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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, [email protected] 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, [email protected] 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.

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Page 1: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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,

[email protected]

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,

[email protected]

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.

Page 2: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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)

Page 3: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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.

Page 4: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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)

Page 5: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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)

Page 6: Efeito da Granulometria no Lastro Ferroviario.pdf

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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