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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 GeoGaugeH4140. 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

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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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