadora cíclica (´1mean,cyc)
foi atingido. Depois disso, um ensaio de tensão
controlada com uma tensão cíclica sinusoidal
cíclica de amplitude ´1cyc = ´1max,cyc -
´1min,cyc foi realizado. Leituras iniciais de
células de carga, potenciômetros, e placas de
recalque foram feitas, e então a tensão máxima
cíclica (´1max,cyc) correspondente a uma carga
de eixo de 25 tons calculada segundo método da
American Railway Engineering Association
(AREA) (Li e Selig 1998) foi aplicada. Os
ensaios foram conduzidos a uma frequência (f)
de 15 Hz, a qual simulou uma velocidade (V) de
trem de 110 km/h. Esta velocidade de trem
corresponde a uma roda de diâmetro de 0,97 m,
e uma distancia entre rodas de vagões comuns
de 2,02 m. Para esta velocidade de trem, a
tensão media de contato na interface dormente-
lastro obtida pelo método AREA foi de 447 kPa
(Esveld 2001). O numero total de ciclos de
carga aplicados em cada ensaio foi 200.000. O
ensaio foi interrompido em um numero
preestabelecido de ciclos de carga, e leituras de
recalque, deslocamento lateral das paredes e
intensidades de carga foram registradas. Dois
ensaios foram feitos para pesquisar a resposta
de carregamento cíclico no lastro ferroviário. A
deformação do modelo de ferrovia foi analisada
através destes testes, onde o efeito da
granulometria foi estudado em termos de
deformação e controle de quebra.
3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
3.1 Caraterísticas de Recalque
As deformações verticais do lastro foram
computadas excluindo a deformação da camada
de sublastro e são mostradas na Figura 4.
Figura 4. Deformação vertical do lastro novo.
O lastro de granulometria A teve menor
deformação vertical que o da granulometria B, e
as taxas de deformação viraram menores com a
acumulação de ciclos de carga em ambos os
casos.
3.2 Modulo Resiliente
A Figura 5 mostra a evolução do Modulo
Resiliente (MR) com o numero de ciclos de
carga. Ambos os lastros tem módulo resiliente
entre 243 e 246 MPa.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200
Def
orm
ação
Ver
tica
l d
o L
astr
o, S
v (
mm
)
Numero de Ciclos de Carga, N (x103)
Gradação A (15 Hz)
Gradação B (15 Hz)
Figure 5. Variação de Modulo Resiliente com o numero
de ciclos.
3.3 Quebra de Partículas
Antes e após cada teste, ensaios de analise
granulométrica foram realizados, para obter o
índice de quebra Bg definido por Marsal (1967).
O Índice de quebra Bg é a soma de valores
positivos de ΔWk, expressados como
percentagem, ΔWk sendo a diferença entre
percentagens retidas em cada peneira antes e
após o ensaio triaxial.
Figura 6 mostra a variação de ΔWk com o
tamanho de partícula para as duas amostras.
Como indicado na Figura 6, o lastro de
gradação A mostra a menor degradação.
Figura 6. Mudança no tamanho de partícula do lastro sob
carregamento cíclico.
Resultados de ensaios traxiais em lastro tem
implicado que granulometrias iniciais mudam
para menores tamanhos de partículas, com o
tamanho máximo não afetado antes e após o
carregamento, como apresentado na Figura 7.
Um limite arbitrário de quebra máxima é
controlado pela peneira de malha mais fina
(2,36 neste caso) e significa uma limite superior
pratico para quebra de lastro, compreendendo
desde d95 da máxima abertura de malha de
peneira dmax até a menor abertura de malha dmin.
Baseado em observações em laboratório, o
Indice de quebra de lastro (BBI) tem sido
introduzido e definido como segue (Indraratna
et al, 2005):
BBI = C/(C + D) (1)
Onde C é a área como definida previamente, e
D é a quebra potencial o a área entre o limite
arbitrário de máxima quebra e a curva
granulométrica final.
O Índice de quebra de lastro (BBI) para o
lastro de granulometria A foi 0,054 e para o
lastro de granulometria B foi 0,059.
Figura 7. Avaliação do Índice de Quebra de Lastro
(Indraratna et al. 2005)
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
0 50 100 150 200
Modulo
Res
ilie
nte
(M
Pa)
Numero de Ciclos de Carga, N (x103)
Gradação A (15 Hz)
Gradação B (15 Hz)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0204060
W
k =
Wk
i - W
kf (%
)
Tamanho de partícula (mm)
Gradação A (15 Hz)
Gradação B (15 Hz)
4 CONCLUSÕES
Os resultados indicam que, o lastro de
granulometria A mostrou menor deformação
permanente comparada ao lastro de
granulometria B. Os experimentos de
laboratório também verificaram que o modulo
resiliente do lastro permaneceu quase constante
para ambas as granulometrias nesta frequência
de carregamento.
Avaliação das curvas granulométricas antes
e após os ensaios indicam que as partículas de
lastro na granulometria B foram mas
susceptíveis a quebra comparadas às da
granulometria B
AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com apoio do
CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico – Brasil. Os autores
agradecem a Mr. Mahdi Biabani, Mr. Alan
Grant por sua colaboração no laboratório da
Universidade de Wollongong.
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