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MESTRADO EM VIAS DE COMUNICAÇÃO

Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Estudo Laboratorial dos Fenómenos de Danificação Durante a Instalação e

Abrasão nos Materiais

André Estácio da Silva Pinto Licenciado em Engenharia Civil pela Facudade de Engenharia da

Universidade do Porto

Dissertação submetida para obtenção do grau de mestre em Vias de Comunicação

Orientadores

Professora Doutora Maria de Lurdes da Costa Lopes Professor Doutor Arnaldo Humberto de Sousa Melo

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Porto, Março de 2005

RESUMO

A aplicação de geossintéticos em obras de Engenharia Civil é já bastante frequente e

as estruturas ferroviárias não são excepção. Também aqui os geossintéticos

apresentam inúmeras vantagens, entre as quais se destacam desde logo as técnicas,

económicas, rapidez de aplicação (especialmente importante nas obras ferroviárias

de reabilitação, em que as intervenções estão limitadas) e as ambientais.

Considera-se a aplicação de geossintéticos em estruturas ferroviárias a incorporação

destes materiais ao nível da infraestrutura. Esta aplicação apresenta,

comparativamente às mais usuais, como as aplicações rodoviárias, um grau de

severidade acrescido, pelo facto dos materiais aqui utilizados possuirem

características de maior agressividade e pelo facto de as cargas aqui aplicadas serem

de magnitude mais elevada.

Assim, como primeiro objectivo deste trabalho, define-se a abordagem às estruturas

ferroviárias ditas convencionais, apresentada no Capítulo 1 da presente dissertação,

e aos materiais geossintéticos, apresentada no Capítulo 2, como introdução ao tema

da aplicação de geossintéticos em estruturas ferroviárias.

Como segundo objectivo, dado que esta aplicação é ainda muito pouco usual em

Portugal, definiu-se a análise do desempenho de diversos geossintéticos nestas

aplicações, apresentada no Capítulo 3, obtida pela exumação dos geossintéticos de

estruturas reais e por estudos laboratoriais realizados em pequena escala e a escala

real. Aí, desde logo se constata que a durabilidade dos geossintéticos é um

importante factor a considerar nestas aplicações, nomeadamente no que diz respeito

aos fenómenos de danificação durante a instalação e abrasão.

Surge então o terceiro e último objectivo deste trabalho, apresentado no Capítulo 4,

que pretende ser uma contribuição para o estudo laboratorial dos referidos

fenómenos, tendo isso envolvido o desenvolvimento de um equipamento laboratorial

para simulação do fenómeno de abrasão, de acordo com a EN ISO 13427, do qual não

se encontram ainda resultados publicados na bibliografia.

Finalmente, no Capítulo 5, é apresentada uma sugestão para o desenvolvimento de

futuros trabalhos de investigação dos fenómenos de durabilidade nestas aplicações.

ABSTRACT

The use of geosynthetics in Civil Engineering Works is now very common and railway

tracks are no exception. Here the application of geosynthetics presents several

advantages such as technical, economical, speed of application (especially important

in rehabilitation works where interventions are limited) and environmental.

The application of geosynthetics in railway tracks is considered to be the application

of such materials at the infrastructure level. This application comparatively to

roadways applications presents a higher severity degree due to the fact of the

granular materials here used being more aggressive and to the higher loads here

applied.

The first objective of this work is defined as the approach to the railway track

structure, presented in Chapter 1, and to the geosynthetic materials, presented in

Chapter 2, as an introduction to the application of geosynthetics in railway tracks.

The second objective of this work, being this application very unusual in Portugal is

defined as the analysis of the performance of several geosynthetics in this

application, presented in Chapter 3, obtained by the exhumation of geosynthetics

installed in railway structures and from laboratory studies. Here the durability aspect

of such materials is considered to play a major role on their performance especially

regarding the damage during installation and abrasion.

The third and last objective of this work, presented in Chapter 4, is a contribution to

the laboratorial study of damage during installation and abrasion on geosynthetics

involving the development of an equipment to simulate abrasion according to the

specifications on the EN ISO 13427 in witch is not yet known any published result.

Finally in Chapter 5 is presented a suggestion for future developments in the study of

the durability aspects for this application.

RÉSUMÉ

L'application de géosynthétiques en ouvrages d' Íngénierie Civile est déjà assez

fréquente et les structures ferroviaires n'en sont pas exception. Ici encore les

géosynthétiques présentente de nombreux avantages, parmi lesquels se détachent

tout de suite les techniques économiques, la vitesse d'application particulièrement

importante dans les travaux ferroviaires de rehabilitation, où les interventions sont

limitées et ceux de l'ambient.

On considère l'application de géosynthétiques dans des structures ferroviaires

l'incorporation de ces matériaux au niveau de l'infrastructure. Cette application

present en comparaison aux plus communes, telles que les applications routières, un

degrè de sévérité accru, par le fait des matériaux ici employés posséder des

caracteristiques de plus d'agressivité et par le fait des charges ici appliqués être de

magnitude plus élevée.

Ainsi, comme premier objectif de ce travail on définit l'abordage aux structures

ferroviaires soit disantes conventionnelles, présenté dans le Chapitre 1 de la présent

dissertation et aux matériaux géosynthétiques présenté dans le Chapitre 2, comme

introduction au thème de l'application de gésynthétiques dans des structures

ferroviaires.

Comme deuxième abjectif, puisque cette application est encore tréspeu usuelle au

Portugal on a défini l'analyse de l'exécution de plusieurs géosynthétiques dans ces

applications présentée dans le Chapitre 3, obtenue par l'exhumation des

géosynthétiques de structures réelles et par des études de laboratoire realisées en

petite échelle et échelle reélle. Lá, tout de suite on constate que la durabilité des

géosynthétiques est un important facteur à considérer dans ces applications,

notament dans ce qui concerne les phénomènes de dommage pendant l'installation et

abrasion.

Voilà alors le troisième et dernier objectif de ce travail présenté dans le Chapitre 4,

ou prétend être une contribuition à l'étude de laboratoire des référés phénoménes,

ayant cela enveloppé le développement d'un équipement laboratoriel pour simulation

du phénomène d'abrasion d'accord avec l'EN ISO 13427 duquel on na pas encore de

résultats publiés dans la bibliogrphie.

Finalement, dans le Chapitre 5 est présentée une suggestion pour le développement

de futurs travaux d'investigation des phénomenès de durabilité dans ces applications.

AGRADECIMENTOS

Na finalização deste trabalho, não posso deixar de manifestar os meus profundos e

sinceros agradecimentos a todas as pessoas que de alguma forma contribuiram

directa, ou indirectamente, para que este se realizasse, e em particular:

- à minha orientadora Professora Doutora Maria de Lurdes da Costa Lopes

(Profª Agregada da FEUP) pela disponibilidade e incentivo que sempre me

manifestou tecnica e pessoalmente para elaboração deste estudo, e pela

disponibilização dos meios financeiros, como Directora do LGS, para a

realização da parte experimental deste trabalho;

- ao meu co-orientador Professor Arnaldo Humberto de Sousa Melo (Prof.

Catedrático da FEUP) pelo interesse que sempre manifestou neste tema e

pela disponibilidade que sempre mostrou no esclarecimento de qualquer

dúvida;

- à minha Família, em especial os meus Pais e Irmão, pelo carinho, paciência

e disponibilidade que sempre me souberam demonstrar, criando-me o

ambiente familiar ideal à realizaçao deste trabalho;

- à Inês pela paciência, compreensão, motivação, amor e carinho que sempre

soube manifestar, mesmo nos momentos mais difíceis, em que tivemos de nos

privar da companhia um do outro;

- a todos os meus Amigos com quem mais directamente convivi na época de

realização da parte experimental, em especial aos Engenheiros Rui Silvano,

Cristiana Ferreira, Carla Carvalho, Mafalda Lopes, Paulo Ribeiro, Joaquim

Macedo e Luciana Neves;

- a todos os meus Amigos que não convivendo directamente comigo na

realização deste trabalho sempre me estimularam e motivaram na sua

concretização, como o Luís, Bernardo, Tiago, Joana, Vasco, Pedro, Sofia,

Alexandre, e a todos os restantes que aqui omito, não por me esqueçer deles,

mas apenas porque tornariam esta lista imensa.

ÍNDICE

INDICE .................................................................................................I

INDICE DE FIGURAS.....................................................................................V

INDICE DE QUADROS .................................................................................XIII

SIMBOLOGIA ........................................................................................XVII

1. CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS

1.1 INTRODUÇÃO.................................................................................1

1.2 CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS..........................................................2

1.3 SUPERESTRUTURA ............................................................................2

1.4 INFRAESTRUTURA ............................................................................3

1.4.1 Camada de Balastro ...................................................................3

1.4.1.1 Características das partículas de balastro ...................................4

1.4.1.2 Comportamento mecânico do balastro na camada da estrutura .......11

1.4.1.3 Modelação do comportamento do balastro.................................17

1.4.2 Sub-Balastro...........................................................................22

1.4.3 Plataforma.............................................................................25

1.4.3.1 Classificação da plataforma ferroviária ....................................27

2. GEOSSINTÉTICOS

2.1 INTRODUÇÃO ........................................................... ....................29

2.2 PRODUÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS ............................................................30

2.2.1 Geotêxteis Tecidos e Não Tecidos.......................................... .34

2.2.2 Geogrelhas.......................................................................36

i

2.2.3 Barrreiras Geossintéticas............................................................37

2.3 PROPRIEDADES..............................................................................38

2.4 FUNÇÕES....................................................................................41

2.4.1 Reforço...........................................................................44

2.4.1.1 Reforço com geogrelhas ..............................................46

2.4.1.2 Factores que influenciam a interacção solo-geogrelha..........49

2.4.2 Separação........................................................................52

2.4.3 Filtragem.........................................................................54

2.4.3.1 Dimensionamento de filtros..........................................57

2.4.4 Drenagem........................................................................61

2.5 DURABILIDADE DOS GEOSSINTÉTICOS.........................................................64

3. APLICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS EM LINHAS-FÉRREAS

3.1 INTRODUÇÃO................................................................................71

3.2 DESEMPENHO DE GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS FERROVIÁRIAS..................................72

3.2.1 Desempenho de Geotêxteis em Separação e Filtragem/Drenagem.....72

3.2.1.1 Estudos laboratoriais em pequena escala..........................73

3.2.1.2 Estudos Laboratoriais em escala real...............................81

3.2.1.3 Estudos realizados “in situ”..........................................83

3.2.1.4 Conclusões..............................................................84

3.2.2 O Uso de Geomembranas na Impermeabilização da Plataforma

Ferroviária....................................................................................85

3.2.2.1 Estudos laboratoriais..................................................85

3.2.2.2 Estudos realizados “in situ”..........................................87

ii

3.2.2.3 Conclusões..............................................................88

3.2.3 Desempenho de Geogrelhas em Reforço....................................88

3.2.3.1 Estudos laboratoriais..................................................90

3.2.3.2 Estudos realizados "in situ"...........................................92

3.2.3.3 A aplicação de geogrelhas em balastro reciclado.................94

3.2.3.4 Conclusões.............................................................101

3.3 DANIFICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS..........................................................101

3.3.1 Abrasão de Geossintéticos...................................................102

3.3.2 Danificação Durante a Instalação...........................................108

3.4 CONCLUSÕES...............................................................................116

4. ESTUDO LABORATORIAL DOS FENÓMENOS DE DANIFICAÇÃO DURANTE A INSTALAÇÃO E ABRASÃO

4.1 INTRODUÇÃO...............................................................................119

4.2 APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO LABORATORIAL DESENVOLVIDO..........................120

4.3 MATERIAIS E PROCEDIMENTOS UTILIZADOS..................................................124

4.3.1 Procedimento do Ensaio de Tracção.......................................126

4.3.2 Procedimento do Ensaio de Porometria...................................128

4.3.3 Procedimento do Ensaio de Danificação Durante a Instalação.........131

4.3.4 Procedimento do Ensaio de Abrasão.......................................134

4.4 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS............................................................136

4.4.1 Ensaio dos Provetes Intactos................................................136

4.4.2 Ensaio dos provetes submetidos a DDI.....................................137

4.4.3 Ensaio dos Provetes Submetidos à Abrasão...............................140

4.4.4 Ensaio dos Provetes Submetidos à DDI e à Abrasão......................144

iii

4.5 DISCUSSÃO DE RESULTADOS................................................................147

4.6 CONCLUSÕES...............................................................................150

5. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ...................................................................153

ANEXO 1........................................................................................... 155

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................165

iv

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 - Corte esquemático de uma secção de linha-férrea...........................2

Figura 1.2 – Curvas granulométricas (Correia, 1980).........................................5

Figura 1.3 - Influência do tipo de finos no comportamento mecânico do balastro

(Adaptado de Kalcheff, 1974)..............................................................10

Figura 1.4 – Curva típica do comportamento tensão/extensão de materiais

granulares, obtida num ensaio triaxial convencional (adaptado de Nunes,

1991)...........................................................................................12

Figura 1.5 - Resposta típica do balastro num ensaio triaxial cíclico (adaptado de Selig

e Waters, 1994)..............................................................................13

Figura 1.6 - Comportamento elasto-plástico do balastro em carregamentos

cíclicos........................................................................................14

Figura 1.7 – Efeito do tipo de descarga no módulo de resiliência. (adaptado de

Stewart, 1982) ...............................................................................14

Figura 1.8 – Influência da tensão de confinamento no ângulo de atrito para diferentes

tipos de balastros (adaptado de Correia, 2003).........................................16

Figura 1.9 – Efeito da razão tensão deviatória/tensão de confinamento no valor das

extensões permanentes (adaptado de Selig e Waters, 1994).........................16

Figura 1.10 – Influência da presença de água nas deformações permanentes de

materiais granulares (adaptado de Selig e Waters, 1994).............................23

Figura 1.11 – Dimensionamento das camadas de balastro e sub-balastro com base nas

características mecânicas da plataforma (adaptado de ORE D117)..................28

v

Figura 2.1 – Principais tipos de componentes dos geossintéticos. (adaptado de

Koerner, R. 1999)............................................................................33

Figura 2.2 – Estrutura dos geotêxteis (Ingold , 1994).......................................34

Figura 2.3 – Ligação mecânica (adapatado de Koerner , 1999)...........................35

Figura 2.4 – Estrutura das geogrelhas (Ingold, 1994).......................................37

Figura 2.5 - Principais funções dos geossintéticos (Paula, 2003).........................42

Figura 2.6 – Acção de membrana (adaptado de Telford, 1996)...........................45

Figura 2.7 – Mecanismos de interacção solo-geogrelha. (adaptado de Jewel et al.,

1984) ..........................................................................................46

Figura 2.8 – Função de separação (Koerner, 1999)..........................................53

Figura 2.9 – Fenómenos susceptíveis de ocorrer na função de filtro (adaptado de

Koerner, 1999)...............................................................................56

Figura 2.10 – Permeâmetro utilizado em ensaios de filtragem sob confinamento

(adaptado de Hameiri, 2000)..............................................................60

Figura 2.11 – Influência das tensões normais aplicadas aos geossintéticos (adaptado

de Palmeira e Gardoni, 2000)..............................................................63

Figura 2.12 – Efeito da temperatura na resistência à tracção dos polímeros

constituintes (adaptado de Pilarczyk, 2000)............................................68

Figura 2.13 – Influência da quantidade de oxigénio presente na degradação dos

geossintéticos (adaptado de Salman et al., 1998)......................................68

Figura 2.14 – Degradação termo-oxidativa em geotêxteis não tecidos em polipropileno

e em poliéster (adaptado de Santos et al., 2002)......................................69

Figura 2.15 – Efeito de soluções ácidas em geotêxteis não tecidos em PP e PET

(adaptado de Santos et al., 2002)........................................................70

vi

Figura 2.16 – Efeito de soluções alcalinas em geotêxteis não tecidos em PP e PET

(adaptado de Santos et al., 2002)........................................................70

Figura 3.1 – Célula de consolidação (adaptado de Lafleur et al.,1990)

.................................................................................................74

Figura 3.2 – Decréscimo de permeabilidade versus Frequência (adaptado de Lafleur

et al.,1990). .................................................................................75

Figura 3. 3 – Permeabiblidade versus nível de contaminação (adaptado de Lafleur et

al.,1990)......................................................................................75

Figura 3.4 – Equipamento utilizado em argilas compactas (adaptado de Faure e

Imbert, 1996).................................................................................76

Figura 3.5 – Influência dos geotêxteis na subida de finos (adaptado de Faure e Imbert,

1996). .........................................................................................77

Figura 3.6 – Variação da massa de solo movimentada com o número de ciclos

(adaptado de Faure e Imbert, 1996)......................................................79

Figura 3.7 – Influência do tipo de estrutura na massa de solo que atravessa o

geotêxtil. (adaptado de Faure e Imbert, 1996).........................................79

Figura 3.8 – Quantidade de solo presa no interior da estrutura do geotêxtil (adaptado

de Faure e Imbert, 1996). .................................................................80

Figura 3.9 – Evolução da taxa de poluição com o número de ciclos (adaptado de Faure

e Imbert, 1996). .............................................................................80

Figura 3. 10 - Esquema representativo do equipamento em escala real “Vibrogir”

(adaptado de Nancey e Imbert, 2002)....................................................81

Figura 3.11– Evolução da permissividade (adaptado de Nancey e Imbert,

2002)...........................................................................................82

Figura 3.12 – Evolução da transmissividade (adaptado de Nancey e Imbert,

2002)...........................................................................................83

vii

Figura 3.13 – Geomembrana betuminosa incrustada de partículas de balastro

(adaptado de Imbert et al. 1996).........................................................86

Figura 3.14 – Equipamento para simulação de tráfego ferroviário (Tebay et al.

2002)...........................................................................................87

Figura 3.15 – Perfil de carregamento das travessas (adaptado de Tebay et al.

2002)...........................................................................................87

Figura 3.166 - Determinação laboratorial da eficiência do reforço com geogrelhas

(adaptado de Raymond, 2002).............................................................90

Figura 3.17 – Variação das tensões induzidas em profundidade (adaptado de Jain e

Kesheav,1999)................................................................................91

Figura 3.17 – Secção adoptada para reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola

(adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).............................................93

Figura 3.18 – Célula triaxial de grandes dimensões (Indraratna et al. 2002)...........95

Figura 3.19 - Assentamento da travessa versus número de ciclos de carga (Indraratna

et al., 2002)..................................................................................96

Figura 3.20 - Variação da extensão principal máxima ε1 com o número de ciclos

(Indraratna et al., 2002)....................................................................98

Figura 3.21 - Variação da extensão principal intermédia ε2 com o número de ciclos

(Indraratna et al., 2002)....................................................................99

Figura 3.22 - Variação da menor extensão principal mínima ε3 com o número de ciclos

(Indraratna et al., 2002)..................................................................100

Figura 3.23 – Ensaio para simulação da abrasão em geotêxteis (ASTM D 1175).......103

Figura 3.24 - Evolução da resistência à abrasão segundo ASTM D 3884 (adaptado de

Nancey e Imbert, 2002)...................................................................104

Figura 3.25 – Ensaio de Deval segundo BS 812 (adaptado de Hausmann et al.

1990).........................................................................................106

viii

Figura 3.26 – Resultados de geotêxteis ensaiados à tracção pelo método da tira

(adaptado de Hausmann et al. 1990)...................................................106

Figura 3.27 – Perdas de resistência à tracção de geotêxteis não tecidos avaliadas pelo

método da tira após exumação (adaptado de Hausmann et al. 1990)............107

Figura 3.28 – Danificação do geotêxtil versus profundidade de colocação (adaptado

de Koerner R. 1999).......................................................................108

Figura 3.29 – Equipamento para simulação da abrasão sofrida pelos geotêxteis em

aplicações ferroviárias (EN ISO 13427 - 1998).........................................108

Figura 3.30 – Número de perfurações versus resistência retida (adaptado de Koerner e

Koerner, 1990)..............................................................................109

Figura 3.31 – Curvas granulométricas dos solos utilizados nos ensaios de danificação

de campo e de laboratório (adaptado de Paula, 2003)...............................114

Figura 3.32 – Resistência retida (em %) dos geossintéticos danificados no campo e em

laboratório (adaptado de Paula, 2003).................................................115

Figura 4.1– Representação esquemática do equipamento de simulação da abrasão (EN

ISO 13427, 1998)............................................................................120

Figura 4.2 – Equipamento laboratorial desenvolvido para simulação da abrasão de

acordo com a EN ISO 13427 (1998)......................................................121

Figura 4.3 – Régua de deslizamento sem atrito da placa inferior.......................121

Figura 4.4 – Garras de fixação da película abrasiva/provete de geossintético à

placa..........................................................................................122

Figura 4.5 – Esticador utilizado para eliminação de folgas entre o geossintético e a

placa..........................................................................................122

Figura 4.6 – Pesos aplicados à placa superior para garantir a pressão de 6 kPa sobre o

geossintético................................................................................123

Figura 4.7 – Equipamento para simulação da abrasão....................................123

ix

Figura 4.8 – Leitura do número de ciclos do ensaio de abrasão........................124

Figura 4.9 – Dimensões dos provetes a utilizar no ensaio de tracção de acordo com a

EN ISO 10319................................................................................127

Figura 4.10 – Garras utilizadas no ensaio de tracção/elongação........................127

Figura 4. 11 – Suporte do peneiro utilizado no ensaio de porometria..................128

Figura 4.12 – Preparação do provete para o ensaio de porometria.....................129

Figura 4.13 - Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria......129

Figura 4.14 – Ensaio de porometria: peneiração por via húmida (prEN ISO 12956)...130

Figura 4.15 – Medidor de caudal aplicado na rede de abastecimento de água........130

Figura 4.16 - Representação esquemática da caixa de danificação (Paula, 2003)...132

Figura 4.17 – Enchimento e compactação do solo na caixa inferior do ensaio de

danificação..................................................................................133

Figura 4.18 – Simulação da danificação no provete de geotêxtil........................133

Figura 4.19 – Fixação da película de abrasivo à placa inferior deslizante do

equipamento de abrasão..................................................................134

Figura 4.20 – Colocação do provete de geotêxtil à placa superior do equipamento de

simulação da abrasão......................................................................135

Figura 4.21 – Resultados do ensaio de porometria para provetes intactos............137

Figura 4.22 – Inspecção visual dos provetes após D.D.I...................................138

Figura 4.23 – Consequência da danificação nos provetes ensaiados à

tracção.......................................................................................139

Figura 4.24 - Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos a

danificação..................................................................................139

Figura 4.25 – Acumulação de partículas finas na estrutura do geotêxtil...............140

x

Figura 4.26 – Aspecto visual da abrasão no geotêxtil GT2................................141

Figura 4.27 – Simulação da abrasão no provete de geotêxtil GT1.......................141

Figura 4.28 – Ensaio de tracção do geotêxtil GT1 após abrasão.........................143

Figura 4.29 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à

abrasão.......................................................................................143

Figura 4.30 – Geotêxtil GT2 submetido aos ensaios de D.D.I. e abrasão...............144

Figura 4.31 – Geotêxtil GT1 submetido aos ensaios de danificação e abrasão........145

Figura 4.32 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à D.D.I. e

abrasão.......................................................................................147

Figura 4.33 – Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil

GT2...........................................................................................148

Figura 4.34 - Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil

GT1...........................................................................................148

Figura 4.35 – Variação da dimensão característica dos poros dos geotêxteis

ensaiados....................................................................................149

xi

INDICE DE QUADROS

Quadro 1.1 – Categoria para a granulometria (EN 13450)...................................6

Quadro 1. 2 – Requisitos para o material de balastro usado em via-férrea (adaptado

da EN 13450)...................................................................................7

Quadro 1.3 – Fontes de contaminação do balastro (adapatado de Selig e Waters,

1994)............................................................................................9

Quadro 1.4 – Índices de contaminação do balastro (adaptado de Selig e

Waters,1994)...................................................................................9

Quadro 1.5 - Categoria “Partículas finas” (EN 13450)......................................11

Quadro 1.6 - Categoria “Finos” (EN 13450)..................................................11

Quadro 1.7 - Classificação geotécnica dos solos (adapatado da ficha 719R da

U.I.C.).........................................................................................27

Quadro 2.1- Classificação dos geossintéticos de acordo com a sua estrutura (adaptado

de Ladeira, 1995)............................................................................30

Quadro 2.2 - Polímeros mais utilizados no fabrico de geossintéticos....................31

Quadro 2. 3 - Propriedades do polímero de base (adaptado de Ladeira, 1995)........32

Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (adaptado de

Pinto et al.,2002)............................................................................39

Quadro 2.5– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos

(continuação).................................................................................40

Quadro 2.6 - Propriedades a exigir aos geossintéticos quando usados em linhas-

férreas (adaptado de EN13250)............................................................41

xiii

Quadro 2.7 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções

com relevância para a resistência (adaptado de Koerner,1999).....................43

Quadro 2.8 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções

de permeabilidade (adaptado de Koerner,1999) .......................................44

Quadro 2.9 - Vantagens e desvantagens da utilização de filtros

granulares/geossintéticos (adaptado de Lopes, 2003).................................55

Quadro 2.10 – Valores de RR para geotêxteis (adaptado de Lopes,

2003)...........................................................................................58

Quadro 2.11 – Classificação das propriedades hidráulicas para estabilização de solos

de fundação (adaptado de Lawson, 1995)...............................................64

Quadro 2.12– Sobreposições aconselhadas de acordo com a resistência do solo de

fundação (adaptado de G.M.A.)...........................................................66

Quadro 3.1- Propriedades dos geotêxteis utilizados (adaptado de Faure e Imbert,

1996)...........................................................................................78

Quadro 3.2– Influência da aplicação de reforços na redução das cargas dinâmicas

medido 0,9m abaixo das travessas (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003) ..91

Quadro 3.3 – Principais propriedades da geogrelha aplicada..............................93

Quadro 3.4 - Propriedades dos geossintéticos utilizados por Indraratna et al.

(2002)..........................................................................................96

Quadro 3.5– Descrição dos processos de abrasão (adaptado de Raymond et al.,

1982).........................................................................................103

Quadro 3.6 – Forma e tipo de material granular a aplicar (adaptado de Braϋ,

1998).........................................................................................110

Quadro 3.7 – Condições de aplicação (adaptado de Braϋ, 1998)........................111

Quadro 3.8 – Classes de robustez do geotêxtil (adaptado de Braϋ, 1998).............111

xiv

Quadro 3.9 – Propriedades mínimas a exigir aos geotêxteis (adaptado de Braϋ,

1998).........................................................................................111

Quadro 3.10 – Coeficientes de redução a adoptar para ter em conta a DDI (adaptado

de AASHTO, 1997)..........................................................................113

Quadro 4.1 – Propriedade dos geotêxteis não-tecidos utilizados no estudo...........125

Quadro 4.2 – Programa de ensaios realizados na parte experimental..................126

Quadro 4.3 – Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes intactos...136

Quadro 4.4- Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos a

D.D.I..........................................................................................138

Quadro 4.5 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à

abrasão.......................................................................................142

Quadro 4.6 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à

abrasão e danificação durante a instalação............................................146

xv

SIMBOLOGIA

Cu - Coeficiente de uniformidade

Cc - Coeficiente de curvatura

Di - Dimensão da abertura do peneiro correspondente a i % de passados

FI - Índice de Contaminação

Pi - % de passados no peneiro nº i da série ASTM

σ1 - Tensão principal máxima

σ2 - Tensão principal intermédia

σ3 - Tensão principal mínima

ε - Extensão

Er - Módulo resiliente

N - Número de ciclos de carga aplicados

φ' - Ângulo de atrito do solo

ε1r - Extensão axial reversível

xvii

ε3r - Extensão radial reversível

σ1d - Amplitude da tensão axial

σ3d - Amplitude da tensão lateral

p - Tensão normal média

q - Tensão deviatória

εv - Extensão volumétrica

εq - Extensão distorcional

K - Módulo de compressão volumétrica

G - Módulo de distorção

ε1 - Extensão principal máxima

ε2 - Extensão principal intermédia

ε3 - Extensão principal mínima

γ - Coeficiente de anisotropia

A1 - Parâmetro do tipo razão da extensão

B - Parâmetro

xviii

ε*1p - Extensão axial permanente, retirando o valor correspondente aos 100

primeiros ciclos de carga

Ev2 - Módulo de deformabilidade obtido no ensaio de carga em placa

Tlab, corrigido - Valor da propriedade medido em laboratório após correcção

Tdimensionamento - Valor da propriedade obtido em dimensionamento

T - Resistência ao corte na interface solo-reforço

W - largura do reforço na direcção perpendicular à solicitação do reforço

L - comprimento do reforço

σ'n - tensão normal efectiva ao nível da interface solo-reforço

f - coeficiente de interface solo-reforço

fcd - coeficiente de interface em corte directo

Tl - Atrito lateral solo-geogrelha

Ts/s - Atrito solo-solo

as - fracção sólida da área superficial da geogrelha

δ - ângulo de atrito da interface solo-geogrelha

S - distância entre as barras transversais da geogrelha

xix

ab - fracção da largura W da geogrelha disponível para a mobilização da

resistência passiva

'pσ

- tensão passiva mobilizada em termos de tensões efectivas

d - menor dimensão da abertura da geogrelha

F1 - Factor de escala

F2 - Factor de forma das barras transversais

fa - Coeficiente da interface em arranque

ID - Índice de compacidade relativa

DI - Interferência entre barras da grelha

ψ - Transmissividade

k - Coeficiente de permeabilidade

t - Espessura do geotêxtil

Oi - Dimensão aparente dos poros do geotêxtil correspondente a i % de passados

i - Gradiente hidráulico

q - Caudal

∆h - Carga hidráulica

xx

∆a - Comprimento da zona filtrante

θ - Permissividade

RR - Razão de retenção

GR - Razão de gradiente

ks - Coeficiente de permeabilidade medido no solo

ksg - Coeficiente de permeabilidade medido na fronteira solo/geotêxtil

is - Gradiente hidráulico medido no solo

isg - Gradiente hidráulico medido na fronteira solo/geotêxtil

n - Porosidade do geotêxtil

xxi

CAPÍTULO 1

CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS

1.1 INTRODUÇÃO

As linhas-férreas, desde o seu aparecimento no séc.XVI, com o transporte de minérios

em Inglaterra, foram eleitas como o meio de transporte preferencial de bens,

mercadorias e pessoas. Deve-se isto ao elevado volume transportado, rapidez,

fiabilidade e economia que este tipo de transporte oferecia, face aos seus

concorrentes directos. No entanto, desde à alguns anos que o seu domínio se tem

tornado mais restrito e ameaçado pelo transporte rodoviário, e mesmo aéreo, fruto

da sua não modernização para a competitividade. Assim, o transporte ferroviário,

após um longo período de aparente esquecimento, vê-se motivado a desenvolver e

modernizar as vias, no sentido de com um aumento das velocidades de circulação,

das cargas por eixo transportadas e de uma maior cobertura espacial do território,

não perder a posição preferencial que até então ocupara.

O tipo de estrutura tradicionalmente utilizada, ainda nos dias de hoje, é a via

balastrada. Esta, é constituída por um sistema de camadas múltiplas, cada uma das

quais com funções específicas no funcionamento de toda a estrutura. Assim, ao longo

deste capítulo far-se-á uma apresentação das funções desempenhadas por cada um

dessas camadas, das características dos materiais aí utilizados e do comportamento

mecânico de toda a estrutura. São ainda feitas referências aos principais tipos de

patologias verificadas nestas estruturas, que causam a aceleração da degradação das

suas características resistentes e hidráulicas.

Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas

1.2 CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS

As linhas-férreas ditas convencionais, ou balastradas, apresentam uma estrutura

normalmente subdividida em duas grandes componentes. Essas são a superestrutura e

a infraestrutura. Da superestrutura fazem parte os elementos carril, sistema de

fixação e as travessas. Estes elementos são de grande relevância para todo o sistema

na medida em que contactam directamente com o material circulante e transmitem

à infraestrututra as solicitações provenientes deste.

Na infra-estrutura, incluem-se as camadas de balastro, sub-balastro e a plataforma

ou solo de fundação onde a estrutura é apoiada. É na infraestrutura que se

processam a maioria das patologias que causam a rápida deterioração das

propriedades da linha, nomeadamente no que diz respeito ao nivelamento

longitudinal e transversal e às características geométricas do traçado em planta.

Estas patologias são de carácter essencialmente geotécnico e, como tal, merecem

um maior desenvolvimento no sentido de que melhor se compreendam os fenómenos

que aí se processam.

Seguidamente, apresenta-se na Figura 1.1 um corte esquemático de uma secção de

linha-férrea. O princípio básico de funcionamento desta estrutura é o do aumento

gradual das áreas de contacto entre cada componente para que assim se processe

uma degradação progressiva dos esforços solicitantes até tensões na plataforma,

compatíveis com a capacidade de carga do solo de fundação.

CarrilSistema de aperto Travessa

BalastroSub-Balastro

Solo Compactado

Solo de Fundação

Figura 1.1 - Corte esquemático de uma secção de linha-férrea.

1.3 SUPERESTRUTURA

Não sendo âmbito deste trabalho a descrição detalhada desta parte da estrutura

apenas se faz uma breve referência no sentido de compreender as funções

desempenhadas por cada componente.

2


Relativamente aos carris, a sua função é de guiar lateralmente o material circulante

(comboios), providenciando uma superfície de rolamento lisa capaz de distribuir as

forças de aceleração e travagem, transmitindo simultaneamente as cargas

verticalmente para as travessas. A sua geometria é completamente definida pela

U.I.C. (Union Internationale des Chemins de Fer) surgindo um perfil designado UIC,

sucedido de uma numeração que identifica o seu peso por unidade de comprimento.

A escolha do seu peso por unidade de comprimento é feita de acordo com a

tonelagem média diária que a linha-férrea serve e dos intervalos de manutenção de

que é alvo.

O sistema de aperto fixa o carril à travessa, sendo interposto entre estes dois uma

palmilha de material elastómero, com a função de absorver parte das vibrações

produzidas durante a circulação dos comboios.

As travessas transmitem as cargas provenientes do carril para a camada de balastro,

tão uniformemente quanto possível, constituindo ao mesmo tempo uma base de

suporte e de fixação do carril. Devem ainda isolar electricamente os dois carris. As

travessas podem normalmente ser constituídas por madeira ou betão, sendo a opção

por um destes materiais feita de acordo com o tipo de solicitações, de factores

económicos, ambientais e técnicos. Dados os avanços realizados nas tecnologias de

betão armado e pré-esforçado, as travessas de betão aparecem com alguma

vantagem decorrente essencialmente da rapidez de fabrico, resistência ao corte e

maior resistência ao ataque biológico.

1.4 INFRAESTRUTURA

1.4.1 Camada de Balastro

A camada de balastro é constituída por material granular, com uma espessura

variável geralmente entre os 25 e os 30cm, sendo o desempenho das suas funções de

especial importância para o correcto funcionamento de toda a estrutura. As

principais funções que geralmente lhe estão atribuídas são:

suportar os componentes que constituem a superestrutura, mantendo-os nas

suas respectivas posições, ao mesmo tempo que garante a degradação das

cargas que lhe são transmitidas pelas travessas;

drenagem das águas chegadas à plataforma para valas ou drenos laterais, e

garantir a protecção contra os efeitos do gelo;

3


garantir resiliência e absorção de energia, para que se dê o eficaz

amortecimento das vibrações produzidas pela passagem dos comboios;

permitir, através de operações de manutenção, a correcção, tanto

longitudinal como transversal, da geometria da via;

garantir a estabilidade longitudinal e transversal da via.

Para o adequado desempenho de todas estas funções, assume especial relevância a

granulometria dos agregados utilizados, já que devem ser compatibilizadas funções

resistentes com funções drenantes. Estas duas funções são, no que respeita aos seus

requisitos, contraditórias, já que se por um lado a granulometria deve ser contínua

para garantir maior resistência às solicitações do tráfego deve, por outro lado,

apresentar alguma descontinuidade para garantir melhores condições de escoamento

das águas chegadas à plataforma.

Além da granulometria, outras características devem ser consideradas nas partículas

de balastro. Quando se fala de características é essencial que sejam feitas análises

quer ao nível das partículas, quer ao nível de todo o material na camada da

estrutura. Os ensaios de simples caracterização das partículas servem propósitos de

classificações empíricas, sendo úteis para a caracterização do material ao nível da

extracção e da central de produção. Contudo são manifestamente insuficientes para

caracterizar o comportamento do material integral (Correia, 2003).

Assim, veja-se numa primeira abordagem a caracterização das partículas e

seguidamente o comportamento de toda a camada de balastro.

1.4.1.1 Características das partículas de balastro

A granulometria das partículas obtém-se por peneiração e representa-se,

geralmente, sob a forma de uma curva granulométrica, que relaciona, num sistema

de coordenadas rectangulares, a percentagem do material passado em cada peneiro

com o logaritmo da dimensão da abertura do peneiro.

Na Figura 1.2 pode ver-se a classificação dos materiais em função das curvas

granulométricas que apresentam. Assim, na curva 1 é representado um material com

granulometria extensa (com elementos de vários tamanhos e que geralmente

propiciam maior imbricamento entre partículas), na curva 2 uma material com

granulometria uniforme - típica de um material de balastro - (constituída

4


maioritariamente por partículas mais ou menos com o mesmo tamanho) e na curva 3

um material mal graduado (com falta de partículas de determinado tamanho).

Figura 1.2 – Curvas granulométricas (Correia, 1980).

Existem dois parâmetros, que podem ser obtidos a partir da curva granulométrica, e

que ajudam a caracterizar as suas diferenças. Estes são:

o coeficiente de uniformidade, Cu, expresso pela relação

10

60

DD

Cu = (1.1)

e o coeficiente de curvatura, Cc, expresso pela relação

6010

230

DDD

Cc = (1.2)

em que D10, D30 e D60 são os diâmetros correspondentes, respectivamente a 10, 30 e

60% de passados. Valores de Cu a partir de 4 ou 5 denotam solos bem graduados,

sendo o solo uniforme para Cu igual à unidade. Para valores de Cc entre 1 e 3 o solo

será bem graduado.

5


No que respeita à curva granulométrica de um balastro, tendo em conta as

propriedades drenantes da camada, a bibliografia da especialidade parece ser

consensual em que se deva usar uma granulometria grosseira uniforme, para que esta

camada adquira propriedades auto-drenantes, ou seja, que a água que chega à

plataforma seja escoada lateralmente através da camada de balastro sem que

ocorram infiltrações para as camadas inferiores. Como se pode ver no Quadro 1.1,

são apresentadas as categorias, definidas na EN 13450 – “Agregados para balastro da

via-férrea”, relativas às curvas granulométricas que um balastro para via-férrea deve

possuir, onde se constata a efectiva exigência de uma granulometria descontínua

para o material de balastro.

Quadro 1.1 – Categoria para a granulometria (EN 13450).

Balastro de via férrea de dimensão

31,5 mm a 50 mm

Balastro de via férrea de dimensão

31,5 mm a 63 mm Percentagem que passa, em massa

Categoria “Granulometria”

Abertura do peneiro (mm)

A B C D E F 80 100 100 100 100 100 100 63 100 97 a 100 95 a 100 97 a 99 95 a 99 93 a 99 50 70 a 99 70 a 99 70 a 99 65 a 99 55 a 99 45 a 70 40 30 a 65 30 a 70 25 a 75 30 a 65 25 a 55 15 a 40

31,5 1 a 25 1 a 25 1 a 25 1 a 25 1 a 25 0 a 7 22,4 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 7

31,5 a 50 ≥50 ≥50 ≥50 - - - 31,5 a 63 - - - ≥50 ≥50 ≥85

Um estudo Europeu realizado pela ORE (Office for Research and Experiments) sobre

as características de deformação do balastro, com carregamentos em amostras

confinadas por anéis metálicos, indicou que o módulo de elasticidade da amostra é

maior para partículas equidimensionais do que para partículas achatadas. Verifica-se

ainda que as partículas de forma achatada ou alongada dificultam as operações de

compactação, pelo que as partículas devem ser predominantemente do tipo

equidimensional.

Vallerga et al. (1975) realizou ensaios triaxiais sobre amostras de material granular

anguloso e rolado, chegando à conclusão de que o material angular oferece maior

resistência ao corte que o rolado.

Thom e Brown (1988 e 1989) mostram nos seus estudos, sobre as características

superficiais do agregado, que o aumento do atrito superficial das faces das partículas

causa um aumento do módulo de resiliência do agregado. Mostram ainda que o

aumento da rugosidade superficial das partículas provoca uma maior resistência às

6


deformações plásticas sob a acção de cargas repetidas. Por último, verifica-se que o

aumento da angularidade das partículas e da sua rugosidade superficial aumenta a

resistência ao corte da amostra. Esta angularidade é ainda favorável à dissipação de

energia por atrito interno entre grãos, garantindo assim o eficaz amortecimento das

vibrações produzidas pelo tráfego ferroviário. Este amortecimento de vibrações será

tanto maior quanto mais espessa for a camada constituída por este material.

Até ao ano de 2003 as especificações para a aceitação de um balastro para via-férrea

eram definidas a nível nacional pelas companhias de caminhos-de-ferro, em Portugal

pela CP através da instrução técnica IT/DIF/01/75, AREA (1988). Em Dezembro de

2002, surge a norma europeia EN13450 – “Agregados para balastro da via-férrea”,

que prevê a sua adopção por todos os países da União Europeia como norma nacional

até Junho de 2003, revogando qualquer norma nacional existente, o mais tardar até

Junho de 2004. A referida norma especifica as propriedades dos agregados obtidos

por processos naturais ou artificiais ou materiais britados reciclados para a utilização

na construção de linhas-férreas. As propriedades aí referidas abrangem requisitos

geométricos, físicos e de limpeza, cada um destes com os seus critérios, de acordo

com o indicado no Quadro 1.2.

Cada uma destas propriedades permite enquadrar o material numa categoria, de

acordo com a norma, que deverá ser especificada pelo produtor quando este fornece

o material.

Quadro 1. 2 – Requisitos para o material de balastro usado em via-férrea (adaptado da EN 13450).

Requisito Critério

Geométrico

Análise granulométrica Dimensão do balastro da via férrea Partículas finas Finos Forma das partículas (índice de achatamento) Comprimento das partículas

Resistência à fragmentação (ensaio de Los Angeles) Resistência ao desgaste (ensaio de Micro-Deval)

Resistência ao gelo/degelo Densidade das partículas Absorção de água

Físico Durabilidade

“Sonnenbrand” Limpeza Componentes prejudiciais

As propriedades mecânicas do balastro resultam de uma combinação das

propriedades físicas das partículas e do seu desempenho dentro da camada. Um dos

parâmetros que controla o funcionamento da camada é o estado de colocação,

7


nomeadamente a sua compacidade “in situ” inicial, sendo esta controlada por acções

de compactação.

Quando em serviço, as características do material vão-se alterando, adquirindo

progressivamente maior compacidade, mudando inclusivé as propriedades do próprio

material de balastro. Esta mudança das propriedades são o resultado de :

degradação mecânica, em consequência de trabalhos de construção e

manutenção, bem como das acções cíclicas do tráfego circulante;

degradação química e mecânica como resultado de factores ambientais;

migração de partículas finas a partir da superfície e de camadas inferiores.

Esta alteração das propriedades do balastro dá origem a um fenómeno vulgarmente

designado por contaminação, o qual merece maior desenvolvimento para melhor

compreensão das suas fontes e consequências no comportamento da camada.

Contaminação do balastro

Designa-se por contaminação do balastro a presença neste de partículas com

dimensão inferior a 6mm de diâmetro. Aquando da colocação inicial do balastro na

estrutura, é normal que uma reduzida percentagem (1 a 2%) destas pequenas

partículas esteja já presente no material. No entanto, com a progressiva utilização

da via pela passagem de tráfego, essa percentagem tende a aumentar, em maior ou

menor grau, consoante as condições verificadas no local. A progressão da

contaminação do balastro pode ter várias fontes que actuam isolada ou

conjuntamente. Das cinco fontes de contaminação apresentadas no Quadro 1.3,

aquela que acontece, com maior ou menor intensidade, mesmo nos casos em que

todas as restantes estruturas que compõem a via funcionem de acordo com o

previsto, é a degradação do balastro. A degradação do balastro nem sempre é mais

intensa por baixo das travessas, isto por causa da acção mecânica dos agentes

atmosféricos (gelo/degelo e as altas temperaturas), das acções de manutenção –

tamping - e também porque as partículas finas “contaminantes” migram devido às

acções vibratórias causadas pelo tráfego e circulação de água.

8


Quadro 1.3 – Fontes de contaminação do balastro (adaptado de Selig e Waters, 1994).

Fonte Origem a) Operações de extracção, transporte, manuseamento e deposição b)Aumento de tensão quando exposto a altas temperaturas (deserto) c)Tensões internas devido ao congelamento de água nos seus poros d)Agentes químicos (incluindo chuvas ácidas) e)Acções de manutenção (“tamping”) f)Acções induzidas pelo tráfego: cargas repetidas, vibrações, acção hidráulica da lama produzida

Degradação do balastro

g) Máquinas de compactação a)Aquando do fornecimento b)Partículas caídas dos comboios c)Trazidas pelo vento e água

Infiltração a partir da superfície do balastro

d)Salpicos de locais molhados adjacentes Travessas Desgaste das travessas

a)A partir de balastro antigo, quando em obras de reabilitação Camadas granulares inferiores b)A partir do sub-balastro, quando este não apresenta a

granulometria adequada à função que desempenha Fundação Infiltração a partir da fundação

Note-se que a contaminação pode por em causa as capacidades de drenagem do

balastro (Quadro 1.4), na medida em que os vazios nele existentes são preenchidos

pelos finos contaminantes, reduzindo assim a sua condutividade hidráulica, bem

como as suas características de resistência. Isto porque os finos, na presença de

água, dão origem a uma lama erosiva que causa a degradação prematura (por

aumento do atrito entre os grãos) das partículas do balastro.

Quadro 1.4 – Índices de contaminação do balastro (adaptado de Selig e Waters,1994).

Classe de contaminação do balastro Índice de contaminação (FI) Condutividade hidráulica do

balastro K(mm/s) Limpo <1 25-50 Moderadamente limpo 1-9 2,5-25 Moderadamente contaminado 10-19 1,5-2,5 Contaminado 20-39 0,005-1,5 Altamente contaminado >39 <0,005

Para além da formação da referida lama erosiva, é importante conhecer a origem dos

finos, isto porque, num estudo realizado por Kalcheff (1974) sobre a influência do

tipo de finos no comportamento mecânico de agregados granulares, mostra-se que a

presença de finos do tipo plástico lubrifica as partículas de maiores dimensões,

traduzindo-se isto em reduções da resistência ao corte (de pico) e aumento da

deformação na rotura para os agregados granulares, conforme se pode observar na

Figura1.3.

9


ε1

Plástico

Não Plástico

σ1−σ3

Figura 1.3 - Influência do tipo de finos no comportamento mecânico do balastro (adaptado de Kalcheff,

1974).

Selig e Waters (1994) aconselham a quantificação da contaminação do balastro a

partir da sua curva granulométrica, pelo peso em finos. As curvas granulométricas

estudadas foram resultantes de amostras de balastro recolhidas em vários locais nos

E.U.A.. Com base nesta informação, foram identificados desde balastro limpo a

altamente contaminado, tendo-lhes sido atribuído o índice de contaminação FI

(Fouling Index) a partir do seguinte critério:

FI=P4+P200 (1.3)

em que: P4 é a percentagem de passados no peneiro nº4 (4,75mm) da série ASTM e

P200 é a percentagem de passados no peneiro nº200 (0,075mm), também da mesma

série. As classes de contaminação referidas estão indicadas no Quadro 1.4, onde se

pode também verificar a relção do referido índice de contaminação com a

condutividade hidráulica do balastro.

No que diz respeito à fonte de contaminação proveniente de camadas granulares

inferiores ao balastro, que dada a sua localização se tenderá a chamar de camada de

sub-balastro, há a distinguir dois casos, o caso de obras de reabilitação e o de obras

novas.

No primeiro caso, o de obras de reabilitação, é prática corrente aproveitar o balastro

antigo para fundação da nova via, isto porque esse material pelo facto de ter sido

sujeito às acções do tráfego (cargas repetidas com vibrações) apresenta uma elevada

compacidade, logo uma maior resistência e menor deformabilidade, funcionando

pela posição que ocupa, como camada de sub-balastro para o novo balastro a

utilizar. Todos estes factores contribuem para um melhor desempenho da via, no

10


entanto, se não for acautelada uma medida de prevenção quanto à contaminação da

nova camada de balastro por camadas inferiores, como a utilização de geossintéticos

ou solos especificamente graduados para o efeito, pode gerar-se um efeito acelerado

da degradação mecânica do novo balastro.

No segundo caso, em obras novas, é comum utilizar-se uma camada de sub-balastro

que funcione como filtro, com uma granulometria definida em função do solo de

fundação e do balastro. Esta função pode também ser desempenhada por

geossintéticos, por estabilização do solo de fundação ou pela criação de uma camada

impermeável, por exemplo com betão betuminoso.

A quantidade de partículas finas e finos (contaminação) ao nível das operações de

extracção, transporte, manuseamento e deposição, é classificada em categorias na

norma EN 13450 (Quadros 1.5 e 1.6) e que devem ser especificadas pelo produtor no

fornecimento do balastro.

Quadro 1.5 - Categoria “Partículas finas” (EN 13450).

Percentagem máxima que passa, em massa Categoria “Partículas finas” Abertura do

peneiro (mm) A B Declarada C

0,5 0,6 1,0 >1,0 Sem requisitos

Quadro 1.6 - Categoria “Finos” (EN 13450).

Percentagem máxima que passa, em massa Categoria “Conteúdo em finos” Abertura do

peneiro (mm) A B C Declarada D

0,063 0,5 1,0 1,5 >1,5 Sem requisitos

1.4.1.2 Comportamento mecânico do balastro na camada da estrutura

O comportamento mecânico dos materiais granulares e dos solos, quando submetidos

a carregamentos cíclicos, é complexo e depende, entre outros factores, do estado de

tensão e deformação, coeficiente de Poisson, história de tensões, frequência e

amplitude de carregamento, número de ciclos de carregamento, compacidade e tipo

de agregado, anisotropia, sucção e teor em água (Neves, 2001).

O comportamento mecânico dos agregados não ligados das vias férreas deve ser

analisado sob três aspectos: resistência mecânica, rigidez e resistência às

deformações permanentes. Destes aspectos, a resistência mecânica é aparentemente

a menos considerada, visto que numa estrutura ferroviária o material raramente

11


rompe sob uma carga monotónica (um único carregamento), mas antes sob a acção

repetida de várias cargas rolantes.

Os aspectos mais estudados têm sido, de facto, a rigidez (comportamento reversível)

e o comportamento do material às deformações permanentes sob a acção das cargas

rolantes, de carácter cíclico, por serem aqueles que são considerados nos métodos de

análise estrutural da via-férrea.

Sob a acção de cargas repetidas, o material granular tem um comportamento não

linear, e muito diferente do mesmo material sob a acção de cargas monotónicas

(Figura 1.4).

Extensão

Tensão

Figura 1.4 – Curva típica do comportamento tensão/extensão de materiais granulares, obtida num ensaio

triaxial convencional (adaptado de Nunes, 1991).

Boyce (1980) considerou que a deformação dum material granular faz intervir o

atrito, o deslizamento e a deformação das partículas nos pontos de contacto, o que

explica o comportamento não linear. No primeiro ciclo de carga desenvolvem-se

rapidamente no balastro deformações que apenas são recuperadas parcialmente após

descarga. Cada ciclo adicional de carga contribui para outro incremento das

deformações plásticas ou permanentes, como se pode observar na Figura 1.5.

12


Extensão vertical

Densificação

Dim

inui

ção

de v

olum

e 0

0

σ1-σ

3

σ1-σ3

σ3

σ3

Figura 1.5 - Resposta típica do balastro num ensaio triaxial cíclico (adaptado de Selig e Waters, 1994).

A magnitude destes incrementos das deformações plásticas geralmente diminui com

o aumento do número de ciclos, chegando-se a um ponto, com algumas centenas de

ciclos, em que as deformações se tornam quase totalmente recuperadas e tomam a

designação de reversíveis.

Comportamento elástico ou resiliente

Define-se resiliência como a propriedade física de um material, de conseguir

regressar ao seu estado inicial, após deformação, não excedendo o seu limite de

elasticidade.

A diferença entre a extensão sob carga de pico e a extensão permanente, após cada

ciclo de carga, é chamada a extensão resiliente, recuperável ou reversível. Assim

define-se módulo de resiliência como a razão entre a tensão deviatória (σ1-σ3) e a

extensão de resiliência (Figura 1.6).

13


σ1-σ3

0ε

Estensão permanente

Extensão resiliente

Er

Figura 1.6 - Comportamento elasto-plástico do balastro em carregamentos cíclicos.

Após carregamentos repetidos, sob a acção de uma mesma carga, longe da rotura, as

extensões resilientes permanecem aproximadamente constantes, e o material

comporta-se elasticamente. Nota-se no entanto que, conforme o ciclo de

carregamento muda (descarga parcial, total, ou reversível), também o módulo de

resiliência muda. Na Figura 1.7 pode ver-se que quando o ciclo de carregamento vai

de descarga parcial a reversível, passando por total, o módulo de resiliência diminui,

mantendo-se durante isto, o valor da tensão de corte constante (Stewart, 1982).

Extensão axial ε1

ReversívelDescarga total

Descarga parcial

Módulo Resiliente Er

deviatória (σ1-σ3)

0

Tensão

Figura 1.7 – Efeito do tipo de descarga no módulo de resiliência (adaptado de Stewart, 1982).

14


Para o mesmo nível de tensão, o módulo reversível cresce com o aumento do índice

de vazios relativo, com o aumento da angularidade das partículas e da rugosidade das

suas faces e com a diminuição do grau de saturação. Por outro lado, o coeficiente

Poisson é pouco influenciado pelo índice de vazios relativo e geralmente diminui com

o aumento do grau de saturação (Hicks, 1970)

Os balastros de granulometria uniforme com partículas de menores dimensões

apresentam, geralmente, valores do módulo reversível mais baixos. Os balastros com

partículas de maiores dimensões, de granulometria uniforme e contínua têm,

aproximadamente, o mesmo módulo reversível (Raymond e Roney, 1978)

Comportamento plástico

Os trabalhos relativamente às deformações permanentes não são tão abundantes

quanto os relativos ao comportamento reversível. Entre os factores que contribuem

para que assim seja, podem salientar-se os seguintes:

- para o estudo das deformações permanentes é necessário ensaiar um novo provete

para cada trajectória de tensões aplicada, enquanto que o estudo do

comportamento reversível pode ser feito sobre o mesmo provete, aplicando-se

diversas trajectórias de tensão;

- a morosidade dos ensaios para estudo das deformações permanentes por

implicarem a aplicação de um elevado número de ciclos de carregamento;

- o facto de a maior parte dos métodos de análise estrutural utilizarem apenas as

propriedades elásticas dos materiais (Nunes, 1991).

O comportamento do material é não elástico, uma vez que as curvas de carga não

coincidem com as de descarga, dando-se a este fenómeno o nome de histerese do

material.

Note-se que a consideração de modelos elastoplásticos para os materiais de balastro

deverá considerar a forte dependência da resistência destes materiais com o estado

de tensão, como se ilustra na Figura 1.8 (Correia, 2003).

15


800

Diferentes tipos de balastros

0

40

0

50

60

400200

Tensão de confinamento (σ'3) em kPa

600

70

( ')

1000

Figura 1.8 – Influência da tensão de confinamento no ângulo de atrito para diferentes tipos de balastros

(adaptado de Correia, 2003).

O valor cumulativo das deformações verticais permanentes é também ele muito

dependente do estado de tensão e do valor da tensão deviatória. Assim, como é

visível na Figura 1.9 (Seed et al., 1967; 1971 e 1972), o valor destas deformações

aumenta com o aumento do número de ciclos de carga aplicado, sendo este agravado

quando a razão (σ1-σ3)/ σ3 aumenta.

1 10 100 1 000 10 000

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Aumento da razão de tensão

Número de ciclos de carga, N

Exte

nsão

(%

)

Figura 1.9 – Efeito da razão tensão deviatória/tensão de confinamento no valor das extensões

permanentes (adaptado de Selig e Waters, 1994).

16


Relativamente à forma das partículas, materiais com partículas angulares e faces

rugosas resistem melhor às deformações permanentes que os de partículas

arredondadas.

Os balastros de granulometria contínua apresentam melhor comportamento em

termos de deformações permanentes do que os de granulometria uniforme. Este

efeito é mais pronunciado nos agregados de maior dureza quando sujeitos a níveis de

tensão elevados, para os quais se verifica a rotura dos materiais de granulometria

uniforme. Nos de granulometria uniforme, são os constituídos por partículas de

menores dimensões, aqueles que se deformam menos, para níveis de tensão

afastados da rotura (Raymond e Roney, 1978).

1.4.1.3 Modelação do comportamento do balastro

Os ensaios de caracterização do material integral compreendem os ensaios de

identificação (granulometria e compactação) e os ensaios relacionados com o seu

comportamento na camada, quer em termos mecânicos, quer em termos hidráulicos.

Dentro destes ensaios, interessam sobretudo os ensaios que permitem obter relações

tensoriais e não escalares como é o caso dos ensaios de simples caracterização.

Anote-se desde já as dificuldades na obtenção dessas relações tensoriais, em virtude

de estas dependerem de vários factores como sejam a compacidade relativa, o teor

em água e os estados de tensão e deformação.

Ensaios triaxiais cíclicos

Grande parte da informação disponível sobre o comportamento mecânico do material

granular, no qual se inclui o balastro, resulta de ensaios laboratoriais, consequência

dos elevados custos associados aos ensaios de campo, bem como da dificuldade de

controlar, em campo, todas as variáveis existentes. Os resultados destes ensaios

laboratoriais possibilitam o estabelecimento de modelos de comportamento do

material, podendo estes ser posteriormente utilizados na modelação de estruturas e

no seu respectivo dimensionamento.

Os aspectos do comportamento mecânico do material granular têm sido

estabelecidos através de ensaios triaxiais de precisão de cargas cíclicas, os quais

permitem obter parâmetros para a modelação do comportamento não linear do

material e para o dimensionamento da estrutura. Estes ensaios triaxiais apresentam,

contudo, algumas modificações em relação ao ensaio triaxial clássico utilizado para

17


obtenção dos parâmetros de resistência ao corte. Estas modificações envolvem a

utilização de medições internas na câmara triaxial, como sejam a força axial e a

pressão lateral ou de confinamento. Além disso, requer sistemas de precisão para

medição das deformações montados directamente na amostra a ensaiar, para leitura

das suas extensões, quer axiais quer radiais, da ordem de 10-6.

O sistema de carregamento deve preferencialmente poder variar, em fase, a tensão

deviatória e a tensão de confinamento, permitindo assim a realização de ensaios a

tensão lateral variável (TLV), mais representativos que os ensaios a tensão lateral

constante (TLC), em que apenas a tensão lateral é variável.

- Comportamento reversível

A modelação do comportamento reversível pode ser feita, na hipótese de

comportamento elástico e linear, recorrendo à lei de Hooke generalizada(1.4):

drddr

ddddrE

333111

131

2)()2)((

σεσσεσσσσ

−++−

= (1.4)

onde:

Er [MPa] Módulo reversível dependente do estado de tensão ε1r [-] Extensão axial reversível ε 3r [-] Extensão radial reversível σ1d [KPa] Amplitude da tensão axial σ3d [KPa] Amplitude da tensão lateral

No caso de se considerar um comportamento plástico não linear, mais realista para

os materiais granulares, poder-se-á utilizar o modelo proposto por Boyce(1980),

considerando o material isotrópico . Este modelo utiliza as seguintes variáveis:

tensão normal média

32 31 σσ +

=p

tensão deviatória

(1.5)

31 σσ −=q (1.6)

18


extensão volumétrica

31 2εεε +=v

(1.7)

extensão distorcional

)(32

31 εεε −=q

(1.8)

O modelo de Boyce pode ser expresso em termos do módulo de compressão

volumétrica (K), e do módulo de distorção (G), do seguinte modo:

v

pK

ε= (1.9)

q

qG

ε3= (1.10)

Os valores de K e G, expressos em termos secantes, dependem do estado de tensão

através das seguintes relações:

2

1

6

)1(1 ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=

−

p

q

G

n

k

p

p

K

aa

n

a (1.11)

n

aa p

pGG

−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

1

(1.12)

Tais expressões traduzem as relações tensões-extensões seguintes:

19


⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−+= −

2

1 6)1(

11

pq

GKn

pp

K a

an

a

n

avε (1.13)

pq

pp

G na

n

aq 13

1−=ε (1.14)

Este modelo foi posteriormente modificado para poder contemplar o comportamento

anisotrópico exibido por alguns materiais (Hornich et al.,1980). Tal modificação

consistiu na introdução de um coeficiente de anisotropia γ, afectando assim as

variáveis:

32 31* σγσ +

=p (1.15)

)( 31* σγσ −=q (1.16)

31* 2εγε

ε +=v (1.17)

)(32

31* εγε

ε −=q (1.18)

As expressões dos módulos secantes virão então:

2

*

*

1*

*

6)1(1 ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛−+

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

=

−

pq

Gn

k

pp

K

aa

n

a (1.19)

20


n

aa p

pGG−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1** (1.20)

Tais equações traduzem as relações tensões-extensões seguintes:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−+= −

2

*

*

1

**

6)1(

11

pq

GKn

pp

K a

an

a

n

avε (1.21)

*

*

1

**

31

pq

pp

G na

n

aq −=ε (1.22)

A consideração da anisotropia do material na modelação, mostrou melhorias

significativas em relação aos resultados do ensaio triaxial com tensão lateral variável

(Correia, 2000).

A validação do modelo anisotrópico foi feita com sucesso na aplicação na modelação

de duas estruturas de pavimento flexível instrumentadas para o efeito (Neves, 2002).

- Comportamento plástico

Para a modelação das deformações permanentes poder-se-á utilizar o modelo

proposto por Paute et al. (1994):

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−=−B

p

NAN

1001)( 1

*1ε (1.23)

onde:

A1 Parâmetro do tipo razão de extensão B Parâmetro ε1p

* Extensão axial permanente, retirando o valor correspondente aos 100 primeiros ciclos

N número de ciclos

21


1.4.2 Sub-Balastro

O sub-balastro é a camada que sucede ao balastro, no sentido descendente, e que

contacta directamente com a plataforma/solo de fundação. Esta camada cumpre

funções que se incluem nas da camada de balastro e que são: degradação de cargas

para níveis de tensão compatíveis com a capacidade de carga da fundação, e

fornecer protecção contra os efeitos do gelo/degelo na plataforma. As vantagens da

utilização desta camada para o cumprimento destas funções são de natureza

económica, porque sendo este material mais barato reduz-se a espessura necessária

de balastro. Adicionalmente a estas funções, a presença desta camada torna-se

imperativa no cumprimento de outras funções específicas, não compatíveis com o

material da camada de balastro, e que são:

prevenir a interpenetração do balastro no plataforma (função de separação) e

evitar, na presença de água, o fenómeno de bombeamento de lama, sob a

acção das cargas do tráfego;

prevenir a subida de finos a partir da plataforma (função de filtro);

criação de uma fronteira de menor permeabilidade, com inclinação

transversal, capaz de garantir o escoamento lateral das águas da plataforma.

Como se referiu, esta camada desempenha funções de filtro e de separação ao

mesmo tempo que serve de camada estrutural, contando a sua espessura,

normalmente de 10 cm, para a degradação das cargas do tráfego ferroviário.

Para que esta possa ser considerada uma camada estrutural, deve apresentar as

características de resistência necessárias, nomeadamente um módulo de resiliência

bastante elevado e resistência às deformações permanentes. Estas propriedades

devem ser análogas às estudadas para a camada de balastro.

O tipo de material correntemente utilizado para a camada de sub-balastro é do tipo

AGE (Agregado de Granulometria Extensa) ou, como também é comum designá-lo,

“Tout Venant”. A sua granulometria deve ser contínua, e com as dimensões

adequadas ao desempenho das funções de filtro e separação, normalmente 5/40 mm,

compatibilizando os requisitos das duas camadas com que contacta, o balastro e a

plataforma. No desempenho destas funções, a camada de sub-balastro deve, por um

lado apresentar a permeabilidade suficiente para que não fique saturada e não se

desenvolvam excessos de pressão intersticial por acção das cargas cíclicas; esta

22


saturação com desenvolvimento de aumento de pressão intersticial pode ter

consequências gravosas na rápida acumulação das deformações verticais

permanentes, como se pode ver na Figura 1.10, pelos resultados de um estudo

laboratorial sobre materiais granulares que variam desde material de alta qualidade

(G1): rocha britada bem compactada sem finos plásticos; a (G4): cascalho com areia

e finos, submetidos à acção de cargas cíclicas; por outro lado, deve apresentar uma

permeabilidade inferior à da camada de balastro, no sentido de garantir o

escoamento das águas da plataforma para drenos laterais, sem que se dêm

infiltrações para o solo de fundação.

Adição de água

G3

Def

orm

açõe

s pe

rman

ente

s (m

m)

0Número de ciclos de carga

10

20

Adição de água

Remoção de água

G4

G1

G2

Figura 1.10 – Influência da presença de água nas deformações permanentes de materiais granulares

(adaptado de Selig e Waters, 1994).

Adicionalmente, deve isolar a camada de balastro do solo de fundação, garantindo

que não existe interpenetração entre as duas camadas, evitando assim fenómenos de

contaminação e o rápido desenvolvimento de deformações permanentes.

Função de separação

A camada de sub-balastro deve garantir que não exista interpenetração do balastro

na plataforma, ao mesmo tempo que deve prevenir a subida de finos a partir da

fundação. Esta subida de finos pode ocorrer independentemente da humidade da

plataforma, a partir de três fontes:

1. da drenagem do nível freático, transportando partículas de solo,

23


2. da bombagem hidráulica da lama resultante do atrito entre o balastro a

plataforma,

3. da bombagem de lama a partir da abertura e fecho de fendas e fissuras na

fundação.

Os critérios utilizados para a função de separação são os seguintes:

D15(filtro) ≤ 5 D85(solo a proteger) (1.24)

D50(filtro) ≤ 25 D50(solo a proteger) (1.25)

em que Dn é a dimensão da abertura do peneiro com n % de passados, em peso.

Estes critérios foram obtidos a partir da experiência, pelos United States Corps of

Engineers. O normal dimensionamento de filtros, apenas contempla critérios

associados ao fluxo de água, ao passo que a situação real é de cargas cíclicas, daí o

peso da experiência e do empirismo, dado a estes critérios.

Função de drenagem

Dado que o balastro tem uma granulometria grosseira e descontínua, e é por isso

auto drenante, a grande maioria da água que chega à plataforma vinda da

superestrutura é imediatamente drenada lateralmente. A restante chega até ao sub-

balastro, que sendo uma camada de menor permeabilidade a deve conduzir ao

escoamento lateral. Para que assim funcione, o sub-balastro deve possuir uma

permeabilidade, no mínimo, com uma ordem de grandeza inferior à do balastro, e

uma superfície regular com pendente no sentido da drenagem lateral para fora da

plataforma.

Os requisitos de permeabilidade serão provavelmente conseguidos com as duas

equações referentes à função de separação. No entanto, um critério adicional surge

na sequência destes dois:

D15(filtro)> 4 ou 5 D15 (solo a drenar) (1.26)

Note-se que na ausência desta camada, é expectável que o esforço de manutenção

seja bastante elevado, a não ser que as funções específicas que lhe estavam

24


atribuídas sejam cumpridas por outro material. Alternativamente à camada de sub-

balastro podem utilizar-se soluções como:

estabilização do solo local de fundação com cal, cimento ou betume asfáltico;

camada de betão betuminoso;

geossintéticos.

1.4.3 Plataforma

A plataforma é a última componente da infra-estrutura, onde assentam todos os

outros componentes. A sua base deve ser convenientemente preparada e

regularizada para que apresente as características necessárias ao armamento da via.

A solução utilizada na plataforma será, caso estejamos perante um aterro, a

utilização de materiais do corpo do aterro, naturalmente com um grau de

compactação superior, constituindo então o que é designado por camada de forma.

Caso estejamos em escavação, a solução será adoptada consoante o tipo de terreno

encontrado no local:

- se o terreno natural apresentar as características de resistência exigidas, bastará

uma regularização desse mesmo terreno;

- se o terreno for um solo de má qualidade (com falta de capacidade de carga), este

deve ser estabilizado mecânica (compactação) ou quimicamente (ligantes

hidráulicos); em casos extremos, de elevados custos, pode também ser ponderada a

solução de substituição de uma camada superficial solo por outro de melhores

características.

A plataforma da via é onde surgem muitas vezes os problemas que se traduzem ao

nível da via, como desalinhamentos e assentamentos diferenciais. Isto surge como

consequência deste tipo de infraestrutura ter um desenvolimento linear (à

semelhança da rodovia) e como tal abranger diversas zonas com distintas

características geotécnicas.

A abordagem a esta componente é necessariamente diferente quando se tratam

obras novas ou já existentes. No caso de obras novas, o dimensionamento é função

da tonelagem média diária, carga por eixo, tipo e afastamento das travessas e

espessura das camadas de balastro e de sub-balastro. É então exigida uma análise,

25


para dimensionamento, em termos dos seguintes parâmetros: tipo de solo, condições

hidrogeológicas e resistência mecânica. Quando a via já existe e lhe é imposta uma

condição de tráfego diferente (maiores cargas por eixo, maior tonelagem diária,

maiores velocidades de circulação) daquela para a qual foi dimensionada, ou seja,

uma reabilitação, toda a anterior análise feita para novas vias não é realizada, isto

porque a parte inferior do sub-balastro e a parte superior da plataforma se

encontram já com um grau de compactação bastante elevado, devendo somente ser

remexidos em caso de detecção de problemas concretos no terreno.

As funções que a plataforma deve desempenhar para garantir condições de

segurança, comodidade e economia, e baixos custos de manutenção são as seguintes:

- fornecer uma superfície regular, com inclinação transversal, no sentido do

escoamento das águas para o exterior da plataforma;

- oferecer as características de resistência necessárias para suster as cargas que lhe

são impostas;

- sob a acção destas cargas (cíclicas), oferecer resistência às deformações

permanentes.

Quando na presença de um terreno natural deve ser feita uma classificação

geotécnica do solo aí presente, bem como a identificação das suas condições

hidrogeológicas.

Classificação geotécnica dos solos

As classificações geotécnicas usadas, utilizam parâmetros das curvas

granulométricas, limites de Attenberg (limite de liquidez, limite de plasticidade e

limite de contracção), parâmetros de natureza física como os coeficientes de Los

Angeles e de Deval, e ainda parâmetros de resistência mecânica como o CBR

(California Bearing Ratio) e Ev2 (módulo de deformabilidade obtido no segundo

patamar de carga do ensaio de carga em placa).

Condições hidrogeológicas

Deve ser identificada a posição do nível freático garantindo, para que se verifiquem

boas condições de drenagem, cerca de 1m de afastamento, relativamente à base do

balastro, caso contrário, devem ser previstos dispositivos de drenagem lateral que

garantam o efectivo rebaixamento do nível freático.

26


Adicionalmente, a plataforma e a parte superior do sub-balastro devem garantir uma

pendente transversal de cerca de 3 a 5 %, para o exterior, assegurando a drenagem

das águas para valas de drenagem longitudinal.

1.4.3.1 Classificação da plataforma ferroviária

A classificação da plataforma ferroviária, de acordo com o U.I.C., é feita segundo o

seu comportamento mecânico e pode ser caracterizado macroscopicamente por:

baixos assentamentos e elevada resistência às cargas dos comboios (QS3);

em geral, comportamento aceitável em termos de assentamentos e no

suporte de cargas (QS2);

grandes assentamentos e fraco comportamento no suporte de cargas (QS1);

assentamentos excessivos e mau comportamento no suporte das cargas (QS0).

Os critérios de classificação nas referidas categorias são as condições geotécnicas e

hidrogeológicas. A referida classificação é apresentada de seguida no Quadro 1.7

Quadro 1.7 - Classificação geotécnica dos solos (adaptado da ficha 719R da U.I.C.)

Classsificação Geotécnica dos Solos Condições Hidrológicas

Qualidade da fundação para Via Férrea

Rocha de média variabilidade

Deval(seco)>9 Los Angeles<30 Solo com partículas finas*<5%

- QS3

Rocha de alta variabilidade

6<Deval(seco)<9 30<Los Angeles<33

Boas QS3

Areia com grãos finos uniformes<5%

Solos com grãos finos 5-15% Más QS2

Xistos com IP>7

Areia argilosa com IP>7 Boas QS2

Solos com grãos finos 15-40%

Rocha fracturada com Deval<6 e Los Angeles>33 Más QS1

Argila ligeiramente plastificada

Solos com grãos finos*>40% - QS1

Solos orgânicos - QS0

27


Características mecânicas da plataforma

Diversas companhias de caminhos-de-ferro têm desenvolvido ábacos e catálogos de

dimensionamento das espessuras da balastro e sub-balastro, que procuram ter em

conta, não só o efeito da degradação das tensões, mas também as características da

fundação. O departamento de investigação da International Union of Railways (antigo

ORE) determinou, com base em resultados experimentais, os limites de variação dos

parâmetros mecânicos Ev2 e CBR (Figura 1.11) para a classificação dos solos

estabelecida pela UIC, sugerindo a espessura conjunta do sistema balastro e sub-

balastro de acordo com esses valores.

0

100

50D117

SNCFSBB

CBRDB

2 4 106 8 15 20 3040

10 20 30 40 50 100

QS0 QS1 QS2 QS3

Ev2(N/mm2)

CBR(%)

e(cm) balastro+sub-balastro

UIC

Figura 1.11 – Dimensionamento das camadas de balastro e sub-balastro com base nas características

mecânicas da plataforma (adaptado de ORE D117).

São também visíveis, na Figura 1.11, as classificações que outras companhias de

caminhos-de-ferro utilizam.

28

CAPÍTULO 2

GEOSSINTÉTICOS

2.1 INTRODUÇÃO

Os geossintéticos contam já com uma forte presença nas obras de engenharia civil

pelas vantagens técnicas, económicas e pela rapidez de aplicação que apresentam no

desempenho das suas funções relativamente aos materiais ditos tradicionais, ou seja,

os solos. São predominantemente usados em obras de carácter geotécnico e podem

desempenhar, isolada ou simultaneamente, várias funções: separação, filtragem,

controlo da erosão, protecção, reforço e barreira de fluidos.

Neste capítulo serão abordados os processos de fabrico, a estrutura, as funções e por

último a durabilidade dos geossintéticos. Não pretendendo ser exaustivo nesta

abordagem, será dado maior destaque às funções e à durabilidade, no sentido em que,

no enquadramento do presente trabalho se discutem aspectos relacionados com a

eficiência das mesmas. De igual modo, os geossintéticos aqui falados correspondem

àqueles a cuja experiência, no campo das obras ferroviárias, têm ditado serem os mais

adequados, resultando daí a sua maior utilização e com resultados comprovados. Esses

geossintéticos correspondem aos geotêxteis tecidos e não tecidos, às barreiras

geossintéticas e às geogrelhas.

Capítulo 2 Geossintéticos

2.2 PRODUÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS

O termo geossintético é definido, segundo a IGS (Sociedade Internacional de

Geossintéticos, 1998) como um material polimérico (sintético ou natural), usado em

contacto com solo, rocha ou outro material geotécnico em Obras de Engenharia Civil.

A sua diferenciação é tradicionalmente feita com base nas suas características, ao

nível dos constituintes e da estrutura, sendo a sua classificação baseada nesta última.

Uma das classificações adoptada é a que a seguir se apresenta no Quadro 2.1.

Quadro 2.1- Classificação dos geossintéticos de acordo com a sua estrutura (adaptado de Ladeira, 1995).

Geossintéticos

Geotêxteis Barreiras Geossintéticas Produtos

Relacionados Geocompósitos

- Tecidos

- Não tecidos

- Tricotados

- Geomembranas

- Geocompósitos Bentoníticos

- Unidimensionais

- Bidimensionais

- Tridimensionais

- Geotêxtil + Bentonite

- Geotêxtil + Geomembranas

- Outros

A maioria dos geossintéticos é constituída por materiais designados plásticos, mais

concretamente termoplásticos, que endurecem e amolecem por acção do frio e do

calor, respectivamente. Estes materiais plásticos são formados por compostos

poliméricos, estando sempre presentes outras substâncias, designadas por aditivos,

com a finalidade de melhorarem as propriedades finais dos geossintéticos,

nomeadamente a sua estabilização térmica, as propriedades anti-estáticas, a

resistência à oxidação e às radiações ultravioletas (UV), e ainda para facilitar as

operações de transformação.

No processo de fabrico de geossintéticos, três aspectos são importantes: o tipo de

polímero e o tipo de componente utilizados, e a estrutura formada. Cada um destes

aspectos condiciona o comportamento dos geossintéticos, como produto final, pelo

que merece, cada um deles, uma análise isolada.

30


Polímeros

Os polímeros constituem a matéria-prima a partir da qual o geossintético é fabricado.

A sua produção é geralmente realizada em separado da produção do geossintético

propriamente dito, devido à sua especificidade, de carácter essencialmente químico.

Aos polímeros podem ser adicionados aditivos, que têm como função estabilizar as

propriedades dos geossintéticos e que podem ser adicionados em fase de fabrico dos

polímeros, ou mesmo, em fase de fabrico dos geossintéticos. Normalmente, são

adicionados aquando do fabrico dos geossintéticos, consoante as propriedades que

lhes são exigidas, ou consoante a finalidade que o produtor lhe pretender dar.

Os polímeros mais utilizados estão listados no Quadro 2.2 em função do tipo de

geossintéticos a produzir. A utilização de cada um destes polímeros apresenta

vantagens e desvantagens face aos restantes, nomeadamente em termos de

propriedades mecânicas e durabilidade do produto final.

A opção por um dos polímeros deve ser feita de acordo com as condições específicas

de uso, nomeadamente o tipo de solicitação a que estão sujeitos, o tipo de matéria ou

material com que estão em contacto directo, e o seu grau de exposição a agentes

atmosféricos. No Quadro 2.3 podem ser analisadas, comparativamente, as

propriedades dos 4 tipos de polímeros com maior utilização na indústria dos

geossintéticos. Aí pode ver-se que o polímero com características mais homogéneas,

tanto a nível mecânico como de durabilidade são as poliamidas, não querendo,

contudo, dizer que para determinadas exigências seja o mais adequado.

Quadro 2.2 - Polímeros mais utilizados no fabrico de geossintéticos.

Polímero Tipo de geossintético

Polietileno – PE Geotêxteis, geomembranas, geogrelhas, geotubos,

georedes, geocompósitos

Polipropileno – PP Geotêxteis, geomembranas, geogrelhas,

geocompósitos

Polivinílico de cloro – PVC Geomembranas,geocompósitos, geotubos

Poliester – PET Geotêxteis, geogrelhas

Poliamida – PA Geotêxteis, geocompósitos, geogrelhas

Poliestireno – PS Geocompósitos

31


Quadro 2. 3 - Propriedades do polímero de base (adaptado de Ladeira, 1995).

Polímeros

Propriedades Poliésteres Poliamidas Polietilenos Polipropilenos

Resistência à tracção 3 2 1 1

Rigidez 3 2 1 1

Deformação na rotura 2 2 3 3

Fluência 1 2 3 3

Densidade relativa 3 2 1 1

Custo 3 2 1 1

Resistência às:

Estabilizado 3 2 3 3

Radiações UV Não

estabilizado 3 2 2 1

Bases 1 3 3 3

Fungos, vermes e insectos 2 2 2 3

Óleo 2 2 1 1

Detergentes 3 3 3 3

3-Elevado 2- Médio 1- Baixo

Após a escolha e produção do(s) polímero(s) mais adequado(s) a utilizar, estes vão ser

convertidos em componentes, para posterior constituição da estrutura do

geossintético.

Componentes

Formulada a mistura adequada de polímeros sob condições de temperatura e pressão

controladas, estes são transformados em componentes. Basicamente existem dois

métodos de produção de componentes, ambos por extrusão, a partir da referida

mistura:

- a produção de um filme contínuo, ou folha, que pode ser posteriormente dividido em

tiras por corte; a mistura em fusão é forçada a atravessar uma fenda, variável em

espessura.

- a produção de filamentos contínuos, obtidos a partir da passagem da mistura numa

placa perfurada; a mistura em fusão é forçada a atravessar uma placa pefurada.

Imediatamente após a produção dos componentes estes são endurecidos e

solidificados, normalmente por reaquecimento e estiramento. O processo de

32


estiramento reduz a secção dos componentes e causa uma reorientação das

moléculas. O resultado é um aumento da sua resistência à tracção e do seu módulo de

deformabilidade, acarretando no entanto, uma diminuição da elongação na rotura e

em fluência.

Estes componentes podem ser usados separada ou conjuntamente, dando origem, por

exemplo, a fios pelo entrelaçar de filamentos ou a tiras multifilamentos pelo

entrelaçar de tiras. Apresenta-se na Figura 2.1 os principais tipos de componentes de

geossintéticos, e que são: monofilamentos, multifilamentos, fibras (obtidas do corte

dos filamentos), fios, monofilamento reforçado e multifilamento reforçado.

Monofilamento

Multifilamento

Fibras

Fios

Monofilamento reforçado

Multifilamento reforçado

Figura 2.1 – Principais tipos de componentes dos geossintéticos. (adaptado de Koerner, R. 1999).

Após a produção dos componentes, estes são convertidos em geossintéticos. A sua

estrutura define o tipo de geossintético produzido tendo a sua classificação já sido

apresentada no Quadro 2.1.

Existe uma grande variedade de geossintéticos com tecnologias de fabrico específicas.

Não sendo essência deste trabalho essa descrição, apenas vai ser abordado o processo

de fabrico e o tipo de estrutura dos geossintéticos mais frequentemente aplicados em

obras ferroviárias, sendo esses os geotêxteis tecidos e não tecidos, as barreiras

geossintéticas e as geogrelhas.

33


2.2.1 Geotêxteis Tecidos e Não Tecidos

Os tipos de polímeros que normalmente são utilizados na contituição destes

geossintéticos, nas respectivas proporções, são os seguintes: Polipropileno(≈85%),

Poliéster(≈12%), Polietileno(≈2%), Poliamida(≈1 a 2%).

Os geotêxteis tecidos são formados na sua estrutura por uma distribuição regular de

filamentos, geralmente contínuos, entrelaçados paralela e perpendicularmente, como

se mostra na Figura 2.2 a). Normalmente esse tipo de geotêxtil não sofre qualquer

processo de ligação adicional, sendo esta garantida pelo entrelaçado de filamentos.

a) Geotêxtil tecido b) Geotêxtil não tecido

Figura 2.2 – Estrutura dos geotêxteis (Ingold , 1994).

Nos geotêxteis não tecidos, a estrutura é formada por uma distribuição de filamentos

com carácter aleatório, como se pode ver na Figura 2.2b. Esses filamentos podem ser

do tipo contínuo, ou do tipo fibra (obtida por corte do filamento) com 50 a 100mm de

comprimento. A estrutura sofre um processo de ligação por um, ou mais, de três

existentes: o mecânico, térmico ou o químico.

A ligação térmica é realizada por aquecimento dos componentes, o que permite a sua

ligação nos pontos de contacto entre fibras. O geotêxtil resultante é pouco espesso e

apresenta-se rígido e áspero ao toque. O seu peso por unidade de área é

relativamente baixo, e atendendo a isso, apresenta uma elevada resistência à tracção

e baixa elongação na rotura. Estes geotêxteis não tecidos são vulgarmente designados

por termossoldados.

A ligação química é geralmente conseguida pela adição de resina acrílica, por

impregnação ou pulverização. Tendencialmente, serão produzidos geotêxteis quase

34


impermeáveis, devido à resina, pelo que, após a adição da resina se força a passagem

de ar para restabelecimento da estrutura dos poros. Os geotêxteis produzidos são mais

espessos do que os anteriores, apresentando o mesmo tipo de características

relativamente ao seu comportamento mecânico. Estes geotêxteis não tecidos são

designados por ligados quimicamente.

Por fim, a ligação mecânica, provavelmente o mais comum dos processos de ligação,

obtido pela passagem de milhares de agulhas rugosas (Figura 2.3b), em movimento

vertical, através de um emaranhado de filamentos, que provoca a sua ligação

mecânica, conforme se encontra esquematizado na Figura 2.3a. Este processo pode

ser repetido numa fase subsequente de agulhagem, conferindo aos geotêxteis

melhores características mecânicas e hidráulicas. De todos os geotêxteis não tecidos

aqui descritos estes são os que apresentam maior espessura, maior peso por unidade

de área, maior elongação na rotura e maior resistência à tracção. São vulgarmente

designados por agulhados.

Manta de Filamentos

Agulhagem

Agulhas

Rolo de Geossintético

Lâminas

a) Fase de agulhagem b) Tipo de agulha utilizada na

ligação mecânica

Figura 2.3 – Ligação mecânica (adapatado de Koerner , 1999).

Conforme se viu, os dois tipos de geotêxteis apresentam grandes diferenças ao nível

da estrutura, o que naturalmente se traduz no seu desempenho em funções que venha

a desempenhar. As grandes diferenças no desempenho traduzem-se, em termos

mecânicos, pelo facto de os valores de resistência à tracção variarem

significativamente consoante a direcção de fabrico no caso do geotêxteis tecidos e o

facto de os valores da elongação na rotura serem bastante mais elevados para os

geotêxteis não tecidos; em termos hidráulicos, verifica-se uma distribuição regular e

homogénea dos poros do geotêxtil tecido, em contraste com a distribuição aleatória

dos poros do geotêxtil não tecido.

35


2.2.2 Geogrelhas

A matéria-prima, os polímeros, normalmente utilizada na produção das geogrelhas é o

polipropileno, o PEAD (Polietileno de Alta Densidade) e o PVC (Cloreto de Polivinílico).

A sua estrutura pode ser conseguida a partir de folhas ou barras de polímeros. Quando

são utilizadas folhas de polímeros, estas são perfuradas e esticadas numa direcção

(uniaxiais) ou em duas direcções (biaxiais). As barras de polímero são obtidas por

corte da folha de polímero, e posterior estiramento, sendo essas orientadas paralela e

perpendicularmente, com união nos pontos de contacto. A grande diferença em

termos estruturais destes dois processos é que no primeiro, os pontos de intersecção

entre barras é integral, ao passo que no segundo, nos pontos de intersecção é

realizada uma ligação entre as barras, geralmente por ligação térmica, ou por

tecelagem.

As geogrelhas, aplicadas isoladamente, são aptas para o desempenho de uma função:

a de reforço. Devido ao facto de para o reforço ser exigida uma elevada resistência à

tracção com baixa elongação, ou seja, um elevado módulo de deformabilidade,

compreende-se que independentemente do processo de fabrico, este tenha de ter

uma fase de estiramento. Esta fase de estiramento provoca uma orientação das

moléculas que constituem o polímero, dando origem a uma melhoria das suas

propriedades mecânicas.

Tal como já foi referido, podem obter-se geogrelhas orientadas uniaxialmente (Figura

2.4a ou biaxialmente (Figura 2.4b), sendo a opção por uma destas baseada nas

condições específicas de uso, ou seja, se a geogrelha exerce a função de reforço numa

direcção (por ex. no reforço de taludes, ou muros de suporte) ou em duas direcções

(por ex. reforço da base de aterros ou das camadas de sub-base de vias de

comunicação).

36


a) Geogrelha uniaxial em PEAD b) Geogrelha biaxial em PP

Figura 2.4 – Estrutura das geogrelhas (Ingold, 1994).

O facto de as geogrelhas serem especialmente indicadas para a função de reforço

deve-se à sua eficácia na mobilização de atrito. Estas conseguem mobilizar, para além

do atrito lateral nas faces das barras longitudinais, atrito nas barras transversais das

geogrelhas. Este atrito nas barras transversais é chamado impulso passivo e surge do

movimento relativo entre os grãos de solo localizados nas aberturas das grelhas e a

própria geogrelha. O mecanismo de reforço com geogrelhas será abordado com maior

detalhe quando for feita a descrição da função de reforço.

2.2.3 Barreiras Geossintéticas

Ao longo da presente dissertação, e por uma de simplicidade de linguagem, será

utilizado o termo geomembranas em substituição do termo barreiras geossintéticas.

Os polímeros mais usados para o fabrico das geomembranas são: o polietileno, o

polipropileno e o PVC. Os tipos de aditivos normalmente adicionados são os

antioxidantes, os plastificantes, os fillers, o carvão e os lubrificantes.

Estes polímeros são então convertidos, por fusão, em folhas. Para a sua conversão em

folhas existem três métodos de processamento: extrusão, calandragem e

espalhamento superficial. Nestes dois últimos podem ser incluídos geotêxteis na sua

estrutura, que actuam como reforço.

No processo de extrusão, a massa em fusão é forçada a atravessar uma fenda

horizontal, de espessura variável, dando origem à geomembrana.

O fabrico por calandragem é conseguido através da passagem do material polimérico

num sistema de cilindros de rotação contrária (processo a que se chama

calandragem). Este sistema é de grande versatilidade na medida em que permite um

37


sistema multicamada, e a possibilidade de inclusão de um geotêxtil, normalmente do

tipo tecido em poliéster ou poliamida, na estrutura.

O espalhamento superficial consiste no espalhamento, em camada fina, da massa em

fusão de polímeros sobre um geotêxtil do tipo tecido ou não tecido. Este processo

pode ser realizado em ambas as faces dos geotêxteis.

Estes materiais são, de todos os geossintéticos, com excepção de alguns

geocompósitos, os que desempenham a função de impermeabilização, pelo que esta

deve ser o objecto do seu dimensionamento. Adicionalmente, e como referido

anteriormente, podem conter um reforço na sua estrutura (com a incorporação de

geotêxteis). Note-se que este reforço deve ser visto como uma garantia do bom

desempenho das geomembranas na função de impermeabilização, e não como na

efectiva função de reforço.

Após esta breve descrição do método de produção e das principais características dos

geossintéticos, passar-se-á a analisar quais as propriedades de maior relevância que

estes devem possuir para que desempenhem correctamente as funções para as quais

são dimensionados.

2.3 PROPRIEDADES

Para que os geossintéticos desempenhem correctamente as funções para as quais

foram dimensionados, é necessário que possuam certas propriedades básicas, ao longo

da sua vida útil na obra em que são incluídos, sendo estas enquadradas em três

classes: físicas, hidráulicas e mecânicas. Dentro das propriedades físicas podemos

considerar o peso específico do polímero, a espessura e a massa por unidade de área

(m.u.a.) do geossintético. Para as propriedades mecânicas temos a resistência à

tracção, o rasgamento e o punçoamento, bem como a sua deformabilidade.

Finalmente, as propriedades hidráulicas englobam a dimensão e distribuição das

aberturas características dos poros do geossintético, a permeabilidade e a

transmissividade.

Existe ainda uma quarta classe de propriedades, as relacionadas com a durabilidade, e

que pretendem garantir que os geossintéticos, mediante as condições do meio a que

estão sujeitos, nomeadamente os agentes atmosféricos, agentes químicos e físicos,

bem como as operações de transporte, manuseamento e colocação, mantenham as

propriedades exigidas em dimensionamento.

38


Cada uma dessas propriedades é mensurável, sendo objecto de controlo e

certificação. Os geossintéticos são materiais que estão abrangidos pela Directiva

Europeia dos Produtos de Construção (Directiva 89/106/CEE), que transporta para a

legislação nacional pelo Dec. Lei nº113/93, a qual impõe que para todos os

materiais/produtos utilizados nas obras de construção seja obrigatória a marcação CE.

As normas que certificam as propriedades são, em Portugal, enquadradas em classes

diferentes das acima referidas e correspondem a: terminologia, ensaios mecânicos,

hidráulicos e de durabilidade. Assim, podem ver-se no Quadro 2.4 as referências

normativas que certificam tais propriedades.

Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (adaptado de Pinto et al.,2002).

Propriedade Norma

Classe Terminologia

Amostragem e preparação de provetes de geotêxteis EN 963:1995

Determinação da espessura para várias espessuras – Parte I: camadas singulares prEN ISO 9863-1

Determinação da espessura para várias espessuras – Parte I: camadas singulares ou

múltiplas

prEN ISO 9863-2

Determinação da massa por unidade área de (m.u.a.) em geossintéticos prEN ISO 9864

Amostragem e preparação de provetes de geossintéticos prEn ISO 9862

Termos e definições prEN 10318

Identificação em obra NP EN ISO

10320:2003

Determinação da massa por unidade área de (m.u.a.) em GCL’s. prEN 14196

Classe ensaios mecânicos

Resistência à tracção/extensão em tiras largas EN ISO 10319

Resistência ao punçoamento dinâmico EN 918:1996

Resistência ao punçoamento estático (ensaio CBR) EN ISO 12236:2003

Fluência em compressão EN 1897:2001

Fluência em tracção e comportamento na rotura EN ISO 13431:1999

Resistência à tracção das juntas dos geotêxteis EN ISO 10321:1995

Danificação durante a instalação (em materiais granulares) ENV 10722-1:1997

Características de resistência da interface em corte directo prEN ISO 12957-1

Características de resistência da interface em plano inclinado prEN ISO 12957-2

Resistência estrutural interna de juntas em geocélulas EN ISO 13426-

1:2002

Reistência à abrasão (ensaios do bloco deslizante) EN ISO 13427:1998

Resistência à protecção a longo prazo EN 13719:2002

Resistência ao arranque prEN 13738

39


Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (Continuação)

Classe ensaios hidráulicos Determinação das características de permeabilidade à água normal ao plano, semconfinamento

NP EN ISO11058:2003

Porometria EN ISO 12956:1996 Determinação da capacidade de escoamento no seu plano EN ISO 12958 Resistência à penetração da água (ensaio de pressão hidrostática) EN 13562:2000

Classe ensaios de durabilidade Determinação da resistência ao envelhecimento devido às condições climatéricas ENV 12224:2000 Resistência à degradação biológica EN 12225:2000 Ensaios gerais para a avaliação após os ensaios de durabilidade EN ENV 12226 Resistência à hidrólise em água EN 12447:2001 Métodos de instalação e recolha de amostras in situ para ensaios em laboratório EN ISO 13437:1998 Resistência à oxidação sob elevada pressão de oxigénio prEN ISO 13438 Resistência a líquidos ácidos e alcalinos EN 14030:2001 Resistência química, quando em contacto com aterros de resíduos sólidos, lixiviadose gás

prEN 14414

Resistência a liviados quando utilizados na função barreira de geossintéticos prEN 14415 Resistência à penetração de raízes quando utilizados na função barreira degeossintéticos

prEN 14416

Resistência a ciclos de seco/molhado quando utilizados na função barreira degeossintéticos

prEN 14417

Resistência a ciclos de gelo/degelo quando utilizados na função barreira degeossintéticos

prEN 14418

Resistência aos agentes ambientais quando utilizados na função barreira degeossintéticos

prEN 14576

Guia de durabilidade de geotêxteis e produtos relacionados CR ISO 13434:1998

Dependendo da função que vão desempenhar e das condições específicas nos locais da

aplicação, compreende-se que existam propriedades dos geossintéticos que tenham

maior peso e necessitem de ser verificadas, ou mesmo medidas. Algumas das

aplicações mais correntes dos geossintéticos são também objecto de normalização,

com o cumprimento obrigatório de determinadas propriedades, como é o caso das

linhas-férreas. A norma EN 13250: 2000 – “Geotêxteis e produtos relacionados -

Características exigidas para a utilização em caminhos de ferro.”, especifica,

conforme se pode ver no Quadro 2.5, o grau de relevância de um conjunto de

propriedades a exigir aos geossintéticos, quando aplicados em linhas férreas, e de

acordo com a função que aí venham a desempenhar.

40


Quadro 2.5 - Propriedades a exigir aos geossintéticos quando usados em linhas-férreas (adaptado de

EN13250).

Função Propriedade Norma Europeia Filtro Separação Reforço

1) Resistência à tracção EN ISO 10319 H H H 2) Elongação para a carga máxima EN ISO 10319 A A H 3) Resistência à tracção das juntas EN ISO 10321 S S S 4) Resistência ao punçoamento estático (CBR) EN ISO 12236 S H H 5) Resistência ao punçoamento dinâmico EN 918 H A H 6) Abrasão EN ISO13427 S S S 7) Resistência ao corte directo prEN ISO 12957–1 S S A 8) Fluência em tracção EN ISO 13431 -- -- S 9) Danificação durante a instalação ENV ISO 10722-1 A A A 10) Distribuição dos poros EN ISO 12956 H A -- 11) Permissividade sem carga EN ISO 11058 H A A 12) Resistência à meteorização ENV 12224 A A A

13) Resistência à degradação química ENV ISO 12960, 12447 ou 13438 S S S

14) Resistência à degradação biológica ENV 12225 S S S Relevância da função: H:Obrigatória A:Relevante para todas as condições de uso S:Relevante para condições específicas de utilização --:Característica não relevante para a função

Seguidamente será feita uma descrição das funções que maior relevância tem nas

obras ferroviárias: a de reforço com geogrelhas, separação, filtragem e drenagem com

geotêxteis.

2.4 FUNÇÕES

Cada geossintético pode desempenhar uma ou várias funções simultaneamente, no

entanto, o seu correcto desempenho só será conseguido se as funções que ele estiver

efectivamente a desempenhar tiverem sido devidamente acauteladas em fase de

dimensionamento.

As funções básicas que os geossintéticos podem desempenhar são, conforme se pode

ver esquematicamente na Figura 2.5, drenagem, filtragem, separação, protecção,

reforço e barreira de fluidos (impermeabilização). Esta última função é exclusiva das

geomembranas e alguns geocómpositos.

41


Separação Filtragem Drenagem

Protecção Reforço Estanqueidade

Figura 2.5 - Principais funções dos geossintéticos (Paula, 2003)

O dimensionamento consta da especificação das propriedades que os geossintéticos

devem possuir para que cumpram a função que lhes é atribuída, nomeadamente em

termos de propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. Este pode ser feito de acordo

com especificações que existam para uma dada aplicação, como é o caso das EN ou

das AASHTO, sendo obrigatório que as propriedades dos geotêxteis a utilizar cumpram

os requisitos mínimos aí especificados, ou então, para uma dada aplicação, é

identificada a principal função a desempenhar pelo geossintético e calculado o valor

numérico das suas propriedades.

Com base neste último método de dimensionamento, o do cálculo do valor das

propriedades, são atribuídos coeficientes de segurança que podem variar conforme o

tipo de obra e/ou aplicação. Esses coeficientes de segurança definem-se como a razão

entre o valor da propriedade obtido através de ensaios de laboratório e o valor da

mesma exigido em dimensionamento. Isto porque os valores das propriedades obtidos

em laboratório apenas são representativos de condições ideais, logo, não podem ser

utilizados directamente no dimensionamento. Aplicam-se assim coeficientes de

redução ao valor medido da propriedade do ensaio, sendo este valor corrigido

posteriormente e comparado com o exigido em dimensionamento para obtenção do

coeficiente de segurança. Assim:

toensionamen

corrigidoLab

TT

FSdim

.=

(2.1)

O valor a atribuir ao coeficiente de segurança deve ser sempre maior do que 1, e

tanto maior quanto maior for o risco associado à obra onde o geossintético está

aplicado. A sugestão de Koerner (1998) para os coeficientes de redução a adoptar

42


consoante as funções é a que a seguir se apresenta nos Quadros 2.6 e 2.7. Aí, os

valores unitários aplicam-se quando é possível medir, em laboratório, a propriedade,

e essa é representativa das condições de aplicação "in situ".

Para funções, em que a resistência é essencial, como a de separação e reforço

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

×××=

bqfddi

olaboratóricorrigidolab RRRR

TT .

(2.2)

em que:

Rddi – coef. redução para efeitos de danificação durante a instalação. Rf – coef. redução para fenómenos de fluência. Rb – coef. redução para degradação biológica. Rq – coef. redução para degradação química.

Quadro 2.6 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções com relevância para a

resistência (adaptado de Koerner,1999).

Gama valores aconselhados para adoptar nos coeficientes de redução Área de aplicação Rddi Rf* Rq Rq

Separação 1,1 a 2,5 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 Efeito colchão 1,1 a 2,0 1,2 a 1,5 1,0 a 2,0 1,0 a 1,2 Vias não pavimentadas 1,1 a 2,0 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 Muros 1,1 a 2,0 2,0 a 4,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Aterros 1,1 a 2,0 2,0 a 3,5 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Capacidade de carga 1,1 a 2,0 2,0 a 4,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Estabilização de taludes 1,1 a 1,5 2,0 a 3,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Camadas de pavimentos 1,1 a 1,5 1,0 a 2,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 Caminhos de ferro(filtro/separação) 1,5 a 3,0 1,0 a 1,5 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2

Formas flexíveis 1,1 a 1,5 1,5 a 3,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 Barreiras de sedimentos 1,1 a 1,5 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 *Os valores inferiores referem-se a aplicações com curtos períodos de vida útil e/ou situações em que adeformação por fluência não seja condicionante para o desempenho do sistema.

Para funções relacionadas com fluxo, como a filtragem e drenagem

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

××××=

cbcqbvfCB

olaboratóricorrigidolab RRRRR

qq .

(2.3)

em que:

RCB – coef. redução para efeitos de colmatação e cegueira. Rf – coef. redução para diminuição dos poros por fenómenos de fluência. Rbv – coef. redução para a blocagem de vazios pelo solo. Rcq – coef. redução para colmatação química. Rcb – coef. redução para colmatação biológica.

43


Quadro 2.7 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções de permeabilidade

(adaptado de Koerner,1999).

Gama valores aconselhados para adoptar nos coeficientes de redução Área de aplicação RCB* Rf Rbv Rcq** Rcb

Filtros no tardoz de murosde retenção

2,0 a 4,0 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2 1,0 a 1,2 1,0 a 1,3

Drenagem subterânea 5,0 a 1,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 2,0 a 4,0 Filtros em controlo de erosão 2,0 a 1,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 1,0 a 1,2 2,0 a 4,0 Filtros de aterros 5,0 a 1,0 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 5 a 10*** Drenagem por gravidade 2,0 a 4,0 2,0 a 3,0 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 1,2 a 1,5 Drenagem sob pressão 2,0 a 3,0 2,0 a 3,0 1,0 a 1,2 1,1 a 1,3 1,1 a 1,3 * Caso sejam aplicados à superfície do geotêxtil pedra tipo “rip-rap” ou blocos de betão, devem serutilizados valores mais elevados ou factores de redução adicionais. ** Podem ser utilizados valores mais elevados, especialmente na presença de água freática muito alcalina. *** Podem ser utilizados valores mais elevados para casos de maior turvação ou conteúdos emmicroorganismos maiores que 500mg/l.

Note-se que o autor considera para o dimensionamento a existência de fenómenos que

se traduzem na durabilidade dos geossintéticos, ou seja: em termos de resistência

considera fenómenos de danificação durante a instalação, fluência e degradação

química e biológica; em termos hidráulicos considera fenómenos de compatibilidade a

longo prazo, como a fluência, colmatação, cegueira e blocagem. Não considera no

entanto, pelo menos explicitamente, a diminuição de resistência provocada pelas

operações de transporte, manuseamento e aplicação do geossintéticos em obra.

Analise-se então com maior detalhe a metodologia de dimensionamento de funções

através do cálculo das suas propriedades.

2.4.1 Reforço

Dado que os solos, em particular os granulares, não apresentam resistência a tensões

de tracção, surge como função a desempenhar pelos geossintéticos a função de

reforço, que pretende garantir resistência à tracção ao conjunto solo/geossintético. O

reforço é conseguido através da mobilização de atrito na interface do

solo/geossintético. Adicionalmente, no caso das geogrelhas, é também mobilizada

resistência nas barras transversais das suas aberturas, a que normalmente se chama

impulso passivo.

Na função de reforço, as propriedades a considerar para dimensionamento são:

resistência à tracção

módulo de deformabilidade

resistência ao punçoamento

44


resistência ao rasgamento

resistência à abrasão (caso seja susceptível de ocorrer)

Destas propriedades, as duas primeiras relacionam-se directamente com a função de

reforço, sendo as últimas três requisitos de durabilidade, que pretendem garantir a

sobrevivência do material durante a sua vida útil.

Na função de reforço, os geossintéticos actuam por 3 mecanismos: acção de

membrana, por corte directo e por arranque.

Acção de membrana: este mecanismo dá-se quando são aplicadas tensões

perpendicularmente ao plano do geotêxtil, conforme se mostra na Figura 2.6. Por

apresentar resistência à tracção, o geotêxtil, absorve as tensões verticais aplicadas.

Este tipo de mecanismo é comum quando o geotêxtil é colocado em solos de grande

deformabilidade e baixa capacidade de suporte.

Figura 2.6 – Acção de membrana (adaptado de Telford, 1996).

Corte directo: surge quando uma das faces do geotêxtil, em contacto com o solo e

sujeito a tensão normal, é obrigada a deslocar-se em relação ao solo. A tendência

para este movimento relativo entre os dois materiais mobiliza atrito na interface

solo/geossintético, conferindo resistência à tracção ao conjunto.

Arranque: o mecanismo é idêntico ao anteriormente descrito, com a diferença de a

mobilização de atrito se dar nas duas faces do geossintético. Assim o geossintético é

solicitado ao arranque relativamente ao solo.

Adicionalmente, no caso das geogrelhas, é ainda mobilizado atrito nas barras

transversais ao sentido da solicitação, sendo este atrito chamado de impulso passivo.

45


Dado que as geogrelhas são as que maior utilização têm na função de reforço no caso

das obras ferroviárias, opta-se por descrever o seu funcionamento num sistema de

reforço.

2.4.1.1 Reforço com geogrelhas

As geogrelhas são normalmente aplicadas na camada de balastro pretendendo garantir

o seu reforço, pela diminuição dos assentamentos verticais e diferenciais e ainda pela

sua contenção lateral (função tradicionalmente desempenhada pelas ombreiras de

balastro). Dadas as exigências impostas aos deslocamentos verticais nas obras

ferroviárias, as geogrelhas a utilizar devem possuir um elevado módulo de

deformabilidade, para que se mobilizem elevadas resistências mesmo a baixas

deformações. As propriedades que governam a eficiência de uma geogrelha são

diversas, entre as quais se destacam: a razão entre as dimensões do solo confinante e

as aberturas da própria geogrelha, a tensão de confinamento a que está sujeita e o

grau de compacidade do solo.

As geogrelhas, quando utilizadas no reforço de solos, relativamente aos geotêxteis,

são menos extensíveis. Isto traduz-se num maior aumento da resistência do solo

(reforçado) e numa maior mobilização de atrito (resistência) na interface solo-reforço.

Acresce ainda que o contributo dado pelo impulso passivo é de grande peso no que

concerne ao reforço global, o que foi já provado analiticamente por vários autores

(Koerner et al., 1989) a propósito do reforço da capacidade de carga de fundações.

São considerados três tipos de mobilização de atrito no mecanismo de reforço das

geogrelhas, como se pode ver na Figura 2.7. Assim surgem atritos laterais nas barras

longitudinais da geogrelha, atrito do solo-solo nas aberturas (sempre que exista

movimento relativo neste), e ainda o impulso passivo, nas barras transversais, que é

mobilizado progressivamente à medida que o deslocamento relativo do solo-geogrelha

aumenta.

a) Impulso Passivo

b) Atrito lateral

Figura 2.7 – Mecanismos de interacção solo-geogrelha. (adaptado de Jewel et al., 1984).

46


Estes três tipos de atrito surgem da existência de movimentos relativos entre o solo e

o reforço (atrito lateral e impulso passivo) e de movimentos relativos entre o solo

(atrito solo-solo). Estes movimentos podem ser de dois tipos: de corte directo ou de

arranque. Independentemente do tipo de movimento, sempre que se dá a rotura com

movimento relativo entre o solo e o reforço, significa que foi excedida a resistência da

interface (f). Pode também dar-se o caso de a resistência da interface ser superior à

resistência à tracção do próprio reforço e dar-se a rotura dita, “por tracção”, em que

há a cedência do próprio material de reforço.

Jewell (1996) define resistência ao corte na interface solo-reforço para movimentos

de arranque como:

T=2 W Lσ'nftgφ' (2.4)

em que:

W – largura do reforço na direcção perpendicular à solicitação do reforço; L – comprimento do reforço;

'nσ

- tensão normal efectiva ao nível da interface solo-reforço;

f - coeficiente de interface solo-reforço que varia entre 0 e 1; φ' - ângulo de atrito do solo, para tensões efectivas de pico ou a volume

constante, dependendo da densidade do solo, denso ou solto,respectivamente.

Esta equação é de aplicação geral, no entanto a principal dificuldade na sua aplicação

reside na definição de f.

Para geogrelhas, em movimentos de corte directo, a resistência ao corte é a soma das

duas parcelas: atrito lateral solo-geogrelha (Tl) e atrito solo-solo (Ts/s), que são

definidos, pelo mesmo autor acima citado, através das seguintes relações:

Tl=2 asW Lσ'ntgδ' (2.5)

Ts/s=2(1-as) W Lσ'ntgφ' (2.6)

em que:

as – fracção sólida da área superficial da geogrelha

47


Igualando a soma destas duas parcelas à definição da resistência ao corte, resulta para

o coeficiente da interface em corte directo:

)1(' sscd atgtgaff −+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

φδ

(2.7)

em que:

δ – ângulo de atrito da interface solo-geogrelha

Para movimentos de arranque, dado que se considera nula a resistência da interface

correspondente ao atrito solo-solo, vem que a resistência da interface é igual à soma

do atrito lateral solo-geogrelha (Tl) com o impulso passivo (Tp), sendo que:

'pbp WBa

SLT σ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

(2.8)

em que:

S

ab

- distância entre as barras transversais da geogrelha;

- fracção da largura, W, da geogrelha disponível para a mobilização da resistência passiva;

B - espessura das barras transversais da geogrelha; 'pσ

- tensão passiva mobilizada em termos de tensões efectivas.

Igualando a soma das duas parcelas à definição da resistência ao corte, resulta para o

coeficiente da interface em arranque:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== ''

'

21

' φσσ

φδ

tgSBa

tgtgaff b

n

psa (2.9)

NOTAS: -Se na interface ocorrerem ambos os movimentos, de corte directo e

arranque, o coeficiente da interface a considerar será o mínimo dos dois coeficientes

atrás referidos;

-as equações atrás referidas são aplicáveis ao caso de solos soltos, considerando-se a

resistência do solo a volume constante.

48


2.4.1.2 Factores que influenciam a interacção solo-geogrelha

A interacção solo-geogrelha é influenciada por vários factores, tendo sido já alvo de

inúmeros estudos laboratoriais que confirmam essas mesmas influências. Os factores a

que mais referência se faz na literatura especializada são: a razão dimensão das

partículas de solo/abertura da geogrelha, tensão de confinamento, índice de

compacidade, e o afastamento entre barras transversais. Para cada um destes

parâmetros far-se-á uma síntese do que se considera ser o estado actual do

conhecimento.

a) Influência da razão dimensão das partículas de solo/abertura da geogrelha na

resistência da interface

A dimensão das partículas de solo e da abertura das geogrelhas têm influência

determinante na eficácia do reforço, já que a razão das referidas dimensões

condiciona o valor da resistência passível de ser mobilizada na interface solo-reforço.

Jewell et al. (1984), estudaram a influência das dimensões das partículas de solo na

interacção solo-geogrelha, quando o movimento é de corte directo, concluindo que o

coeficiente de resistência para essa interface é máximo quando a dimensão dos grãos

é idêntica à da abertura das geogrelhas, sendo mínimo quando as dimensões das

partículas de solo tenham dimensões tão grandes que impossibilitem a sua penetração

nas aberturas das geogrelhas, mobilizando-se, nesse caso, somente resistência nos

pontos de contacto solo-geogrelha. Estes mesmos autores aconselham para o reforço

de solos com geogrelhas a razão:

350

≥Dd

(2.10)

onde:

d – menor dimensão da abertura da geogrelha; D50 – Dimensão média das partículas de solo.

No entanto, outros autores (Sarsby et al., 1985), consideram que a máxima eficiência

na transferência de tensões geogrelha-solo se dá para um valor de 3,5 da mesma razão

acima referida.

Na avaliação da mobilização do impulso passivo nas barras transversais de geogrelhas

metálicas, Palmeira e Milligan (1989) mostraram, em ensaios de arranque, que existe

49


um importante factor de escala (F1) relativo à dimensão média das partículas (D50) e à

espessura das barras transversais (B). Assim, para uma razão B/D50<10, verifica-se um

aumento da transferência de esforços do solo para a geogrelha que pode atingir o

dobro do valor quando B/D50>10. Mostram ainda que o impulso passivo pode ser

aumentado em cerca de 20% quando as barras transversais têm secção rectangular,

comparativamente às de secção circular.

Jewell (1996) reescreveu então a equação que traduz o coeficiente de resistência da

interface para movimentos de arranque considerando F1 como o factor de escala e F2

como o factor de forma das barras transversais. Assim:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== ''

'

21 21

' φσσ

φδ

tgSBa

FFtgtgaff b

n

psa (2.11)

com

F1= ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

50102

DB

quando B/D50<10

1 quando B/D50>10

F2= 1 para barras circulares

1,2 para barras rectangulares

Estudos mais recentes (Lopes, 1998), também através de ensaios de arranque, mas

utilizando geogrelhas em PEAD (Polietileno de Alta Densidade), confirmam o fenómeno

traduzido pelo factor de escala (F1), no entanto com valores inferiores, em cerca de

metade aos sugeridos por Jewell (1996) na equação anterior. Apesar da existência de

diferentes procedimentos de ensaio, nomeadamente o tipo de geogrelha utilizada, os

resultados de Lopes (1998) sugerem a adopção de novos valores para o factor de

escala F1, quando usadas geogrelhas extensíveis.

b) Tensão de confinamento e Índice de compacidade

Dado que a tensão de confinamento condiciona o ângulo de atrito interno do solo

(pelo impedimento da dilatância) quando solicitado ao corte, será também de esperar

que condicione a resposta da geogrelha como reforço. Diversos estudos têm sido

realizados no sentido de estudar a sua influência.

50


Lopes e Ladeira (1996) estudaram a influência do índice de compacidade num ensaio

de arranque sobre um geogrelha uniaxial colocada em areia. Os índices de

compacidade variaram de 50 a 86%, tendo-se verificado para o solo mais denso um

aumento de 40% na resistência da interface solo-geogrelha devido a uma maior

resistência do solo e da própria interface. Notou-se ainda uma diminuição do

deslocamento da geogrelha, e consequentemente do comprimento de aderência,

aumentando o módulo de rigidez da interface e a força de arranque.

Lopes (1998) realizou ensaios de arranque com geogrelhas em PEAD em areias com

índices de compacidade (ID) de 50%, a uma tensão de confinamento de 24,5KPa. Nesse

estudo verificou que um aumento de 55% na tensão de confinamento provocou um

acréscimo na resistência ao corte mobilizada na interface e ainda um aumento de

cerca de 11% na resistência da interface solo-geogrelha.

Assim, parece consensual que um aumento da tensão de confinamento e do índice de

compacidade do solo confinante, provoque um aumento da eficiência da mobilização

de resistência na interface solo-reforço.

c) Afastamento entre barras transversais

O afastamento entre barras transversais das geogrelhas influencia a eficácia do

reforço, na medida em que afecta o valor da parcela correspondente ao impulso

passivo mobilizado nestas. Assim, quanto mais afastadas forem as barras transversais,

menor impulso passivo é conseguido, mas por outro lado, se forem muito próximas, a

área de influência de uma sobrepõe-se à da seguinte, perdendo-se a eficácia que cada

uma delas, individualmente, possibilita. Conclui-se então a existência de um

afastamento óptimo entre as barras transversais que conduz à máxima mobilização do

impulso passivo.

Jewell et al. (1984) e Jewell (1990) pressupondo o caso limite correspondente à

resistência da interface solo-geogrelha apenas devida à mobilização do impulso

passivo e a existência de um limite superior para a resistência da interface tal que

permita admitir δ=φ, consideraram que a resistência máxima na interface solo-

geogrelha é conseguida para um geometria óptima da grelha(S/(abB))φ . Assim:

51


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ''

'

21φσ

σtgS

Baf b

n

pa (2.12)

e,

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛''

'

21

' φσσ

φ tgBaS

n

p

b

(2.13)

para (fa)max=1

Palmeira e Milligan (1989) em ensaios de arranque com geogrelhas metálicas,

concluíram que à medida que a distância entre barras diminui, diminui também a

resistência da interface, denotando um aumento do grau de interferência entre barras

com a redução da distância entre elas. Os autores sugeriram que o conceito de

interferência entre barras da grelha (DI) fosse definido através da razão entre a

resistência passiva efectivamente mobilizada e a máxima possível. Assim:

'

1

φ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

BaS

BaS

DI

b

b

(2.14)

,vindo para DI≤1:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= ''

'

21)1(φσ

σtgS

BaDIf b

n

pa (2.15)

Ficou então visto que na função de reforço com geogrelhas, vários factores

influenciam o seu desempenho, devendo todos eles ser ponderados aquando do seu

dimensionamento.

2.4.2 Separação

O objectivo desta função é impedir a mistura/interpenetração de solos com

granulometrias distintas, de modo a que a integridade e funcionamento dos dois

materiais como camadas granulares se mantenha, ou seja inclusivé melhorado. Como

52


se pode ver esquematicamente na Figura 2.8, existe uma tendência do solo de

granulometria mais grosseira (especialmente se for do tipo angular) penetrar no mais

fino, e de este, por sua vez, também ter tendência a penetrar no de granulometria

mais grosseira. A colocação de um geossintético na interface dessas duas camadas

permite evitar essa mistura.

Figura 2.8 – Função de separação (Koerner, 1999)

As propriedades que normalmente são exigidas ao geossintético no desempenho desta

função são as seguintes:

flexibilidade;

resistência à tracção;

resistência ao punçoamento;

resistência ao rasgamento;

resistência à abrasão (caso seja susceptível de ocorrer);

retenção do solo e permeabilidade aos fluidos (caso acumule funções de filtro).

Esta função é exigida ao geossintético, no caso das linhas-férreas, na interface:

balastro/plataforma, sub-balastro/plataforma ou balastro antigo/balastro novo,

consoante a situação que aí se verifique.

A esta função vêm normalmente associadas outras funções como a filtragem e/ou

drenagem, o que implica que o geossintético, para além de impedir a mistura dos dois

solos adjacentes tenha de ser permeável à passagem da água. Admite-se então que,

sendo o dimensionamento feito em termos de filtragem ou drenagem, esteja já

assegurada a função de separação.

Note-se que o facto de esta função ser normalmente associada às duas outras

referidas não lhe retira importância porque, como já foi dito anteriormente, é esta

função que impede a modificação, normalmente associadas à redução, das

características mecânicas e hidráulicas dos solos com que contacta.

53


2.4.3 Filtragem

Quando se usam os geossintéticos , a filtragem é uma das funções mais utilizadas. Na

filtragem, o geossintético deve permitir a passagem da água que percola o solo, e em

simultâneo reter as suas partículas. Estes dois mecanismos são, em termos de

propriedades, contraditórios já que, se por um lado os poros têm que ser

suficientemente grandes para permitir a passagem da água sem que se gerem excessos

de pressão intersticial, por outro têm que ser suficientemente apertados para que

consigam reter o solo adjacente.

Um dos factores que influencia o bom desempenho desta função é o tempo, ou seja,

deve ser assegurado que no decorrer da utilização do geossintético este não colmate

como resultado de uma acumulação excessiva de partículas de solo no interior da sua

estrutura.

As propriedades essenciais a exigir ao geossintético no desempenho desta função são:

percentagem de área aberta (aplicável somente a geotêxteis tecidos);

dimensão aparente dos poros;

permissividade;

compressibilidade;

espessura.

Esta função, tradicionalmente desempenhada por filtros granulares, tem vindo a ser

preferida, em algumas utilizações, pela utilização de filtros em geossintéticos. Ambas

as soluções apresentam vantagens e desvantagens, quando comparadas, como se pode

ver no Quadro 2.8.

O dimensionamento de filtros geossintéticos apresenta conceitos semelhantes aos

utilizados nos filtros granulares, baseados nas dimensões dos solos, e todos eles de

carácter empírico. A bibliografia da especialidade é vasta em métodos de

dimensionamento, tendo-lhes associado condições específicas de uso, de acordo com

aquelas que lhe deram origem.

54


Quadro 2.8 - Vantagens e desvantagens da utilização de filtros granulares/geossintéticos (adaptado de

Lopes, 2003).

Filtros

Granulares Geossintéticos

Propriedades comuns:

Risco de colmatação interna por:

-Partículas do solo a filtrar

-Actividade de bactérias aeróbias (colmatação ocre)

-Precipitação de sais

-Cristais de gelo

Diferenças:

-Espessura -Elevada (>150 mm) -Baixa (<30 mm)

-Porosidade -25-40 % -75-95 %

-Capilaridade -Importante (hc = 500mm) -Baixa (hc = 50mm)

-Resistência à tracção -Não tem -Baixa a elevada

-Compressibilidade -Desprezável -Média a elevada

-Transmissividade sob tensão -Constante -Variável

-Uniformidade -Gradualmente variável -Controlada através da massa por

unidade de área e da espessura

-Durabilidade -Inerte -Sensível às radiações UV

-Instalação -Evitar contaminação pelo solo

envolvente

-Deve ser colocado em contacto

íntimo com o solo a filtrar

-Compactação -A instalação é facilitada pela

costura de juntas

-Risco de danificação -Não tem -Sensível ao rasgamento e ao

punçoamento

Um dos conceitos que aparece subjacente à filtragem é o de permissividade (Ψ), e

que pode ser definido como a facilidade com que o fluxo de água se estabelece

perpendicularmente ao plano do geotêxtil, ou seja, o fluxo de água que atravessa o

geotêxtil. Assim,

tKn=ψ

(2.16)

em que:

Ψ - transmissividade kn – coeficiente de permeabilidade normal ao plano do geotêxtil t – espessura do geotêxtil definido para uma determinada pressão normal (2, 20 e 200 KPa através da norma EN 964-1)

55


Os geossintéticos utilizados nesta função são os geotêxteis, e a sua eficiência, ou falta

dela, pode dever-se essencialmente a três fenómenos, representados na Figura 2.9, e

que são: (a) cegueira, (b) blocagem e (c) colmatação interna.

a) Cegueira b) Blocagem c) Colmatação interna

Figura 2.9 – Fenómenos susceptíveis de ocorrer na função de filtro (adaptado de Koerner, 1999).

Estes fenómenos ocorrem quando:

Cegueira: o geotêxtil está em contacto com solos internamente instáveis, onde se

verifique a tendência para o movimento de pequenas partículas de solo, que ficam

retidas na fronteira formada pelo geotêxtil e o solo; esta acumulação de pequenas

partículas tende a formar uma camada de baixa permeabilidade, que impede o fluxo

de água de atravessar o geotêxtil, e portanto percolar livremente pelo solo.

Blocagem: as partículas de solo têm dimensões muito semelhantes às dimensões dos

poros dos geotêxteis, e como tal, impedem a passagem da água.

Colmatação interna: existe uma acumulação excessiva de partículas de solo na

estrutura interna (nos poros) do geotêxtil, o que impede a água de o atravessar

livremente. Este impedimento da passagem da água pode dever-se também à

precipitação de substâncias químicas (sais) ou como resultado de actividade

bacteriológica.

Estes três mecanismos mostram que, para o geotêxtil ter um bom desempenho como

filtro, se devem compatibilizar as propriedades físicas do geotêxtil com o solo a

filtrar. Veja-se então quais os principais critérios a considerar no dimensionamento de

filtros.

56


2.4.3.1 Dimensionamento de filtros

Os critérios para o dimensionamento de filtros assentam basicamente na retenção das

partículas e na permeabilidade. O filtro deve garantir que o fluxo de água em

percolação se dá desimpedidamente, ao mesmo tempo que impede movimentos das

partículas de solo na interface solo/filtro. No caso dos geotêxteis existe ainda um

terceiro factor a considerar, e que consiste na verificação da sua não colmatação a

longo prazo.

Critério de retenção

Os critérios empíricos para a retenção do solo com filtros granulares densos e

uniformemente graduados levam à adopção da expressão clássica:

RRdD

<85

15

(2.17)

em que:

D15 – Dimensão característica do filtro tal que, 15% das partículas têm dimensões inferiores

d85 - Dimensão do solo de base tal que, 85% das partículas têm dimensões inferiores

Bertram (1940) sugeriu o limite de 4 para valor de RR (Razão de Retenção), no sentido

de garantir a compatibilidade entre o filtro e o solo, havendo outros autores como

Terzaghi e Peck (1948) que sugerem o valor de 6. No entanto, o valor recomendado é

de 5, sugerido pelo U.S. Waterways Experiment Station (1948). Note-se que o grau de

compactação da camada de filtro se revela de especial importância, já que se assume

que uma camada densa, não permite, por si só, o movimento das suas partículas mais

finas.

No caso de filtros em geotêxteis, a dimensão a considerar para a compatibilidade

filtro/solo é a dos poros do geotêxtil, condicionada directamente pela sua própria

estrutura. Esta dimensão é definida como a dimensão aparente dos poros (Oi),

determinada laboratorialmente pelo ensaio de porometria, correspondendo aos 90% de

passados da série de peneiro estabelecida na EN ISO 12956. Assim, o critério de

retenção para filtros geotêxteis, pode ser estabelecido como:

57


RRd

O

i

<90

(2.18)

em que,

O90- Dimensão dos poros do geotêxtil correspondente a 90% de passados di - Dimensão do solo de base tal que, i % das partículas têm dimensões inferiores

Neste caso, o valor de RR varia consoante o tipo de geotêxtil e o tipo de solo, como se

pode ver no Quadro 2.9.

Quadro 2.9 – Valores de RR para geotêxteis (adaptado de Lopes, 2003).

Cu

SOLO

Geotêxteis não tecidos

(t <2mm)

Geotêxteis não tecidos

(t> 2mm)

1<Cu≤3 15090

=dO

4

5090

=dO

3<Cu≤5 35090

=dO

6

5090

=dO

Cu>5(*) 35090

=dO

6

5090

=dO

e/ou e/ou

Cu>5(**) 19090

=dO

8,1

9090

=dO

(*) regime permanente (**) regime transitório NOTAS: a) quando % passados #200(ASTM) > 30% : apenas deve ser utilizada a envolvente granulométrica abaixodo diâmetro 1mm. b) quando % passados #200(ASTM) > 50% :O90≠200µm e O90≠d90

Tanto os filtro granulares como os geotêxteis são dimensionados com base na

experiência, sendo por isso, os métodos de dimensionamento totalmente empíricos.

Dado este empirismo, é de grande importância que seja adequadamente caracterizado

o regime hidráulico e a granulometria do solo de base.

Uma abordagem mais recente, resultado de estudos laboratoriais, baseada na

compatibilização do solo de base com o geotêxtil, pretende ser uma abordagem mais

teórica dos fenómenos de filtragem, ao mesmo tempo que pretende confirmar a

adequação dos métodos empíricos até hoje utilizados. Os ditos estudos utilizam, na

sua maioria, o ensaio com permeâmetro, descrito na norma ASTM-”Test Method for

measuring the System Clogging Pottential by the Gradient Ratio (D510190)”. Este

58


equipamento permite medir os gradientes hidráulicos no solo e na fronteira

solo/geotêxtil de modo a verificar a compatibilização entre o solo e o geotêxtil, ou

seja, verificar se os gradientes hidráulicos não são muito díspares, e se não são

geradas elevadas forças de percolação que resultem em fenómenos de instabilidade

hidráulica. A quantificação dessa compatibilização é feita através da razão de

gradiente GR (Gradiente Ratio) e que se expressa da seguinte maneira:

sg

s

s

sg

KK

ii

GR ==

(2.19)

onde,

is – gradiente hidráulico medido no solo

isg – gradiente hidráulico medido na fronteira solo/geotêxtil

ks – permeabilidade medida no solo

ksg – permeabilidade medida na fronteira solo/geotêxtil

, sendo o coeficiente de permeabilidade (k) e o gradiente hidráulico (i) definidos por:

iqk =

(2.20)

ahi

∆∆

=

(2.21)

em que,

q – caudal que atravessa a secção em estudo, onde se faz a medição.

i – gradiente hidráulico

∆h – carga hidráulica

∆a – comprimento da zona filtrante

Os resultados obtidos permitiram identificar um valor fronteira que caracteriza dois

graus de compatibilização. Assim, para:

59


GR<1 algumas das partículas adjacentes ao geotêxtil migram para o interior

deste, ou atravessam-no, o que muitas vezes sugere o desenvolvimento

de filtros estáveis; uma diminuição continuada, pode sugerir

incompatibilidade, com tendência para a ocorrência de fenómenos de

“pipping”.

GR>1 existe um impedimento do livre fluxo de água na zona adjacente ao

geotêxtil; um aumento continuado pode sugerir incompatibilidade, com

tendência para a colmatação.

Os valores aqui apresentados são meramente indicativos, já que dada a relativamente

curta experiência na utilização deste método, não existe ainda consenso total na

definição destes valores de fronteira.

Os estudos de compatibilidade baseados na razão de gradiente GR têm ainda sido

efectuados por diversos autores (Shi, 1994, Fannin et al., 1996, Palmeira et al. 1996,

Gardoni, 2000), na tentativa de reproduzir as condições reais de aplicação, num

permeâmetro modificado, com a possibilidade de aplicação de tensões normais aos

geossintéticos, e fluxos unidireccionais (Figura 2.10 a) e bidireccionais (Figura 2.10 b).

Pistão de carregamento

Porta de leituraBase rígida perfurada

Porta de leituraCélula do permeâmetro

Geotêxtil

Base rígida perfuradaMedição de caudal

Q

Q

Solo

Carga axialLVDT

Base colectora

Bomba

Transdutor de pressão

Medição de caudal

Permeâmetro

Geotêxtil Solo

a)Fluxo unidireccional; b)Fluxo reversível.

Figura 2.10 – Permeâmetro utilizado em ensaios de filtragem sob confinamento (adaptado de Hameiri, 2000).

Critério de Permeabilidade

Para os filtros granulares a condição a verificar , sugerida pelo U.S. Waterways

Experiment Station (1948), é a seguinte:

515

15 ≥dD

(2.22)

60


Os filtros em geotêxteis, em especial os não tecidos, são geralmente mais permeáveis

que os filtros granulares que tenham a mesma dimensão de poros. Assim, o filtro em

geotêxtil não tecido, deve ser genericamente preferido ao filtro granular nas

aplicações em que a permeabilidade é essencial (Giroud et al.,2002).

O critério de permeabilidade para geotêxteis impõe uma relação entre as

permeabilidades normais do geotêxtil (kg) e do solo (ks), de modo a que não sejam

gerados excessos de pressão intersticial. Assim, a permeabilidade do geotêxtil deve

ser superior à do solo, ainda mais se for verificada a compatibilidade a longo prazo

(critério de colmatação). Essa relação é do tipo:

kg ≥ c ks (2.23)

em que:

c=

10 para solos granulares ou geotêxteis tecidos e não tecidos finos(<2mm)

50 a 100 para silte ou solos coesivos

100 para geotêxteis não tecidos espessos(>2mm)

2.4.4 Drenagem

A função de drenagem é muito semelhante à de filtragem, na medida em que o

geossintético deve reter as partículas de solo e permitir a passagem da água que

percola no solo. No entanto, a água que tenderia a atravessar o geossintético, deve

ser drenada ao longo dos seus planos, pelo interior da sua estrutura. Nesta função,

assume especial importância a espessura do geossintético, que como se sabe é maior

nos geotêxteis não tecidos e em alguns geocompósitos.

As propriedades essenciais a exigir ao geossintético no desempenho desta função são:

percentagem de área aberta (aplicável somente a geotêxteis tecidos);

dimensão aparente dos poros;

transmissividade;

compressibilidade;

espessura.

O conceito que surge associado à drenagem é o da transmissividade e que, à

semelhança da permissividade, pode ser definido como a facilidade com que o fluxo

61


de água se estabelece ao longo dos planos do geossintético, ou seja, o fluxo de água

que é drenado pelo geossintético. Assim:

tk p *=θ (2.24)

em que:

θ - permissividade

kp – Coeficiente de permeabilidade no plano do geotêxtil

t – espessura do geotêxtil definida para uma determinada pressão normal (2, 20 e 200 kPa através da norma EN 964-1)

Os critérios de retenção do solo e compatibilidade a longo prazo são semelhantes aos

descritos para a filtragem.

Em grande parte das utilizações correntes dos geossintéticos, como elementos de

filtro e/ou dreno, existem tensões normais aplicadas aos geossintéticos com ordens de

grandeza que variam sensivelmente entre 100 e 1000 kPa, em obras correntes e em

grandes aterros, respectivamente. No presente caso, das obras ferroviárias, a ordem

de grandeza das tensões ao nível da base da camada de balastro situa-se em cerca de

100-200 kPa. Os geossintéticos, quando colocados sob tensão, sofrem uma redução da

sua espessura, acarretando uma diminuição da capacidade de transporte de água, e

logo uma diminuição da eficiência das suas propriedades hidráulicas.

Opta-se então por apresentar um estudo relativo à influência das tensões normais

aplicadas ao geossintético, na sua espessura e coeficientes de permeabilidade normal

e ao longo do plano. Os resultados destes estudos (Palmeira e Gardoni, 2000)

mostram, como se pode ver na Figura 2.11, a variação da espessura e dos coeficientes

de permeabilidade de um geotêxtil não tecido agulhado, com o nível de tensão

aplicado e o grau de impregnação por partículas de solo (λ).

62


a) Espessura do geotêxtil versus tensão normal b) Permeabilidade normal (Kn); Permeabilidade no

plano versus tensão normal. NOTAS: λ - factor definido como a razão entre a massa de partículas de solo presas no geotêxtil Ms e a massa dasfibras do geotêxtil Mfnef – porosidade efectiva Propriedades do geotêxtil: 600g/m2; t = 4,6mm; n = 0,89 (porosidade); O95=0,060mm; df=0,0250mm(diâmetro da fibra do geotêxtil) (Gardoni, 2000)

Figura 2.11 – Influência das tensões normais. aplicadas aos geossintéticos (adaptado de Palmeira e

Gardoni, 2000).

É importante notar que a presença de partículas de solo na estrutura do geotêxtil,

embora reduzindo a sua permeabilidade, pode não ser prejudicial para a sua

transmissividade, já que a rigidez das partículas de solo conferem alguma rigidez ao

geotêxtil, reduzindo a sua compressibilidade (Palmeira e Gardoni, 2000).

Quando várias funções em simultâneo têm que ser conjugadas para um geossintético,

como é na estabilização do solo de fundação em linhas-férreas, duas propriedades

governam a sua capacidade de filtragem: a dimensão aparente dos poros e a

permeabilidade. A dimensão aparente dos poros (AOS- “Aparent Opening Size”)

controla a capacidade do geossintético na retenção das partículas de solo. A

permeabilidade mede a facilidade com que se estabelece o fluxo de água, quer ao

longo do plano do geossintético (transmissividade), quer através do geossintético

(permissividade).

O Quadro 2.10 mostra uma classificação das propriedades hidráulicas para aplicações

em estabilização de solos de fundação, segundo Lawson 1995. Este quadro encontra-se

dividido em três grandes grupos, de acordo com o regime de filtragem: filtragem

negligenciável; filtragem laminar; filtragem dinâmica. Os valores apresentados foram

63


obtidos a partir de uma compilação de dados de projectos, considerados de boa

prática corrente nos Estados Unidos.

Quadro 2.10 – Classificação das propriedades hidráulicas para estabilização de solos de fundação

(adaptado de Lawson, 1995).

Abertura dos poros Permeabilidade

Categoria AOS1

O95

Permissividade2

ψ(s-1)

Transmissividade3

Q50(L.m-2.s-1)

1) A separação é a principal função e a

filtragem é negligenciável. O95≤0,5mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5

2) A separação e filtragem são relevantes

e o regime é laminar:

a) o solo a filtrar é

predominantemente granular; O95≤ d854 ψ≥ 0,5 Q50≥ 25

b) o solo a filtrar é

predominantemente siltoso; O95≤ 2d854 ψ≥ 0,5 Q50≥ 25

c) o solo a filtrar é

predominantemente coesivo. O95≤ 0,15mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5

3) As funções de filtragem e separação

são relevantes, e é necessária a

prevenção do fenómeno”pumping”.

O95≤ 0,085mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5

Notas: 1 Medida de acordo com ASTM D 4751; 2 Medida de acordo com ASTM D 4491; 3 Medida de acordo com ASTM D 4491, com uma carga hidráulica de 50mm; 4 d85 - Dimensão do solo de base tal que, 85% das partículas têm dimensões inferiores.

Quando a função de filtragem é negligenciável, admitem-se poros bem abertos,

baseados no valor de AOS e, em simultâneo, são usados valores de permeabilidade

baixos. Quando a filtragem é laminar, o geossintético comporta-se de maneira

idêntica a um filtro granular, e aplicam-se critérios hidráulicos idênticos de acordo

com o tipo de solo a ser filtrado. Quando são susceptíveis de ocorrer fenómenos de

bombeamento por acção de cargas de carácter cíclico, a prática corrente é limitar

tanto o valor de AOS como a permeabilidade do geossintético (Cope, 1993).

2.5 DURABILIDADE DOS GEOSSINTÉTICOS

A questão da durabilidade dos geossintéticos é a mais abordada quanto ao cepticismo

que ainda se coloca relativamente à utilização de geossintéticos em obras de grande

envergadura e responsabilidade. De facto, a utilização com carácter sistemático dos

geossintéticos remonta ainda aos anos 70 do séc XX, o que, comparativamente aos

64


materiais tradicionais, os solos, é ainda muito recente. No entanto, as provas dadas

até à data mostram que os geossintéticos, quando correctamente dimensionados, não

comprometem a vida útil da obra.

Desde a existência dos geossintéticos que se tem apostado em estudar quais as causas

que levam a que, em algumas obras, a degradação destes seja mais acelerada do que

o previsto. Assim, tem vindo a atribuir-se estas degradações aceleradas a três tipos de

acções:

transporte, manuseamento e colocação em obra inadequados;

evolução da própria matéria que constitui o geossintético;

acção de agentes mecânicos (fluência e relaxação), químicos, físicos e

biológicos.

Transporte, manuseamento e colocação em obra inadequados

No que toca às acções referidas, existem já procedimentos laboratoriais (ensaio de

danificação durante a instalação) que permitem estimar a perda de resistência sofrida

pelos geossintéticos, em função do material e equipamento de compactação a utilizar.

Uma vez que este tipo de danificação pode comprometer as funções que o

geossintético vai desempenhar, e mesmo o seu comportamento mecânico de curto e

longo prazo, é de primordial importância que realize este tipo de ensaio, adequando-o

às condições verificadas “in situ”.

As operações de remoção, preparação da superfície, manuseamento e colocação do

geossintético, espalhamento e colocação do solo não são suaves e, na maioria dos

casos, são realizados por trabalhadores pouco sensíveis à delicadeza destas operações

(Greenwood, 1998). No sentido de promover uma correcta forma de instalação do

material em obra, existem procedimentos, considerados adequados, que procuram

minorar as danificações nos geossintéticos.

De acordo com a GMA (Geosynthetic Material Association), a forma correcta de

proceder à instalação de geossintéticos em obras de Vias de Comunicação,

desempenhando estes funções de separação, estabilização e reforço de fundações é a

seguinte:

- preparar a base ou superfície onde vai ser colocado o geossintético, removendo

objectos cortantes pontiagudos, ou pedras de grandes dimensões;

65


- desenrolar o geossintético sobre essa superfície, mantendo-o na correcta posição

com a ajuda de pinos, solo ou pedras colocados nas extremidades do geossintético;

- os geossintéticos adjacentes devem ser sobrepostos aos anteriormente colocados e,

se necessário, dependendo da resistência do solo de fundação, cosidos; assim, são

aconselhadas as sobreposições indicadas no Quadro 2.11, em função da resistência do

solo de fundação (CBR):

Quadro 2.11– Sobreposições aconselhadas de acordo com a resistência do solo de fundação (adaptado de

G.M.A.).

Resistência do solo

de fundação (CBR)

Sobreposição directa

(cm)

Costura da

sobreposição (cm)

<1 - 23

1-2 97 20

2-3 76 8

>3 60 -

- a deposição do material granular sobre o geossintético pode ser feita por descarga

directa a partir de camiões e depois espalhada, no caso de solos de fundação firmes;

para solos com baixa capacidade de suporte, a descarga deve ser feita sobre o

material granular previamente descarregado e só posteriormente espalhado sobre o

geossintético;

- nas operações de compactação, em especial com cilindros vibratórios, deve ser

garantida uma espessura mínima de agregados de 30 cm sobre o geossintético.

Evolução da própria matéria que constitui o geossintético

Quanto à evolução da matéria, pode dizer-se que sendo os polímeros (matéria-prima

dos geossintéticos) sintéticos é considerado que a duração de vida destes não é posta

em causa, no entanto, podem sofrer alterações ao nível da sua estrutura interna, sem

que isso implique, "à priori", degradação do geossintético.

Acção de agentes mecânicos (fluência e relaxação), químicos, físicos e biológicos.

As acções externas do tipo mecânico que podem comprometer a durabilidade dos

geossintéticos a longo prazo são fundamentalmente a fluência e a relaxação que

correspondem, respectivamente, ao aumento da deformação sob tensão constante e à

66


diminuição da tensão para uma taxa de deformação constante. Este tipo de

fenómenos ocorre pelo facto de os polímeros constituintes dos geossintéticos exibirem

um comportamento elasto-visco-plástico, dependentes do tempo, carga e

temperatura.

A fluência, embora causada por acções externas, normalmente do tipo estático, deve-

se a factores internos, ao nível do polímero, por deslizamentos entre cadeias

poliméricas. A razão destes deslocamentos relativos é função dos agentes exteriores

(força aplicada e temperatura do meio), da estrutura molecular que constitui o

filamento, da intensidade das forças coesivas intermoleculares e ainda da estrutura do

próprio geossintético. A relaxação é normalmente motivada por solicitações

alternadas ou do tipo cíclico, e deve-se essencialmente ao tipo de estrutura do

geossintético e do seu processo de fabrico.

Hoedt (1986), através de ensaios de fluência sobre geossintéticos realizados para

níveis de tensão de cerca de 20 e 60% da sua resistência à tracção, verificou a

sensibilidade dos 4 tipos de polímeros mais utilizados a fenómenos de fluência. Assim,

constatou a maior sensibilidade do polietileno, seguida do polipropileno, poliamida e

do poliéster.

Nas acções físico-químicas estão incluídas: as degradações fotoquímicas (radiações

solares UV) que provocam a quebra das ligações químicas nas macromoléculas dos

polímeros, reduzindo a resistência do geossintético, e as degradações térmicas

(fundamentalmente aumentos de temperatura) que aceleram a velocidade das

reacções químicas e consequentemente a degradação dos polímeros. Associada à

degradação térmica está muitas vezes presente o elemento oxigénio, pelo que a

reacção passa a ser do tipo termo-oxidativa. Este tipo de acções é geralmente

provocado pelos agentes atmosféricos e o maior grau de exposição a estes agentes

ocorre numa fase prévia à instalação dos geossintéticos em obra, em que os

geossintéticos são armazenados em estaleiro.

Relativamente às degradações fotoquímicas (radiações UV) assume especial relevância

o tipo de polímero constituinte do geossintético e o tipo de ligação dos componentes.

Estudos de Lopes et al. (2001) durante 30 semanas de exposição sobre 5 tipos de

geotêxteis, 4 em polipropileno e 1 em poliéster, mostram que o polipropileno é mais

sensível à acção dos raios UV e que os geotêxteis não tecidos com filamentos curtos

termoligados são muito mais sensíveis que os geotêxteis não tecidos agulhados.

67


Mostram ainda que a adição de aditivos anti UV nos materiais em polipropileno é

determinante na melhoria do seu comportamento em termos de resistência, chegando

mesmo a ser comparável aos em poliéster.

O aumento da temperatura, como é sabido, acelera a velocidade com que se dão as

reacções químicas, favorecendo assim a degradação dos polímeros. Naturalmente que

existem polímeros mais sensíveis aos fenómenos de degradação térmica. Assim,

segundo Pilarczyk (2000), os polímeros mais sensíveis às degradações térmicas são o

polietileno e o polipropileno, sendo o poliester e a poliamida menos sensíveis, como

se pode ver na Figura 2.12.

0

50

100

150

-20 0 20 40 60 80 100t (ºC)

%da

Res

istê

ncia

àT

racç

ãoa

20 ºC

PolietilenoPoliamidaPoliésterPolipropileno

0

50

100

150

-20 0 20 40 60 80 100t (ºC)

%da

Res

istê

ncia

àT

racç

ãoa

20 ºC

PolietilenoPoliamidaPoliésterPolipropileno

Figura 2.12 – Efeito da temperatura na resistência à tracção dos polímeros constituintes (adaptado de Pilarczyk, 2000).

Tal como com a temperatura, também o aumento da quantidade de oxigénio presente

no meio acelera a degradação dos geossintéticos (Figura 2.13).

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

20

40

60

80

100

120

140

70ºC,8%O2

80ºC,8%O2

70ºC,21%O290ºC,8%O280ºC,21%O2

90ºC,21%O2

Exposição (dias)

Res

istê

ncia

retid

a (%

)

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

20

40

60

80

100

120

140

70ºC,8%O2

80ºC,8%O2

70ºC,21%O290ºC,8%O280ºC,21%O2

90ºC,21%O2

Exposição (dias)

Res

istê

ncia

retid

a (%

)

Figura 2.13 – Influência da quantidade de oxigénio presente na degradação dos geossintéticos (adaptado

de Salman et al., 1998).

68


Santos et al. (2002) estudou laboratorialmente as degradações termo-oxidativas em

geossintéticos constituídos por polipropileno e poliéster, tendo constatado que existe

sensibilidade dos polímeros a esta degradação, mas que não é muito significativa,

tendo-se verificado (Figura 2.14) uma perda de resistência à tracção de cerca de 2%

para o poliéster e cerca de 9% para o polipropileno.

ReferênciaDanificada

6

10

12

8

Res

istê

ncia

à tra

cção

(kN

/m)

PET PP

16,015,7

14,012,8

a)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PP

73 7580

68

b)

14

16

ReferênciaDanificadaReferênciaDanificada

6

10

12

8

Res

istê

ncia

à tra

cção

(kN

/m)

PET PP

16,015,7

14,012,8

a)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PP

73 7580

68

b)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PP

73 7580

68

b)

14

16

Figura 2.14 – Degradação termo-oxidativa em geotêxteis não tecidos em polipropileno e em poliéster

(adaptado de Santos et al., 2002).

As acções químicas e bacteriológicas surgem maioritariamente como resultado do

contacto do geossintético com o solo envolvente, quando colocado em obra. Assim, as

acções químicas surgem quando o polímero constituinte do geossintético apresenta

reactividade ao oxigénio, iões metálicos, ácidos, bases, solventes e água. Essa

reactividade traduz-se numa quebra de ligações químicas com a consequente

diminuição do comprimento das cadeias moleculares e alteração química das cadeias

pela exclusão ou inclusão de novas moléculas. A susceptibilidade dos geossintéticos a

estas acções depende, naturalmente, do tipo de polímero que constitui o

geossintético.

Estudos laboratoriais de Santos et al. (2002) sobre geotêxteis não tecidos em poliéster

e polipropileno em soluções ácidas e alcalinas mostram pouca sensibilidade dos

materiais a soluções ácidas (Figura 2.15) e uma importante sensibilidade dos materiais

a soluções alcalinas (Figura 2.16).

69



6

10

12

8R

esis

tênc

iaà

tracç

ão(k

N/m

)

PET PPa)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PPb)

14

16

7776

8286

15,014,6

12,012,2


6

10

12

8R

esis

tênc

iaà

tracç

ão(k

N/m

)

PET PPa)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PPb)

14

16

7776

8286

8286

15,014,6

15,014,6

12,012,212,012,2

Figura 2.15 – Efeito de soluções ácidas em geotêxteis não tecidos em PP e PET (adaptado de Santos et

al., 2002).


6

10

12

8

Res

istê

ncia

à tra

cção

(kN

/m)

PET PPa)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PPb)

14

16

10

Rig

idez

(kN

/m2 )

PET PPc)

12

14

16

18

20

22

82 82

15,0

12,0 11,9

20,5

11,014,6 14,5

73 72

7,9


6

10

12

8

Res

istê

ncia

à tra

cção

(kN

/m)

PET PPa)

90

5040

807060

Def

orm

ação

(%)

PET PPb)

14

16

10

Rig

idez

(kN

/m2 )

PET PPc)

12

14

16

18

20

22

82 82

15,0

12,0 11,9

20,5

11,014,6 14,5

73 7273 72

7,97,9

Figura 2.16 – Efeito de soluções alcalinas em geotêxteis não tecidos em PP e PET (adaptado de Santos et

al., 2002).

As acções de carácter biológico são consequência da presença de micro-organismos no

meio onde está colocado o geossintético. Estes micro-organismos podem atacar os

polímeros ou mesmo até os aditivos, deixando os geossintéticos vulneráveis à

degradação. Podem ainda, na referida decomposição, dar origem ao desenvolvimento

de produtos nocivos aos constituintes poliméricos. No entanto, estudos realizados até

ao momento apontam para uma boa resistência biológica dos polímeros mais comuns

no fabrico de geossintéticos. Como justificação desta constatação experimental

aponta-se o facto de os micro-organismos consumirem somente as fracções

poliméricas de muito baixo peso molecular, o que faz com que as propriedades dos

plásticos não sejam praticamente afectadas (Lopes, 1992).

70

CAPÍTULO 3

APLICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS EM LINHAS-FÉRREAS

3.1 INTRODUÇÃO

As linhas-férreas têm sido em Portugal, e um pouco por toda a Europa, alvo de

importantes mudanças nos últimos anos. Isto tem-se traduzido na reabilitação de

muitas linhas e na construção de novas linhas. Tal como nas obras rodoviárias,

também nas obras ferroviárias a aplicação de geossintéticos se tem mostrado uma

solução técnica e economicamente atractiva, especialmente no caso de reabilitação

de linhas.

A aplicação de geossintéticos em linhas-férreas é já feita com com bastante sucesso

noutros países tal como os Estados Unidos, França e Inglaterra desde os anos 70. No

entanto, em Portugal esta aplicação tem um carácter ainda relativamente recente, o

que leva a que o conhecimento nesta área não seja ainda grandemente sustentado.

Surge então a necessidade de aprendizagem do conhecimento adquirido noutros

países, verificando o potencial de aplicação ao caso Português.

As vantagens de aplicação de geossintéticos às linhas-férreas que reunem o maior

consenso entre a literatura da especialidade são as seguintes:

permitir aumentar os intervalos de manutenção do material da camada de

balastro;

controlar o fenómeno de contaminação do balastro;

permitir reduzir os deslocamentos horizontais e transversais da camada de

balastro;

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas

reduzir os asssentamentos diferenciais na camada de balastro;

minorar o impacto ambiental, associado à exploração de pedreiras;

reduzir os custos iniciais e de exploração;

maior disponibilidade de materiais e maior facilidade e rapidez de aplicação.

Considera-se aplicação de geossintéticos em linhas-férreas a inclusão destes ao nível

da superestrutura da ferrovia (conforme Capítulo 1), ainda que estes possam, como

muitas vezes o são, ser utilizados no corpo dos aterros que suportam a estrutura.

Ao longo deste capítulo será analisado o comportamento de diversos geossintéticos

no desempenho de determinada função, quando aplicados em linhas-férreas.

Seguidamente à análise do desempenho dos geossintéticos nas suas funções serão

analisados os estudos laboratoriais existentes, relativos aos fenómenos de

danificação em estudo na presente dissertação: a abrasão e a danificação durante a

instalação dos geossintéticos aplicados na estrutura ferroviária.

3.2 DESEMPENHO DE GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS FERROVIÁRIAS

A aplicação de geossintéticos em obras ferroviárias apresenta algumas

especificidades quando comparado com outras aplicações. Estas especificidades

resultam do carácter cíclico que as solicitações apresentam, da granulometria e

forma do material que contacta directamente com os geossintéticos (balastro) e do

carácter abrasivo a que o geossintético está sujeito. Os estudos que até agora têm

sido realizados dividem-se em estudos laboratoriais a pequena escala, a escala real,

e em estudos realizados "in situ". Entendeu-se que seria de interesse mostrar uma

panorâmica relativamente aos estudos realizados para esta aplicação, e dentro

desta, para cada função especificamente.

3.2.1 Desempenho de Geotêxteis em Separação e Filtragem/Drenagem

O tipo de geossintéticos usados no desempenho desta função são essencialmente os

geotêxteis. Dentro destes, é analisada a influência do tipo de estrutura face ao solo

de fundação e o seu comportamento a longo prazo (colmatação dos poros).

Um dos factores de grande relevância no estudo do desempenho dos geotêxteis em

obras ferroviárias na função de filtragem /drenagem é o carácter dinâmico (cíclico)

que as cargas apesentam.

72


3.2.1.1 Estudos laboratoriais em pequena escala

Os estudos de pequena escala tentam essencialmente “isolar” a influência de vários

parâmetros no desempenho dos geotêxteis, como a frequência, o grau de colmatação

do geotêxtil, o tipo de solo de fundação e o tipo de geotêxtil .

Bell et al. (1982) avaliou a capacidade de separação de vários geotêxteis colocados

entre agregados de 20mm e siltes compactos de baixa plasticidade, sujeitos a

carregamentos cíclicos com 5Hz de frequência numa gama de tensões de 25-75KPa. A

duração dos carregamentos foi de 24h, o que corresponde a cerca de 432 000 ciclos

de carga. Os autores concluíram que a contaminação dos agregados e a colmatação

do geotêxtil estavam relacionadas com a razão entre as dimensões das partículas de

solo D85 e a dimensão característica dos poros do geotêxtil O95. Os seus resultados

confirmaram um dos critérios de retenção utilizados (O95 <D85), já que quando tal se

verificava, o nível de contaminação era mínimo. Adicionalmente, foram realizadas

medições de pressões intersticiais, indicando que associados a elevadas taxas de

dissipação das pressões intersticiais estavam elevados níveis de colmatação. Por fim,

os seus resultados mostraram que os finos presos na estrutura do geotêxtil não tecido

se concentravam por baixo dos pontos de contacto com os agregados.

Esta última observação, da maior concentração de finos por baixo dos pontos de

contacto dos agregados, foi já confirmada por vários autores (Lafleur et al., 1990),

que a justificam pela mudança na estrutura do geotêxtil sob tensão. Estes mesmos

autores, realizando ensaios com geotêxteis não tecidos, sujeitos a cargas cíclicas

numa célula de consolidação (Figura 3.1) com agregados de 2 e 6mm, observaram

uma mudança na distância entre fibras da estrutura do geotêxtil sob tensão,

conforme este se encontre por baixo ou entre partículas de agregado. Assim,

seguindo a técnica desenvolvida por Masounave et al. (1980) para análise da referida

distância entre fibras foi feita a impregnação da amostra de geotêxtil com resina e

posterior análise da sua microfotografia. Os resultados desse estudo permitiram

retiras as seguintes conclusões: sendo a distância entre pontos de contacto na

superfície do geotêxtil sensivelmente idêntica ao diâmetro das partículas do

agregado, vem que as tensões induzidas pelo agregado de 6mm são nove vezes

superiores às do de 2mm, já que os pontos de contacto por área unitária de

superfície são nove vezes inferiores. Assim, a modificação da estrutura do geotêxtil é

directamente proporcional à razão entre a dimensão média dos agregados e a

espessura do geotêxtil.

73


Solo de fundação

Geossintético

Nível de águaSub-base

Pistão de carregamento

Figura 3.1 – Célula de consolidação (adaptado de Lafleur et al.,1990)

Tendo as partículas de balastro dimensões da ordem dos 31,5-63mm, pode dizer-se

que a relação entre a área de contacto das partículas e o geotêxtil, face à área entre

pontos de contacto, é muito baixa, o que significa que a mudança da estrutura do

geotêxtil é também muito baixa, logo poderá considerar-se desprezável a mudança

de estrutura do geotêxtil.

Hoare (1982) realizou ensaios para avaliar o comportamento de três geotêxteis na

separação de agregados de 20mm e o solo de fundação (argila plástica), com níveis

de tensão de 10-30 e 25-75kPa e frequências na gama 0,5-10Hz. O número de ciclos

variou entre 13500 a 216000. As conclusões do autor foram que a contaminação é

função do nível de tensão, aumentando logaritmicamente com o número de ciclos

(ainda em progressão ao fim de 216000 ciclos); a gama de frequências estudada não

mostrou grande influência ao nível da contaminação .

Estudos relativos à influência da frequência no grau de contaminação (Lafleur et al.,

1990) mostram a variação do coeficiente de permeabilidade em função da frequência

(1-10Hz), para diferentes tipos de solos de fundação S1 e C3, corespondendo estes

respectivamente a um silte não plástico e a uma argila plástica. O geotêxtil utilizado

era um não tecido agulhado com as seguintes características: massa por unidade de

área (m.u.a.)-180g/m2; O90-180mm; t –1,9 µm. Nos resultados da Figura 3.2 pode

ver-se que a variação da frequência não produz efeitos significativos na

permeabilidade do geotêxtil (nível de contaminação), sendo esta última muito mais

influenciada pelo tipo de solo de fundação utilizado. As conclusões relativas à

influência da frequência vão de encontro às obtidas por Hoare (1982).

74


Frequência(Hz)1 5 10

0.1

Geotêxtil virgem

Geotêxtil colmatado

S1

C3

15mm

6mm

C3

Perm

eabi

lidad

e do

geo

têxt

il (1

0^-3

m/s

)

S1

0.2

0.3

0.4

0.5

1

2

3

6mm

2mm

Figura 3.2 – Decréscimo de permeabilidade versus Frequência (adaptado de Lafleur et al.,1990).

Lafleur (1990), utilizando os mesmos materiais do estudo anterior, analisou a

influência do tipo de solo de fundação no grau de contaminação do geotêxtil, tendo

concluído, como se pode ver na Figura 3.3, que a redução mais acentuada na

permeabilidade do geotêxtil se verificou para o solo C3. O maior grau de colmatação

provocado pelo solo C3 deve-se, segundo o autor, à maior área específica das

partículas de argila, que oferecem maior resistência ao fluxo de água.

Massa por unidade de área de partículas no interior do geotêxtil(g/m2)

0 200 400 600 800

0.3

0.40.5

1

2

3

Perm

eabi

lidad

e do

geo

têxt

il(10

^-3

m/s

)

C3

S1

S1

C3

Figura 3. 3 – Permeabiblidade versus nível de contaminação (adaptado de Lafleur et al.,1990).

Estudos que pretendem dar a conhecer a influência do grau de compactação do solo

de fundação realizados por Loubinoux et al.(1982) e Faure et al.(1984) mostram que

no caso de materiais granulares, sem coesão, sujeitos a solicitações dinâmicas de

compactação, o principal parâmetro a considerar para assegurar a retenção do solo

75

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas pelo geossintético é a dimensão do agregado. Assim, se a abertura de filtragem do

geossintético for inferior a duas vezes a dimensão do agregado O90<2D85, forma-se

uma estrutura granular estável em contacto com o filtro mesmo em condições

dinâmicas. No entanto, para solos finos, com coesão, a simples comparação da

abertura característica do geossintético com a dimensão do agregado não é

suficiente, já que a coesão e o grau de compactação do solo desempenham um

importante papel.

Faure e Imbert (1996) mostraram a influência da compacidade do solo de fundação,

da estrutura do geossintético e do grau de saturação da camada granular no

comportamento da estrutura ferroviária. A análise foi feita em termos de grau de

contaminação do balastro. Neste sentido importa, talvez, conhecer com mais detalhe

o estudo realizado.

Os ensaios foram realizados em argilas compactas e em argilas moles com vários

geotêxteis e com um grau de saturação variável do solo de fundação:

- argilas compactas

O equipamento utilizado pelos autores consistia num pistão acoplado a motores com

rodas excêntricas, que aplicava cargas a uma amostra contida num recipiente. Este

equipamento (Figura 3.4) é capaz de aplicar na amostra tensões até 200kPa à

frequência de 25 ou 50Hz.

Motores de rodas excêntricas

Transdutor de cargaTransdutor de deslocamento

Argila

Figura 3.4 – Equipamento utilizado em argilas compactas (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

A amostra era constituída por 2 camadas que podiam, ou não, ser separadas por um

geossintético. As duas camadas pretendiam ser representativas do solo de fundação e

da camada granular que constitui o balastro/sub-balastro. As suas composições eram:

76


- camada granular 0/20, 100% britada e limpa de impurezas, de basalto, sobre

- camada de argila ocre (80%>40µm) da classe A2 (de acordo com a norma Francesa

NF Para 11300), representativa de grande parte do solos argilosos encontrados em

França.

A espessura destas 2 camadas era de cerca de 120mm, na altura de colocação. Em

todos os ensaios a argila apresentava um grau de compactação superior a 90%, e a

duração dos ensaios era de 48h. O agregado apresentava um teor em água de 8 a

10%.

Os geotêxteis ensaiados eram não-tecidos, um agulhado (340g/m2 e O90=90µm) e

outro termoligado (280g/m2 e O90=40µm). Os resultados dos ensaios podem ver-se na

Figura 3.5, dos quais se conclui relativamente à altura a que sobem os finos que:

- a aplicação de geotêxteis reduz, efectivamente a altura a que sobem os finos;

- o agulhado mostra ser o mais eficaz, com uma redução de 2/3 relativamente ao

termoligado.

γd NOP

Altura da subida de finos(mm)

Peso específico da argila(KN/m3)

10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

35

40

Termoligado

Agulhado

Sem geotêxtil

Figura 3.5 – Influência dos geotêxteis na subida de finos (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

Um segundo estudo no mesmo equipamento foi efectuado com uma amostra

saturada, estado representativo de um sistema de drenagem deficiente da estrutura,

tendo-se verificado que, independentemente do solo de fundação ser

adequadamente compactado, grandes quantidades de argila contaminam o balastro,

não havendo praticamente melhorias de comportamento pela colocação de

geotêxteis.

77

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas - argilas moles

Nestes ensaios, o geotêxtil mostrou desempenhar um papel muito importante,

especialmente para os solos com grau de compactação insuficiente e elevado teor em

água. Os geotêxteis utilizados foram os que a seguir se apresentam no Quadro 3.1.

Quadro 3.1- Propriedades dos geotêxteis utilizados (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

Geotêxtil Descrição M.u.a (g/m2)

Dimensão característica dos

poros (peneiração

hidrodinâmica)

PF(150,125) Não tecido agulhado 150 125



TP(136,20) Não tecido termoligado 136 20

TP(200,70) Não tecido termoligado 200 70

tPT(48,120) Tecido monofilamento 48 120

AM(230,105) Fita tecida 230 105

O equipamento utilizado foi um odómetro, semelhante ao apresentado na Figura 3.1,

tendo os geotêxteis sido colocados entre uma camada de 0,10m de argila, a mesma

utilizada nos ensaios anteriores, e uma camada de esferas de vidro de 10mm. O uso

de esferas de vidro permite uma fácil recolha do material que atravessa o geotêxtil.

A amostra foi comprimida simetricamente por dois pistões e aplicada uma carga

cíclica de 100kPa a uma frequência de 1Hz durante 40 000 ciclos. A argila era

saturada e ligeiramente consolidada, apresentando as seguintes propriedades:

- γd=11KN/m3

- W=48%

- Wl=53%

As principais conclusões retiradas foram as seguintes:

- relativamente à massa de solo movimentada (soma da massa presa na estrutura do

geotêxtil com a que o atravessa), pode ver-se na Figura 3.6 que, abaixo dos 10 000

ciclos, os termoligados funcionam melhor a conter a argila que os agulhados, isto

para geotêxteis com a mesma m.u.a. e dimensão característica dos poros; para além

dos 10 000 ciclos, os termoligados são menos eficientes e os movimentos de solo

aumentam;

78


Número de ciclos1000

010000 100000

Não tecido termoligado

Não tecido agulhado

TP(200,70)

TP(68,330)

PF(320,75)

PF(220,90)

PF(150,125)

TP(136,120)

Massa de solo movimentada/(n.Of.Tg)(106kg/m4)

5

10

15

20

25

30

35

40

Figura 3.6 – Variação da massa de solo movimentada com o número de ciclos (n: porosidade;

Tg:espessura; Of: Dimensão aparente dos poros do geotêxtil). (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

- a massa de solo que atravessa os agulhados parece ser proporcional ao número de

ciclos, em escala logarítmica (Figura 3.7); quanto aos termoligados, e outros

geotêxteis, a taxa de solo que os atravessa aumenta consideravelmente entre os

5 000 e os 10 000 ciclos, sendo esse aumento mais significativo para os termoligados

(o autor considera necessário realizar ensaios para um maior número de ciclos para

que se possa confirmar a referida tendência); a massa de solo que atravessa o

geotêxtil é, no fundo, o que condiciona o comportamento a longo prazo da camada

granular (representativa do balastro), visto que constitui a fonte de contaminação,

logo, potencialmente, os agulhados revelam alguma vantagem no comportamento a

longo prazo.


010000 100000

TP(200,70)

PF(320,75)

PF(220,90)

PF(150,125)

Massa de solo que atravessa o geotêxtil (kg/m2)

0,5

1

1,5

2

tPT(48,120)

tTP(48,120)

TP(136,120)

SC(150,90)

AM(230,105)

79


Figura 3.7 – Influência do tipo de estrutura na massa de solo que atravessa o geotêxtil. (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

- relativamente à quantidade de solo presa no interior da estrutura dos geotêxteis, os

agulhados revelam maior capacidade (Figura 3.8); isto é consequência da sua maior

espessura para a mesma m.u.a., comparativamente aos outros tipos de geotêxteis.;

por outro lado, no que respeita à evolução da taxa de poluição, definida na Figura

3.9 através da relação massa de solo/(n.Tg) - em que (n.Tg) representa o volume de

vazios- os agulhados apresentam melhor comportamento a longo prazo do que os

termoligados, revelando os termoligados tendência para a colmatação com a

formação de uma barreira impermeável.


010000 100000

TP(200,70)

PF(320,75)

PF(220,90)

PF(150,125)

Massa de solo presa na estrutura do geotêxtil (kg/m2)

TP(136,120)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Agulhado

Termoligado

TP(68,330)

Figura 3.8 – Quantidade de solo presa no interior da estrutura do geotêxtil (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

Número de ciclos

PF(150,125)

PF(220,90)

PF(320,75)

TP(68,330)

TP(200,70)

TP(138,120)

1000 10000 1000000.0

0.1

0.2

0.3

0.5

0.6

0.7

0.4

0.8

0.9

Termoligado

Agulhado

Massa de solo presa/n.Tg (10-3 kg/m3)

Figura 3.9 – Evolução da taxa de poluição com o número de ciclos (adaptado de Faure e Imbert, 1996).

80


3.2.1.2 Estudos Laboratoriais em escala real

Um dos equipamentos utilizados neste tipo de estudos, e do qual mais

frequentemente se faz referência na bibliografia é o “Vibrogir”, representado

esquematicamente na Figura 3.10. Este equipamento é utilizado pela companhia

ferroviária Francesa SNCF (Société Nationale dês Chemins de fer Français) para

simulação das cargas resultantes do tráfego ferroviário. Assim, a uma travessa de via

férrea é aplicada uma carga de 20 toneladas a uma frequência de 50Hz.

Pode considerar-se que 10 horas de solicitações no “Vibrogir” corresponde

aproximadamente a um tráfego diário de 100 000 toneladas (Nancey e Imbert, 2002).

Figura 3.10 - Esquema representativo do equipamento em escala real “Vibrogir” (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).

Estudos realizados neste equipamento por Faure e Imbert (1996), na sequência de

estudos em pequena escala (já referidos anteriormente), sobre os mesmos tipos de

geotêxteis, colocados entre o solo de fundação e o sub-balastro, com uma m.u.a

variável entre os 280 e as 420g/m2, mostram conclusões de interesse, e que passam a

apresentar-se:

- os geotêxteis tecidos mostram zonas danificadas com corte de fibras;

- os três geotêxteis não tecidos termoligados ensaiados mostram-se praticamente

impermeáveis nos testes com solicitações dinâmicas (à semelhança dos ensaios em

pequena escala);

- todos os geotêxteis não tecidos agulhados mantiveram a mesma permissividade,

independentemente do tipo de solo de fundação ensaiado, que variou entre argila,

81

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas argilo-arenoso e margas; todos os solos apresentavam um grau de compactação de

95%;

- após 200 horas de utilização do equipamento, o nível de contaminação do sub-

balastro estava limitado à altura de 3-4cm para os geotêxteis não-tecidos agulhados;

com recurso a ensaios de azul de metileno para determinação da percentagem de

partículas contaminantes no sub-balastro, constatou-se que nos agulhados de 320 e

400g/m2 a percentagem de partículas contaminantes eram de 18 e 10%,

respectivamente; os valores verificados para os termoligados são inferiores, de 4 a

8%, no entanto são uma consequência da sua total colmatação, transformando-se

numa barreira impermeável.

Estudos de Nancey e Imbert (2002) realizados no mesmo equipamento sobre

geotêxteis com especificações, de acordo com as de Raymond (1999) para caminhos

de ferro Norte Americanos, no contexto dos caminhos de ferro Franceses e Europeus,

consideraram uma duração de carregamento, que variou entre 20h (em condições

secas e saturadas), e 80,120, e 200h para condições secas. As principais conclusões

do estudo foram as seguintes:

- por observação visual, nas 20h para condições saturadas, foi vista uma grande

quantidade de finos (esta conclusão está de acordo com a de Faure e Imbert, 1996);

- relativamente à permissividade dos geotêxteis, verificou-se um ligeiro decréscimo,

para a níveis aceitáveis (Figura 3.11), não se tendo verificado a ocorrência de

colmatação;

Perm

issi

vida

de (

mm

/s)

0

2

4

6

12

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Duração do carregamento no "Vibrogir"

14

Figura 3.11– Evolução da permissividade (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).

82


- a transmissividade do geotêxtil sofreu um pequeno decréscimo inicial (Figura 3.12),

mantendo-se na restante duração do carregamento com um valor sensivelmente

constante.

0

20kPa 200kPa

(10-

6m2/

s)

0

2

4

6

8

10

12

20 40 60 80 100 140120 160 180 200 220Duração do carregamento no "Vibrogir"

Figura 3.12 – Evolução da transmissividade (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).

3.2.1.3 Estudos realizados “in situ”

Numerosos estudos "in situ" têm vindo a ser realizados nos caminhos de ferro Norte

Americanos desde os anos 80, com o objectivo de promover a reabilitação das zonas

mais problemáticas das suas linhas-férreas. Esta investigação tem sido levada a cabo

pela Universidade de Queen's (liderada por G.P.Raymond) para a C.N.R.(Canada

National Rail), C.P.R.(Canada Pacific Rail) e T.C.(Transport Canada). Vários

documentos, Raymond et al. (1981), Raymond e Gerry (1982), Raymond (1984),

Raymond (1985) e Raymond (1999), com recomendações, têm vindo a ser elaborados

com as propriedades a exigir aos geossintéticos para aplicação aos caminhos de ferro.

Raymond, G.(1999) exumou vários tipos de geotêxteis tecidos, não tecidos finos

termoligados, não tecidos agulhados com filamentos contínuos e descontínuos, todos

eles com m.u.a. inferior a 475g/m2. Os resultados mostraram que em sítios com

graves deficiências do sistema de drenagem todos os geotêxteis falharam na função

de separação e filtragem/drenagem, ao ponto de permitirem o bombeamento de

finos. Tal como constatado em Raymond (1984) os geotêxteis tecidos e os não tecidos

finos termoligados colmataram, agindo como impermeáveis, criando-se por baixo

destes uma fina película de lodo plástico (com finos<75µm). A análise à superfície do

solo de fundação indica que o geotêxtil indicado para esta utilização deve ser do tipo

não tecido agulhado com m.u.a superior a 500g/m2.

83

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Ashpiz et al.(2002) apresentam um estudo realizado na reabilitação da linha-férrea

St.Petersburg-Moskow que involveu a aplicação de geotêxteis com posterior

exumação ao fim de 1 e 5 anos de utilização. Nesta reabilitação, foram removidos 40

a 50cm do antigo balastro e colocado o geotêxtil sobre o balastro antigo

remanescente. O tipo de geotêxtil utilizado foi um não tecido termoligado com

m.u.a. 300g/m2. Adicionalmente à colocação do geotêxtil, foram colocadas na sua

interface camadas protectoras de areia.

As conclusões do referido estudo foram que a presença da camada de areia, para

além de camada protectora do geotêxtil, funciona como filtro, diminuindo a

quantidade de solo presa no geotêxtil. Ao fim de 5 anos de utilização, foi verificada

alguma contaminação do geotêxtil, tendo a permeabilidade de toda a estrutura

baixado cerca de 1,5 vezes. A contaminação verificada foi identificada como

proveniente da própria camada de balastro e algumas impurezas trazidas pelas águas

da chuva. Na base do balastro novo, a contaminação não mostrou ter significado,

provando assim a eficácia do geotêxtil.

3.2.1.4 Conclusões

Da análise dos estudos apresentados relativamente ao desempenho de geotêxteis em

separação e filtragem/drenagem algumas conclusões podem ser retiradas:

1. os níveis de contaminação, para solos de fundação granulares, estão

relacionados com a razão dimensão das partículas de solo/dimensão

característica dos poros do geotêxtil;

2. a elevadas taxas de dissipação de pressões intersticiais estão associados

elevados níveis de contaminação;

3. os solos de fundação com coesão e elevada percentagem de finos apresentam

maior potencial para a contaminação das camadas sobrejacentes;

4. os geotêxteis não tecidos agulhados são, daqueles aqui analisados, os que

melhor desempenho a longo prazo apresentam em funções de controlo da

contaminação;

5. uma maior m.u.a. e espessura dos geotêxteis não tecidos garante um melhor

desempenho no controlo do fenómeno de contaminação do balastro e

sobrevivência a fenómenos de danificação;

84


6. condições deficientes de drenagem têm, inevitavelmente, associadas elevados

níveis de contaminação;

7. as aplicações "in situ" confirmam a eficiência efectiva dos geotêxteis no

desempenho destas funções.

3.2.2 O Uso de Geomembranas na Impermeabilização da Plataforma Ferroviária

A solução de impermeabilização da plataforma ferroviária surge quando se está em

presença de solos sensíveis à acção da água, os quais, na presença desta tendem a

tornar-se plásticos, com diminuição das suas características resistentes, facilitando a

penetração do balastro. Esta solução é implementada, no pressuposto de que a água

que chega à plataforma é somente a da chuva, e que esta é drenada lateralmente,

ou seja, em condições eficientes de drenagem. Noutras situações, em que o nível

freático está próximo da superfície, especial atenção deve ser dada às condições de

drenagem, caso contrário, a solução será ainda pior que a situação inicial, visto que

permite a acumulação de água por baixo da impermeabilização, sem hipótese de ser

escoada no sentido ascendente, dando-se o amolecimento da fundação.

Assim, a primeira condição a verificar serão as condições hidráulicas e

hidrogeológicas do local. Se estas forem julgadas boas, pode fazer-se a aplicação

desta solução. O critério da S.N.C.F. para o nível freático, é que este esteja pelo

menos 2m abaixo da camada de balastro, podendo esta distância ser diminuída para

1m se o nível freático for rebaixado por um sistema de drenagem efectivo e sujeito a

boas condições de manutenção.

Para a impermeabilização da fundação, a solução que mais correntemente se utiliza

é a da aplicação de geomembranas. Esta solução para além de impermeabilizar o solo

de fundação também permite travar o fenómeno de contaminação do balastro

proveniente das camadas inferiores. A experiência com geomembranas tem-se

mostrado vantajosa técnica e economicamente.

3.2.2.1 Estudos laboratoriais

No sentido de conhecer qual o tipo de geomembrana que melhor desempenho

apresenta neste tipo de aplicação, têm vindo a ser realizados ensaios laboratoriais

em escala real. Na S.N.C.F., utilizando o “Vibrogir” já anteriormente apresentado,

foram realizados ensaios (Imbert et al., 1996) que simularam a passagem de tráfego

85

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas ferroviário correspondente a mais de 20 anos de utilização numa linha com grande

frequência de cargas pesadas. Diferentes tipos de geomembranas foram aplicados,

reagindo cada um desses tipos de maneira diferente. Umas são perfuradas

provocando fugas, outras deformam-se e cedem, formando depressões onde se

acumula a água da chuva. Os melhores resultados foram obtidos com geomembranas

betuminosas reforçadas, com mais de 5 mm de espessura. Estas geomembranas

betuminosas são obtidas pelo espalhamento de betume sobre um geotêxtil.

As conclusões do estudo foram que a geomembrana betuminosa permite às partículas

de balastro ficarem incrustadas na sua superfície, como se pode ver na Figura 3.13,

sem que estas deixem de ser impermeáveis. Consegue simultaneamente incrementar

o seu ângulo de atrito superficial, favorecendo a sua própria ligação à camada de

balastro. Para além de impermeabilizar o solo de fundação e favorecer a aderência à

camada de balastro, as geomembranas permitem travar o fenómeno da contaminação

da camada de balastro proveniente das camadas inferiores.

Figura 3.13 – Geomembrana betuminosa incrustada de partículas de balastro (adaptado de Imbert et al. 1996).

Estudos laboratoriais realizados por Tebay et al.(2002), num equipamento

desenvolvido pela Universidade de Leeds (Reino Unido) conforme se apresenta na

Figura 3.14, com dimensões próximas das reais, permitem simular o tráfego de

diferentes tipos de comboios. Como se pode ver na Figura 3.15, o equipamento

permite simular o tráfego de comboios de carga, passageiros e alta velocidade,

mediante a aplicação de diferentes cargas (até 120kN) com três actuadores

hidráulicos, a diferentes frequências (até 10Hz) durante 1 000 000 de ciclos.

86


Figura 3.14 – Equipamento para simulação de tráfego ferroviário (Tebay et al. 2002).

Índice de tempo

Índice de carga

0

20

60

40

80

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

a)Comboio de carga

Índice de carga

80

200

0

40

60

1Índice de tempo

0,2 0,4 0,80,6

100

b)Comboio de passageiros

Índice de carga

80

20

00

40

60

100

1Índice de tempo

0,2 0,4 0,80,6

c) Comboio de alta velocidade

Figura 3.15 – Perfil de carregamento das travessas (adaptado de Tebay et al. 2002).

Os ensaios foram realizados com uma camada de 800mm de balastro e outra de

500mm de argila separadas por uma geomembrana ou um geotêxtil. Em todos foi

adicionada água nos primeiros 200 000 ciclos simulando condições deficientes de

drenagem. Uma das principais conclusões do estudo foi que a inclusão da

geomembrana na interface balastro-fundação (solo argiloso) é extremamente eficaz

a manter o módulo de deformabilidade do solo de fundação, sendo este, ao fim de

1 000 000 de ciclos, 10 vezes superior quando comparado com a solução sem

geossintéticos. Outra conclusão de relevo é que a aplicação exclusiva de um geotêxtil

não é eficaz no comportamento a longo prazo, já que os finos acabam por ser

bombeados para a camada de balastro acabando por contaminá-la. Esta conlusão

vem confirmar a de Raymond (1999) para condições deficientes de drenagem.

3.2.2.2 Estudos realizados “in situ”

Uma das primeiras utilizações de geomembranas em caminhos-de-ferro é a descrita

num trabalho de Imbert et al. (1996) e data de 1973. Nesta aplicação foram

produzidos 40 000m2 de geomembrana “in situ”, pelo espalhamento de betume Shell

Mexphalte 100/40 à taxa de 10Kg/m2 sobre um geotêxtil. A sua colocação foi feita na

87

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas interface solo de fundação/sub-balastro. O sucesso desta e outras aplicações resultou

na produção deste tipo de geomembranas, em fábrica, a partir de 1974.

A S.N.C.F. fez uma aplicação deste produto na zona de Limoges (França),

directamente por baixo da camada de balastro, tendo a obra sido monitorizada

regularmente. Segundo a S.N.C.F., à data de publicação do trabalho (1996), a

geomembrana contava já com 20 anos de utilização e com um desempenho

considerado satisfatório.

Uma aplicação mais recente, descrita num estudo de Selig et al.(2002), de uma

geomembrana betuminosa reforçada – Coletanche NTP4 - confirma a sua eficácia na

resolução do problema de "amolecimento" do solo de fundação causado pela entrada

de água na plataforma. Maior detalhe relativamente a esta aplicação pode ser

consultado no referido estudo.

3.2.2.3 Conclusões

Do apresentado, podem retirar-se as seguintes conclusões principais:

1. o uso de geomembranas sobre solos de fundação sensíveis à água é eficaz a

manter o seu módulo de deformabilidade quando a água é proveniente das

camadas superiores;

2. as geomembranas betuminosas com espessura superior a 5mm permitem a

incrustação das partículas de balastro, sem deixarem de se manterem

impermeáveis, favorecendo a sua ligação à camada de balastro pelo aumento

do ângulo de artito superficial;

3. as geomembranas permitem travar o fenómeno da contaminação do balastro,

proveniente das camadas inferiores;

4. zonas com níveis freáticos considerados elevados, a distâncias inferiores a 2m

da camada de balastro, com condições de drenagem profunda deficientes

desaconselham o uso de geomembranas, podendo o uso destas comprometer o

funcionamento da estrutura.

3.2.3 Desempenho de Geogrelhas em Reforço

Actualmente, a superestrutura da via, isto é, os carris, o tipo e afastamento das

travessas, o sistema de aperto, etc., estão já num estado de desenvolvimento

considerado óptimo, e qualquer melhoria só poderia reduzir marginalmente (4 a 6 %)

88


o nível de tensões na plataforma. No entanto, as tensões ao nível da plataforma

podem ser drasticamente reduzidas com melhorias ao nível das camadas que

constituem a infraestrutra (Jain, V. e Keshav, K., 1999).

As geogrelhas são usadas para reforço da camada de balastro no sentido de diminuir

as deformações verticais permanentes que esta sofre durante a aplicação de cargas

cíclicas, controlar os assentamentos diferenciais que possam surgir no

desenvolvimento longitudinal da obra e ainda provocar um maior confinamento do

balastro, restringindo os seus movimentos laterais. As deformações plásticas e os

assentamentos diferenciais pioram o comportamento da estrutura da via, dando

origem a deformações sucessivamente maiores, pondo em causa a segurança e a

eficiência da via. Este fenómeno é chamado de deterioração da via e tem como

consequência a redução da velocidade de circulação, ou mesmo, a total restrição de

circulação.

A utilização de geogrelhas, para além de melhorar o comportamento do balastro,

permite que os intervalos de manutenção desse sejam mais alargados, reduzindo

portanto os custos e as perturbações do tráfego.

A monitorização das obras previamente à intervenção, é necessária no sentido de

identificar a causa e origem dos assentamentos. A necessidade de reforço com

geogrelhas pode ser devida à falta de capacidade de carga da fundação (em que são

verificados elevados assentamentos verticais, com a penetração das camadas

granulares na base da plataforma) ou a um inadequado dimensionamento da

espessura das camadas de balastro e sub-balastro (podem verificar-se elevados

assentamentos verticais mas não a penetração do balastro na base da plataforma, a

menos que os níveis de degradação sejam tão avançados que os níveis de tensão

sejam demasiado elevados face à capacidade de carga da base da plataforma). A

eficácia das geogrelhas no reforço da camada de balastro é afectada por diversos

factores, como a geometria das aberturas das geogrelhas, conforme se verificou no

Capítulo 2, o número, níveis, afastamento e profundidade de colocação dos reforços.

Os estudos laboratoriais e "in situ" têm abordado estas questões, com resultados que

se consideram de interesse.

89


90

3.2.3.1 Estudos laboratoriais

Raymond e Walters (1999) realizaram um estudo em pequena escala num

equipamento semelhante ao da Figura 3.16, com a colocação de um nível de reforço

em geogrelhas a várias profundidades. Algumas das principais conclusões do estudo

foram que a colocação de reforços no balastro reduz eficazmente as suas

deformações plásticas, sendo a profundidade óptima de colocação desse mesmo

reforço cerca de 6 e 12 % da largura da base de carregamento, o que para a típica

largura de via de 2m corresponde aproximadamente a uma profundidade de 120 a

240mm.

a) Equipamento utilizado

b) Esquema de colocação dos materiais

Figura 3.16 - Determinação laboratorial da eficiência do reforço com geogrelhas (adaptado de

Raymond, 2002).

Ensaios em escala real, realizados por Jain e Kesheav (1999) num equipamento de

dimensões 13x3,75m com carregamentos de 20 a 32 ton aplicados a frequências de 2-

5 Hz mostram a eficácia da aplicação de 1 e 2 níveis de geogrelhas biaxiais,

colocadas no interior da camada de sub-balastro. As amostras são constituídas por

uma camada de balastro com 0,3m de espessura, outra de sub-balastro com 0,6m e o

solo de fundação com 2m. Os resultados desse mesmo estudo, segundo Montanelli e

Recalcati (2003), podem ver-se no Quadro 3.2 e correspondem somente às

solicitações dinâmicas. Estas solicitações dinâmicas são obtidas a partir das totais,

medidas à profundidade de 0,9m da base das travessas, deduzidas da carga estática,

correspondente ao peso das camadas de balastro e sub-balastro. Como se pode ver, a

introdução de 1 nível de geogrelhas reduz as solicitações dinâmicas entre 20 e 40%,

aumentando essa redução para 30 a 60% com dois níveis de reforço.


Quadro 3.2– Influência da aplicação de reforços na redução das cargas dinâmicas medido 0,9m abaixo das travessas (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).

Sem reforço Um nível de reforço Dois níveis de reforço Carga/eixo

(ton)

Tensões

dinâmicas

(KPa)

Tensões

dinâmicas

(KPa)

Redução(%)

Tensões

dinâmicas

(KPa)

Redução(%)

16,00 18,79 10,94 42 7,51 60

20,32 24,84 16,99 32 13,07 57

22,10 27,34 19,49 29 15,56 43

25,00 31,40 23,55 25 19,63 37

30,00 38,41 30,56 20 16,64 31

No estudo inicial de Jain e Kesheav (1999), a principal conclusão extraída foi que a

camada de 1m de espessura medida a partir da base das travessas é que realmente

governa a capacidade de carga da infraestrutura ferroviária, visto que é aqui onde se

processa a maioria das degradações de tensões; a partir deste ponto um aumento das

cargas de tráfego conduz apenas a aumento marginal das tensões no solo, conforme

se pode ver na Figura 3.17. Isto significa que intervenções na infraestrutura para o

aumento da capacidade de carga podem ser limitadas ao 1m de solo superficial, ou

seja, dentro das camadas que constituem a infraestrutura ferroviária.

Legenda:20,32 ton/eixo22,10 ton/eixo23,50 ton/eixo25,00 ton/eixo30,00 ton/eixo

Tensão(Kg/cm2)

Prof

undi

dade

aba

ixo

das

trav

essa

s(cm

)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

40

80

120

160

200

240

Figura 3.17 – Variação das tensões induzidas em profundidade (adaptado de Jain e Kesheav,1999).

Raymond (2002) realizou ensaios laboratoriais em pequena escala, sobre o efeito da

colocação de geogrelhas em balastro de via-férrea. O estudo usou o equipamento

apresentado na Figura 3.16, com uma largura da placa de carregamento de

B=300mm, uma largura de reforço Br=375mm e uma camada de agregado H=50mm. A

geogrelha foi colocada à profundidade Dr=20mm. Inferiormente a estas camadas foi

colocada uma camada de material elastómero, que permite simular diferentes

91

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas valores para a rigidez da fundação (fundação rígida, fundação de média rigidez com

Em=4,4MN/m2 e fundação compressível com Em=0,0625MN/m2).

Os valores da largura da placa de carregamento e da camada granular permitem

obter uma razão H/B=0,167, semelhante à utilizada nas estruturas reais. A

profundidade de colocação da geogrelha foi escolhida de forma a que nas estruturas

reais essa profundidade correspondesse à profundidade das operações de

manutenção e atacamento do balastro, ou seja, sensivelmente uma razão de

Dr/B=0,067.

Este estudo pretendeu avaliar fundamentalmente 3 efeitos:

- o do reforço no valor das deformações plásticas, sob a acção de cargas cíclicas;

- o da rigidez do solo de fundação, sob a acção de cargas cíclicas;

- o da rigidez da fundação na quebra das partículas de balastro.

Ensaios sobre agregados angulares compactos com tensões de Wr=100 kPa mostraram

que o reforço conduziu a uma redução nos assentamentos plásticos de 30% (fundação

rígida) e a 37% (fundação compressível) após 10 000 ciclos de carga. O efeito de

reforço mostrou-se ainda de maior eficácia para os agregados em condições soltas. O

autor concluiu que a utilização de reforços nas estruturas ferroviárias reduz

efectivamente os assentamentos plásticos nos materiais granulares angulares.

No que toca à quebra de partículas, o autor verificou que a maior quebra se deu para

o solo de fundação de maior compressibilidade. A introdução do reforço reduz a

quebra de partículas em 30,2 a 36,7%. O autor afirma que o reforço do balastro é

benéfico na redução da quebra de partículas, aumentando a longevidade do balastro.

3.2.3.2 Estudos realizados "in situ"

A monitorização de obras "in situ" com a aplicação de geogrelhas não é ainda muito

frequente e detalhada, sendo os resultados até à data apresentados em termos de

extensões medidas à profundidade de colocação dos elementos de reforço. Assim,

somente serão comparados os resultados obtidos com alguns valores já medidos

noutras monitorizações, consideradas de referência.

Como valores de referência para as extensões podem considerar-se os obtidos por

monitorização num troço experimental no Colorado (FAST) e apresentados por Selig e

Waters (1994). Estes valores permitem distinguir as extensões ao nível das camadas

92


de balastro e sub-balastro. Para estas camadas, podem considerar-se como valores

médios de extensão ao fim de 3x107 ton de tráfego cerca de 0,035 para o balastro e

sub-balastro.

Um dos casos de aplicação de geogrelhas, conjuntamente com um geotêxtil na

função de filtragem, é o da reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola (Itália) que

apresentava problemas de assentamentos totais e diferenciais. O material que

compunha o aterro era do tipo siltoso, chegando os valores de assentamentos totais a

atingir, em alguns pontos, os 13mm pelo que uma rápida intervenção se impunha. A

solução a adoptar para a secção foi baseada numa análise de elementos finitos e é a

que se apresenta na Figura 3.18, sendo constituída por uma camada de balastro com

0,5m de espessura e outra de sub-balastro com 0,7m. Foram então instalados dois

níveis de geogrelhas (cujas principais características se apresentam no Quadro 3.3)

na camada de sub-balastro, instrumentados com células de leitura, acoplados a um

sistema automático de aquisição capaz de realizar leituras à frequência de 1Hz.

6,5m

0,5m

1m

12345678

Células de leitura

Nível superior da geogrelha instrumentada

Nível inferior da geogrelha instrumentada

Figura 3.18 – Secção adoptada para reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).

Quadro 3.3 – Principais propriedades da geogrelha aplicada.

Propriedade Valores obtidos

Resistência à tracção 30 x 30 KN/m

Elongação na rotura 11 x 11 %

Resistência à tracção a 2% de elongação 10,5 x 10,5 KN/m

Resistência à tracção a 5% de elongação 21 x 21 KN/m

Massa por unidade de área 560 g/m2

Dimensão das aberturas da geogrelha 40 x 27 mm

Dimensão aparente dos poros do geotêxtil 0,08 – 0,13 mm

93

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas A monitorização desta estrutura é reportada por Montanelli e Recalcati (2003), com

leituras feitas no nível superior das geogrelhas, na vertical dos carris, 0,3m abaixo da

camada de balastro, mostrando valores de extensão vertical de 0,0014 sobre a

locomotiva e 0,0008 sobre as carruagens. Estes valores de extensão vertical,

comparativamente aos de Selig e Waters (1994), mostram a eficiência da geogrelha

como reforço da camada de sub-balastro, assegurando uma eficaz degradação de

tensões em profundidade, e maior homogeneidade no comportamento de toda a

estrutura, reduzindo a probabilidade de ocorrência de assentamentos diferenciais.

Outras medições feitas a 1m da vertical dos carris, no sentido exterior, mostram

extensões verticais da ordem de 0,0003, provando que a aplicação de geogrelhas

actua simultaneamente na degradação das tensões lateralmente, pela resistência à

tracção dada ao material granular, garantindo com isto o confinamento lateral do

balastro. Maior detalhe relativamente à monitorização desta estrutura pode ser

consultada em Buonanno et al.(1999) e Montanelli e Recalcati (2003).

Uma outra aplicação de geogrelhas com posterior monitorização foi a realizada em

Celje-Eslovénia (1996), com o mesmo tipo de geogrelhas utilizadas no caso

apresentado anteriormente e um geotêxtil como filtro. O solo de fundação era do

tipo siltoso e com fraca capacidade de carga (E<10MPa), pelo que se optou pelo seu

reforço. A solução adoptada foi uma camada de balastro com 0,3m de espessura e

uma de sub-balastro com 0,6m. A geogrelha foi aplicada na base do sub-balastro,

juntamente com células de leitura, tendo estas registado extensões da ordem dos

0,0002, o que comparativamente aos valores de Selig e Waters (1994) de 0,035,

revela a eficácia do reforço com geogrelhas para solos com baixa capacidade de

carga.

3.2.3.3 A aplicação de geogrelhas em balastro reciclado

Dada a escassez de materiais granulares que cada vez mais se verifica para as obras,

não só pela efectiva falta desses, mas também pelo impacte ambiental associado à

exploração de pedreiras, surge a reciclagem de balastro. A reciclagem do balastro

consiste na recolha do balastro usado em linhas-férreas e sua posterior peneiração. A

granulometria do material reciclado a utilizar deve ser idêntica à de um novo

balastro. Apesar de a granulometria ser idêntica, o seu comportamento não será

idêntico.

94


Assim, o balastro reciclado, devido às microfissuras nas suas partículas e à quebra de

partículas sofrida nos ciclos de carregamento anteriores, tende a adquirir uma forma

mais rolada, o que se traduz naturalmente numa menor resistência friccional e

ângulo de atrito. As consequências relativamente ao seu comportamento na estrutura

ferroviária será a existência de maiores assentamentos verticais e laterais, quando

comparado com o balastro novo. No entanto, o comportamento do balastro reciclado

pode ser melhorado pela inclusão de geossintéticos, em particular geogrelhas.

Indraratna et al. 2002, em estudos realizados na University of Wollongong (Austrália),

para modelar o comportamento do balastro sob a acção de cargas cíclicas utilizaram

uma célula triaxial de grandes dimensões (800x600x600mm), desenvolvida na mesma

Universidade, conforme se pode ver na Figura 3.19. As cargas verticais foram

aplicadas através de actuador hidráulico a uma travessa de madeira, com uma

intensidade máxima de 75kN, capaz de produzir um nível de tensões, ao nível da

interface travessa/balastro, semelhante ao verificado para uma carga por eixo de

25ton. A frequência de aplicação de cargas foi de 15Hz durante 500 000 ciclos de

carga. As tensões laterais aplicadas às amostras, para simulação das condições reais,

foram σ2=10kPa (sentido longitudinal da via) e σ3=7kPa (sentido lateral da via).

Figura 3.19 – Célula triaxial de grandes dimensões (Indraratna et al. 2002).

Os provetes ensaiados eram constituídos por 4 camadas granulares: uma camada de

50mm de argila compacta (solo de fundação), 100mm de uma mistura de areia com

gravilha (sub-balastro), 300mm de balastro novo e reciclado e uma camada de

150mm de balastro (novo e reciclado) colocado entre as travessas e as paredes da

célula. Os geossintéticos foram colocados na interface balastro/sub-balastro no

sentido de optimizar o desempenho do balastro reciclado.

95

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Os geossintéticos utilizados foram uma geogrelha biaxial aplicada isoladamente e,

seguidamente, em conjunto com um geotêxtil não tecido em polipropileno. As

propriedades dos geossintéticos podem ver-se no Quadro 3.4

Quadro 3.4 - Propriedades dos geossintéticos utilizados por Indraratna et al. (2002).

Propriedade Geogrelha Geogrelha+Geotêxtil

Resistência à tracção 30 x 30KN/m 30KN/m

Elongação na rotura 11 x 10 % 11%

Resistência à tracção a 2% de elongação 10,5 x 10,5KN/m -

Resistência à tracção a 5% de elongação 21 x 21KN/m -

Massa por unidade de área 420g/m2 560g/m2

Dimensão das aberturas da geogrelha 40 x 40mm 40 x 40mm

Foram colocadas células de leitura na base das travessas e do balastro para medir

deformações verticais, assim como nas paredes verticais da célula para medir as

deformações horizontais.

Segundo os autores, e como se pode ver na Figura 3.20, no que respeita aos

assentamentos medidos na base das travessas, as principais conclusões são:

Balastro novo (seco)Balastro recilcado (seco)Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)

25 ton/eixo a 15 HzRápido incremento dos assentamentos

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 0

5

10

15

20

25

Asse

ntam

ento

das

tra

vess

as(m

m)

Nº de ciclos

Estabilização

Figura 3.20 - Assentamento da travessa versus número de ciclos de carga (adaptado de Indraratna et al., 2002).

- o balastro novo e o reciclado apresentam comportamento não-linear, podendo este

ser representado por uma recta em escala logarítmica;

- em todos os ensaios, independentemente do tipo de reforço utilizado e do grau de

saturação, foi verificado que a taxa de assentamentos tende a estabilizar ao fim de

100 000 ciclos de carga, passando esta taxa a ser aproximadamente constante;

96


- o balastro reciclado apresenta maiores assentamentos comparativamento ao novo,

vindo estes diminuídos pela inclusão de geossintéticos;

- a inclusão do geocompósito geogrelha+geotêxtil no balastro reciclado seco melhora

o seu comportamento, em termos de assentamentos, tornando-o próximo do balastro

novo seco;

- a inclusão de uma geogrelha no balastro reciclado seco melhora moderadamente o

seu comportamento, mas não tanto como o geocompósito;

- segundo os autores, a conclusão anterior resulta de a abertura das geogrelhas

utilizadas (40mm) ser maior que a dimensão média das partículas do balastro

(D50=35mm), sendo de esperar melhores resultados nos assentamentos para aberturas

inferiores das geogrelhas (note-se que esta justificação não é concordante com a de

Jewell (1996), uma vez que este sugere para a função de reforço que a razão óptima

entre a dimensão das aberturas da geogrelha e a dimensão média D50 o solo a

reforçar seja pelo menos 3);

-o balastro reciclado saturado, como seria de esperar, apresenta assentamentos

bastante superiores comparativamente ao seu estado seco, independentemente do

tipo de reforço;

-o balastro reciclado estabilizado com o geocompósito, quando saturado, não revela

grande aumento nos assentamentos, sendo a melhoria de comportamento, em

relação ao caso anterior, provavelmente devida à acção de filtro do geotêxtil;

Relativamente à evolução da extensão principal ε1 (vertical) com o número de ciclos

de carregamento, apresentada na Figura 3.21, obtida por leituras efectuadas na base

das travessas e na base do balastro, os autores extraíram as seguintes conclusões:

97


Balastro novo (seco)Balastro reciclado (seco)Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)

0

2

4

6

8

10

Exte

nsão

pri

ncip

al ε

1(%)

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

ε1(+)

ε2(+)

Nº de ciclos

Figura 3.21 - Variação da extensão principal máxima ε1 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).

- como esperado, ε1 é maior no caso do balastro reciclado seco, comparativamente

ao balastro novo seco; a inclusão do geocompósito no balastro é mais eficaz a reduzir

as extensões verticais do que a geogrelha utilizada isoladamente;

- a saturação do balastro reciclado reforçado com geogrelha aumenta

significativamente a taxa das extensões verticais sofridas; em contraste, esse

aumento não é verificado quando se utiliza o geocompósito, daí que se conclua que o

geocompósito funcione melhor em condições deficientes de drenagem;

- o comportamento do balastro, em termos de extensões verticais, e

independentemente do tipo de reforço utilizado pode ser traduzido por uma relação

do tipo linear, em escala logarítmica.

As inclinações das rectas que traduzem a tendência de comportamento do balastro

parecem indicar que, apesar de a extensão sofrida inicialmente ser bastante

superior para o balastro reciclado este evolui a uma taxa mais lenta com o aumento

do número de ciclos aplicados.

As extensões laterais ε2 e ε3, apresentadas nas Figuras 3.22 e 3.23, foram calculadas

a partir da média dos deslocamentos laterais das paredes verticais e das dimensões

iniciais dos provetes. A extensão ε2 (extensão principal intermédia) é correspondente

à direcção perpendicular à orientação das travessas, ou seja, o alinhamento

longitudinal da linha-férrea, e ε3 (extensão principal mínima) corresponde à direcção

de orientação das travessas.

98


Relativamente à extensão principal intermédia ε2, as conclusões foram as seguintes:

Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)

Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)

Balastro reciclado (seco)Balastro novo (seco)

ε2(+)

ε1(+)-0,8

-0,4

0,0

-1,2

-1,6

Nº de ciclos

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Exte

nsão

inte

rméd

ia ε

2(%)

Figura 3.22 - Variação da extensão principal intermédia ε2 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).

- as extensões horizontais ε2 iniciais para o balastro reciclado são bastante superiores

às do balastro novo, devido à perda das características friccionais do balastro;

- a inclusão do geocompósito no balastro reciclado seco reduz significativamente as

suas extensões, chegando estas, com o decorrer do número de ciclos, a ser inferiores

às do balastro novo (isto mantém-se válido para condições de saturação do balastro);

- em contraste, a inclusão da geogrelha isoladamente no balastro reciclado reduz

apenas marginalmente as extensões sofridas por este, provavelmente por a dimensão

das aberturas das geogrelhas ser superior à dimensão média das partículas do

balastro;

Para a extensão principal mínima ε3, apresentada na Figura 3.23, as conclusões são

semelhantes às referidas para ε2.

99


Balastro novo(seco)Balastro reciclado(seco)Balastro reciclado/geogrelha(seco)Balastro reciclado/geogrelha(saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil(seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil(saturado)

ε1(+)

ε2(+)

ε3(+)Exte

nsão

mín

ima ε3

(%)

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

Nº de ciclos

Figura 3.23 - Variação da menor extensão principal mínima ε3 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).

Note-se a eficiência que a aplicação deste tipo de reforço tem na contenção lateral

do balastro, diminuíndo, ou mesmo eliminando, a necessidade da existência de

ombreiras de balastro.

Finalmente, o estudo incidiu sobre as características de degradação das partículas do

balastro, tendo sido aplicado o método de Marsal (1973), que permite avaliar a

variação da granulometria (antes e após ensaio) para cada fracção granulométrica. As

conclusões do estudo, baseado no referido método, foram que:

- as partículas de balastro novo mais susceptíveis a quebra, são as de granulometria

45-60mm, sendo no balastro reciclado as de 30-50mm;

- as partículas de balastro reciclado sofrem 97% mais de quebra do que as partículas

de balastro novo nas mesmas condições de solicitção, devido à presença de

microfissuras no balastro reciclado resultantes dos anteriores ciclos de

carregamento;

- a inclusão de uma geogrelha no balastro reciclado reduz a percentagem de quebra

em 42%, e em 48% no caso de utilização do geocompósito.

Este estudo mostra que a aplicação de geogrelhas em balastro reciclado potencia o

seu reaproveitamento em estruturas ferroviárias. Apesar dos estudos nesta área não

serem ainda em grande número, e por isso as suas conclusões não poderem ser

aceites sem contestação, julga-se que será de interesse o seu aprofundamento, pelas

vantagens que a aplicação de balastro reciclado apresenta relativamente ao novo,

em especial vantagens económicas e ambientais.

100


3.2.3.4 Conclusões

Do apresentado pode concluir-se que os estudos laboratoriais e "in situ" são unânimes

quanto à vantagem da aplicação de geogrelhas na infraestrutura da ferrovia. Como

principais conclusões dos estudos apresentados realça-se que a aplicação de

geogrelhas permite:

- reduzir eficazmente as deformações verticais das camadas de balastro e sub-

balastro, chegando essa redução a atingir os 60%;

- reduzir as deformações laterais do balastro, garantindo o seu confinamento lateral

e reduzindo a necessidade de utilização das ombreiras de balastro;

- reduzir a quebra de partículas da camada de balastro, aumentar a longevidade das

suas características resistentes e reduzir os ciclos de manutenção;

- garantir uma estrutura mais homogénea, em termos de comportamento mecânico,

reduzindo a probabilidade de ocorrência de assentamentos diferenciais;

- potenciar a reaplicação de balastro reciclado em estruturas ferroviárias.

Da expriência relatada na bibliografia, podem apontar-se as propriedades das

geogrelhas que maior influência têm no bom desempenho, neste tipo de aplicação:

Elevada resistência à tracção: >30 kN/m

Elevado módulo de deformabilidade inicial: >10 kN/m (2% elongação)

>20 kN/m (5% elongação)

Baixa elongação na rotura: <12-14%

Elevada resistência à abrasão e danificação durante instalação.

3.3 DANIFICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS

A aplicação de geotêxteis a obras ferroviárias é uma das mais exigentes aplicações,

em termos mecânicos, a que um geotêxtil pode ser sujeito, quer seja pelo facto de

este estar em contacto directo com partículas de grandes dimensões e do tipo

angular, quer seja pela natureza cíclica e intensidade das cargas aplicadas, quer

ainda pelo tipo de máquinas utilizadas durante a construção e manutenção da

estrutura. Todos estes factores têm forte influência nas capacidades resistentes de

um geotêxtil, vindo assim diminuídas as suas resistências à tracção, rasgamento e

101

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas punçoamento. Também as características hidráulicas do geossintético são,

obviamente, alteradas, isto porque as acções mecânicas que o solicitam tendem a

provocar perfurações, cortes e processos de abrasão que alteram a sua dimensão

aparente dos poros, permissividade e transmissividade.

Neste ponto serão abordados os processos de danificação provocados por abrasão e

danificação durante a instalação. No que respeita à abrasão, a bibliografia é ainda

muito incipiente, pelo que se fará uma exposição da evolução dos equipamentos para

simulação da abrasão e apresentação dos resultados disponíveis. A danificação

durante a instalação é um fenómeno já amplamente estudado, no entanto, para a

presente aplicação, ainda pouco desenvolvida no que toca à granulometria dos

materiais utilizados.

3.3.1 Abrasão de Geossintéticos

De acordo com a ISO 13427 (1998), define-se abrasão como o desgaste de qualquer

parte de um material por fricção com outra superfície. Nas aplicações ferroviárias, o

geossintético sofre desgaste maioritariamente provocado pelas partículas de balastro

com que contacta, que por acção das cargas cíclicas tende a ter pequenos mas

continuados deslocamentos. Este fenómeno vem já sendo constatado desde os anos

80, pelo que desde essa altura se têm vindo a desenvolver equipamentos

laboratoriais que simulem esse fenómeno. Os resultados da bibliografia

relativamente aos fenómenos de abrasão dizem respeito somente à perda de

resistência à tracção dos geossintéticos, não sendo feita qualquer referência à

alteração das suas propriedades hidráulicas.

Um dos estudos laboratoriais desenvolvidos neste âmbito, segundo Raymond et al.

(1982), efectuado sobre onze tipos de geotêxteis, descreve os processos de abrasão

observados, por inspecção visual e ao microscópio, sendo os que mais

frequentemente se obtêm apresentados no Quadro 3.5.

102


Quadro 3.5– Descrição dos processos de abrasão (adaptado de Raymond et al., 1982).

Processo de abrasão Descrição do fenómeno

Alihamento Filamentos de geotêxteis, previamente não alinhados, tendem a ficar

alinhados numa direcção preferencial.

Nódulos Filamentos individuais são parcialmente desagregados da estrutura ,

formando pequenos nódulos.

Corte Filamentos individuais são primeiramente quebrados e depois cortados

na direcção transversal do filamento.

Achatamento A espessura de filamentos individuais é reduzida, enquanto a sua largura

é aumentada, produzindo achatamento.

Desagregação superficial Os filamentos superficiais são total, ou parcialmente, desagregados da

estrutura que compõe o geotêxtil.

Perfuração Filamentos individuais sofrem desgaste por vários processos,

desenvolvendo-se uma abertura no geotêxtil.

Separação Filamentos individuais separam-se da estrutura. Limitado a geotêxteis

não tecidos.

Um dos primeiros equipamentos utilizados foi o "Rotary platform (ASTM D1175)",

apresentado na Figura 3.24a, inicialmente desenvolvido para a industria têxtil, e

posteriormente tentada a sua adaptação para simulação da abrasão de geotêxteis em

aplicações ferroviárias. O ensaio consiste na rotação de duas rodas abrasivas (Figura

3.24b) com um peso de 1000 gramas à velocidade de 70 r.p.m. sobre um geotêxtil,

sendo este posteriormente ensaiado à tracção. O valor obtido é comparado com o de

um provete "intacto", e avaliada a perda de resistência mecânica.

a) Equipamento no ensaio "Rotary platform" b) Rodas abrasivas sobre o geotêxtil

Figura 3.24 – Ensaio para simulação da abrasão em geotêxteis (ASTM D 1175).

103

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Os processos de abrasão que este ensaio tende a provocar é uma desagregação

superficial, total ou parcial, dos filamentos dos geotêxteis, e o alinhamento dos

filamentos numa direcção preferencial (Raymond et al. 1982). Este equipamento

acabou por se revelar inadequado para este estudo, já que foi desenvolvido para

geotêxteis com baixa resistência à tracção, provocando um tipo de abrasão que não é

representativo das condições verificadas nas estruturas ferroviárias (Hausman et al.

1990).

Estudos de Nancey e Imbert (2002) realizados no “Vibrogir”, a que já foi feita

referência, mostram a resistência à abrasão de geotêxteis (impregnados com 20%, em

peso, de resina acrílica de baixo módulo) em função da duração do carregamento. A

norma seguida para simulação da abrasão foi a ASTM D-3884, que utiliza o

equipamento "Rotary platform", já apresentado na Figura 3.24a, onde o geotêxtil é

submetido a um certo número de rotações, até que seja atingida a sua destruição; o

número de rotações até à rotura constitui o resultado do ensaio.

Os resultados obtidos podem ver-se no gráfico da Figura 3.25. É possível observar que

o número de rotações diminui com o aumento da duração do carregamento. Segundo

os autores, estima-se que uma duração de carregamento no Vibrogir de 250h

corresponda, potencialmente, a um período de vida útil de 25 a 30 anos na estrutura

ferroviária.

0

1000

3000

2000

5000

6000

4000

Número de rotações

500 100 150 200 250 300

Figura 3.25 - Evolução da resistência à abrasão segundo ASTM D 3884 (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).

Pese embora o tipo de equipamento para simulação da abrasão não ser adequado ao

tipo de abrasão verificada nas estruturas ferroviáras, constata-se que os resultados

são condizentes com os obtidos "in situ" por Hausmann et al. (1990), na medida em

104


que o grau de abrasão dos geotêxteis aumenta com o volume de tráfego circulante

ou, neste caso o número de rotações.

Outro equipamento usado para simular o fenómeno de abrasão foi adaptado do

ensaio de carga em placa, sendo descrito no trabalho de Raymond et al. (1982). É

constituído por um molde em alumínio de 250mm de diâmetro, 2 camadas de

balastro nº4 compactado (de acordo com especificações da A.R.E.A.), separado por

um geotêxtil, e uma camada de areia "Ottawa". Uma placa rígida com 50mm de

diâmetro solicita verticalmente a amostra durante 100 000 ciclos. Os geotêxteis

utilizados no estudo eram tecidos e não tecidos com m.u.a. variável de 137 a 730

g/m2.

As conclusões do estudo mostraram que o desgaste por abrasão é realisticamente

simulado ao fim dos 100 000 ciclos de carga. Os processos de abrasão que se

verificaram foram de desagregação superficial, separação e corte para os geotêxteis

tecidos; para os geotêxteis não tecidos os processos de abrasão verificados foram de

desagregação superficial, achatamento, e corte. Os geotêxteis de menor espessura e

menor m.u.a. mostraram menor resistência à abrasão.

Hausmann et al.(1990) ensaiou 17 geotêxteis à tracção, antes e após abrasão, num

equipamento de Deval modificado. O ensaio de Deval (BS 812) é vulgarmente

utilizado para avaliar a abrasão do balastro, encontrando-se o seu equipamento

(Figura 3.26a) com facilidade em diversos laboratórios de geotecnia, razão que

justificou a escolha de tal equipamento para abrasão dos geotêxteis. Assim, o

geotêxtil é aplicado no interior do tambor rotativo através de borrachas, sendo

adicionado o material abrasivo (balastro de 37,5mm) e submetido a 10000 rotações.

A abrasão que se obtém com este equipamento segue o padrão que se pode observar

na Figura 3.26b, pelo que os provetes a ensaiar à tracção são obtidos a partir dessa

zona.

105


Motor

Eixo de rotaçãoCilindros

Contador de rotações

a) representação esquemática da máquina de Deval b) padrão de abrasão

Figura 3.26 – Ensaio de Deval segundo BS 812 (adaptado de Hausmann et al. 1990).

Os resultados dos ensaios de tracção podem ver-se na Figura 3.27a e Figura 3.27b,

correspondentes aos provetes intactos e após abrasão. Aí é visível que os

geocompósitos são os que menor perda de resistência sofrem, vindo inclusivé a sua

resistência aumentada. Isto é justificado pela protecção que os geotêxteis não

tecidos, colocados superiormente, oferecem aos geotêxteis tecidos, e pela maior

proximidade e interacção que estes dois materiais tendem a ter. Esta maior

proximidade e interacção surge em consequência do impacto provocado pelas

partículas de balastro na face do geocompósito. Também é visível que os geotêxteis

de maior m.u.a. são os que menor perda de resistência sofrem.

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

1000

2000

Tecido

Não-tecido

Combinação

Massa por unidade de área g/m2

Carg

a de

rot

ura

(N)

1400

Tecido

1000800

Combinação

Não-tecido

1200

200

400200

100

00Re

sist

ênci

a re

tida

apó

s ab

rasã

o (%

)

600

Massa por unidade de área g/m2

a) Resistência à tracção provete "intacto" b) Resistência retida após 10000 rotações no

ensaio de Deval

Figura 3.27 – Resultados de geotêxteis ensaiados à tracção pelo método da tira (adaptado de Hausmann et al. 1990).

De seguida, apresentam-se alguns dos resultados (Figura 3.28) de um estudo

realizado por Hausmann et al.(1990), que envolveu a exumação de vários geotêxteis

com m.u.a. variável de 180 a 415g/m2, após estarem submetidos à passagem 25-40

106


milhões de toneladas de tráfego ferroviário, colocados a profundidades do balastro

de 270 a 440mm. Todos os geotêxteis estiveram em contacto directo com as

partículas de balastro, sem colocação de qualquer camada protectora.

Figura 3.28 – Perdas de resistência à tracção de geotêxteis não tecidos avaliadas pelo método da tira após exumação (adaptado de Hausmann et al. 1990).

As conclusões do estudo, mediante os resultados de ensaios à tracção e inspecção

visual dos geotêxteis, e do local de recolha desses, foram que a perda de resistência

do geotêxtil parece estar relacionada com a m.u.a. do material e com o volume de

tráfego circulante na linha, variando essa perda de 15 a 73% relativamente aos

valores obtidos com um provete intacto. Alguns dos geotêxteis mostraram

perfurações, o que levou a que algum material fino das camadas inferiores migrasse

para a camada de balastro, no entanto foi observado que mantiveram a sua função

de separação a um nível considerado satisfatório.

Por último, será também de mencionar que estes valores de perda de resistência à

tracção foram comparados aos dos ensaios laboratoriais realizados na máquina de

Deval modificada, mostrando considerável paralelismo (Hausmann et al., 1990).

Um dos factores que mais influencia a abrasão que um geotêxtil sofre, para além dos

expostos, é a profundidade da sua colocação. Com efeito, quanto maior for a sua

profundidade de colocação, menores serão as tensões a que este estará sujeito, logo

potencialmente será sujeito a menor danificação por abrasão. Koerner (1999) refere

um estudo realizado por Raymond, onde este exumou um grande número de

geotêxteis, e quantificou (Figura 3.29) o desgaste verificado em função da sua

profundidade de colocação abaixo da base das travessas. Assim, segundo o autor,

para que seja evitada a perfuração do geotêxtil durante a sua instalação e abrasão

em serviço será necessário colocar o geotêxtil a uma profundidade superior a 41cm,

107


108

ou em alternativa, utilizar um geotêxtil com tratamento especial (do tipo resina)

para resistir a abrasão.

Pior danificação verificada em provetes de 300 x 300 mm

Profundidade de colocação do getêxtil medida por exumação(mm)

Qun

tifi

caçã

o da

dan

ific

ação

(áre

a ab

rasa

da)%

2.5

0 250 500

5.0

Figura 3.29 – Danificação do geotêxtil versus profundidade de colocação (adaptado de Koerner R. 1999).

O equipamento actualmente especificado para simulação da abrasão em geotêxteis

em aplicações ferroviárias é apresentado na Norma Europeia EN ISO 13427(1998),

adaptada da ASTM 4886, e cuja apresentação se faz na Figura 3.30. Este

equipamento simula a abrasão através do movimento linear entre uma película

abrasiva (parte móvel) e o geotêxtil (parte fixa).

1 24

36

5

1 - Placa metálica deslizante

2 - Placa metálica calibrada estacionária

3 – Pesos de calibração

4 – Movimento

5 – Motor com contador de ciclos

6 – Excentricidade de 12.5mm

Figura 3.30 – Equipamento para simulação da abrasão sofrida pelos geotêxteis em aplicações ferroviárias (EN ISO 13427 - 1998).

Relativamente a este ensaio não são ainda conhecidos resultados na bibliografia, no

entanto, no Capítulo 4 desenvolver-se-á um estudo laboratorial num equipamento

deste tipo.

3.3.2 Danificação Durante a Instalação

A danificação durante a instalação (DDI) de geossintéticos resulta das operações de

transporte, manuseamento e colocação em obra. A colocação dos geossintéticos em

obra envolve o espalhamento e compactação do material granular que lhe vai ficar


sobrejacente, com o auxílio de equipamento pesado. Isto, naturalmente que altera

as propriedades iniciais dos geossintéticos, podendo o desempenho das suas funções

em serviço ser comprometidas. Assim, será conveniente que o dimensionamento dos

geossintéticos contemple já a perda de propriedades resultantes da sua aplicação em

obra.

A DDI tem vindo a ser constatada pela exumação de geossintéticos, após aplicação

em obra, e inspecção visual da sua superfície. A primeira impressão é geralmente de

poeira e sujidade e abrasão superficial da estrutura do material. Se a dimensão das

partículas do solo for grande (≥ 5mm) há áreas do geossintético que ficam

perturbadas, sendo o mesmo esperado se o subsolo for mole (Greenwood, 1998).

Os estudos realizados até ao momento indicam que o grau de danificação nos

geossintéticos depende de vários factores, sendo os mais relevantes: o tipo de

geossintético, a granulometria e angulosidade do material granular de aterro, a

espessura das camadas de aterro e o tipo e peso do equipamento de espalhamento e

compactação utilizado. No caso das aplicações ferroviárias, o geossintético fica

geralmente em contacto com balastro, ou seja, em contacto com partículas de

grandes dimensões (31,5-63mm) e do tipo angular. Isto evidencia desde logo uma

elevada tendência para a danificação, em particular para perfurações e cortes.

Koerner e Koerner (1990) realizaram um estudo sobre geotêxteis tecidos e não-

tecidos exumados de 55 obras nos E.U.A., em que registaram o número e tamanho

das perfurações sofridas por acção da DDI. De seguida ensaiaram provetes desses

mesmos geossintéticos, correlacionando o número de perfurações por metro

quadrado com a resistência à tracção retida, como se pode ver na Figura 3.31.

40

20

60

80

100

10

30

50

70

80

00 20 40 60 80 100 120

Número de Perfurações por m

Res

istê

ncia

retid

a em

% Limite Superior

Limite Inferior

2

Figura 3.31 – Número de perfurações versus resistência retida (adaptado de Koerner e Koerner, 1990).

109

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas As perfurações e cortes são danificações que prejudicam gravemente as propriedades

hidráulicas dos geossintéticos, já que aumentam a dimensão característica da

abertura dos poros do geossintético, e as propriedades mecânicas, visto que causam

pontos de descontinuidade e fragilidade no geossintético. Dependendo da função que

o geossintético esteja a desempenhar, a consequência da sua danificação e alteração

das propriedades pode ser mais ou menos condicionante ao seu desempenho. Assim,

veja-se qual a influência a considerar nas propriedades dos geossintéticos no caso de

estes desempenharem funções de filtro/separação e reforço.

Função de Filtragem/Separação

A danificação mais gravosa para as funções de filtragem/separfação é aquela que

altera a dimensão característica dos poros do geossintético, ou seja, os cortes e as

perfurações. Neste sentido, uma das características que maior relevo tem para esta

danificação é a forma do material granular que lhe vai ficar sobrejacente, isto é, do

tipo angular ou rolado. Acresce, obviamente, a espessura da camada de material

sobrejacente e o equipamento de compactação a utilizar.

Uma das abordagens utilizadas neste contexto, é a contemplada no regulamento

Alemão, e que define, mediante as condições locais verificadas, as propriedades

mínimas a exigir aos geotêxteis. Segundo Braϋ (1998), define-se inicialmente a forma

e tipo de material granular a aplicar, enquadrando-se este numa das 5 classes AS

definidas (ver Quadro 3.6). De seguida, define-se o tipo de compactação a utilizar AB

(ver Quadro 3.7). Finalmente, enquadra-se a situação numa das calsses de robustez

apresentadas no Quadro 3.8, sendo-lhe atribuídas as propriedades apresentadas no

Quadro 3.9.

Quadro 3.6 – Forma e tipo de material granular a aplicar (adaptado de Braϋ, 1998).

Características do solo adjacente

Partículas não angulosas Partículas angulosas

AS1 As acções do solo e dos processos de instalação não afectam o geotêxtil

AS2 Areia grossa sem seixo ---

AS3 Areia grossa com menos de 40% de seixo Areia grossa sem seixo

AS4 Areia grossa com mais de 40% de seixo Areia grossa com menos de 40% de seixo

AS5 --- Areia grossa com mais de 40% de seixo

110


Quadro 3.7 – Condições de aplicação (adaptado de Braϋ, 1998).

AB1 Instalação manual e pressões de compactação desprezáveis

AB2 Instalação mecânica e pressões de compactação desprezáveis

AB3 Instalação mecânica e pressões de compactação significativas(5 a 15 cm solo sobrejacente)

AB4 Instalação mecânica e pressões de compactação significativas(mais de 15 cm solo sobrejacente)

Quadro 3.8 – Classes de robustez do geotêxtil (adaptado de Braϋ, 1998).

Condições de aplicação Casos de aplicação

AB1 AB2 AB3 AB4

AS1 GRK2 --- --- ---

AS2 GRK2 GRK2 GRK3 GRK4

AS3 GRK3 GRK3 GRK4 GRK5

AS4 GRK4 GRK4 GRK5 *

AS5 GRK5 GRK5 * *

* para estas aplicações devem ser realizados ensaios in situ ou, em alternativa a altura de solo sobrejacente deve ser aumentada.

Quadro 3.9 – Propriedades mínimas a exigir aos geotêxteis (adaptado de Braϋ, 1998).

Classes de robustez do geotêxtil Geotêxtil Propriedade

GRK1 GRK2 GRK3 GRK4 GRK5

Resistência ao punçoamento

estático(kN) ≥0.5 ≥1.0 ≥1.5 ≥2.5 ≥3.5

Não –tecido

M.u.a.(g/m2) ≥80 ≥100 ≥150 ≥250 ≥300

Resistência à tracção(KN/m) ≥20 ≥30 ≥35 ≥45 ≥50 Tecido em PP e PET(*)

m.u.a.(g/m2) ≥100 ≥160 ≥180 ≥220 ≥250

Resistência à tracção(KN/m) ≥60 ≥90 ≥150 ≥180 ≥250 Tecido em PET(**)

m.u.a.(g/m2) ≥230 ≥280 ≥320 ≥400 ≥550

(*) em monofilamentos ou tiras (**)em multifilamentos; resistência à tracção na direcção transversal > 50kN/m

Note-se que a colocação de um material granular com características menos

agressivas, do tipo rolado, ou não angular, diminui drasticamente a danificação

sofrida pelo geotêxtil, logo ser-lhe-ão exigidos menores valores das suas

propriedades. No presente caso de aplicação de geossintéticos em linhas-férreas

significa que a colocação de uma camada de areia adjacente ao geossintético como

função de protecção pode reduzir a sua danificação pelas partículas de balastro. Este

111

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas tipo de medida protectora foi inclusivé já confirmado por vários autores (Ashpiz et

al. 2002) após exumação de amostras "in situ" na linha-férrea St. Petersburg-

Moscovo, com um e cinco anos de utilização. Neste caso, tratava-se de uma obra de

reabilitação, em que o geossintético (geotêxtil não-tecido termoligado com m.u.a.

290g/m2) era aplicado entre duas camadas de balastro, uma nova e a já existente. Os

resultados mostraram que a camada de areia melhora o desempenho do geotêxtil,

sendo que ao fim do primeiro ano de utilização foram verificadas pequenas

perfurações no geotêxtil com 1-2mm, representando estas apenas cerca de 0,2% da

área do geotêxtil. Os resultados ao fim de cinco anos mostraram que a área

danificada do geotêxtil corresponde a cerca de 0,3%.

Função de reforço

Na função de reforço, tanto a abrasão superficial como os cortes e perfurações

podem afectar a capacidade resistente dos geossintéticos. Assim, para além das

carcaterísticas referidas anteriormente para a função de filtragem/separação,

também assume especial importância a dimensão das partículas. Quanto maior for

esta, maior será a danificação que potencialmente se gera no geossintético. A grande

maioria das abordagens para estimar o coeficiente de redução de resistência à

tracção a aplicar aos geossintéticos basea-se no diâmetro médio D50 das partículas de

solo que contactam directamente com estes.

Veja-se, no Quadro 3.10, a abordagem que a AASHTO (American Association os State

Highway and Transportation Officials) faz relativamente aos coeficientes de redução

a adoptar, tendo em consideração o tipo de material de aterro e o tipo de

geossintético. Para materiais de aterro diferentes dos aí apresentados, pode fazer-se

uma interpolação linear dos valores dos coeficientes, baseada no diâmetro médio D50

das partículas do material de aterro. Os coeficientes de redução são definidos, tal

como no Capítulo 2, como a razão entre o valor da propriedade de referência e o

valor dessa mesma propriedade após danificação.

Os valores apresentados têm-se mostrado conservativos, em especial para novos

materiais, quando aplicados em aterros de obras rodoviárias. Wayne e Barrows (1994)

e Zornberg et al. (1995), baseados em ensaios de campo, constataram que os valores

apresentados no Quadro 3.10 podem conduzir a sobredimensionamentos da ordem

dos 20 a 45%. As aplicações ferroviárias, são um pouco mais exigentes no que

respeita a danificação, no entanto não são ainda conhecidos muitos estudos para

estas aplicações.

112


Quadro 3.10 – Coeficientes de redução a adoptar para ter em conta a DDI (adaptado de AASHTO, 1997).

Coeficiente de redução

Nº Geossintético Material de aterro tipo I Máx. Dimensão 102mm D50 na ordem dos 30mm

Material de aterro tipo II Máx. Dimensão 20mm

D50 na ordem dos 0,7mm

1 Geogrelha uniaxial em PEAD 1,20 – 1,45 1,10 – 1,20

2 Geogrelha biaxial em PP 1,20– 1,45 1,10 – 1,20

3 Geogrelha em PVC revestido com PET 1,30 – 1,85 1,10 – 1,30

4 Geogrelha em acrílico revestido com

PET 1,30 – 1,45 1,10 – 1,40

5 Geotêxtil tecido(PP&PET)(1) 1,40 – 2,20 1,10 – 1,40

6 Geotêxtil não tecido(PP&PET)(1) 1,40 – 2,50 1,10 – 1,40

7 Geotêxtil tecido: tiras em PP(1) 1,60 – 3,00 1,10 – 2,00

(1) m.u.a. ≥ 270 g/m2

Um dos poucos estudos realizados em aplicações ferroviárias foi o de Ashpiz et al.

(2002), já referido a propósito da função de filtragem/separação, onde foram

verificadas perdas de resistência à tracção no geotêxtil ensaiado de cerca de 16% ao

fim de um ano de utilização e de 18% ao fim de cinco anos de utilização. Os valores

da resistência ao punçoamento não se alteraram. Estes valores indicam, claramente,

que a maioria da danificação ocorre devido a fenómenos de DDI, no entanto não

podem ser encarados como conclusivos e generalizáveis.

A DDI a que um geossintético fica exposto "in situ", pode ser simulada

laboratorialmente, adequando as condições em laboratório às que se irão verificar no

local de aplicação. O equipamento laboratorial actualmente utilizado para simulação

da DDI a nível Europeu é descrito na EN ISO 10722-1(Geotextiles and related products

– Procedure for simulating damage during installation – Part1 : installation in granular

materials).

O equipamento laboratorial descrito na EN ISO 10722-1 consiste numa caixa metálica

onde são depositadas duas camadas de material granular com 75mm de espessura

cada. Estas duas camadas são separadas pelo geossintético que se pretende submeter

à DDI. A DDI é simulada pela aplicação de 200 ciclos de uma carga vertical a uma

placa, transmitindo esta pressões que variam de 5 a 900kPa ao material granular. O

material granular deve ser sintético, em óxido de alumínio, com dimensões

compreendidas entre os 5 e os 10mm.

113

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Khay et al. (1998) realizaram um estudo neste equipamento sobre dois geotêxteis

não tecidos e um geotêxtil tecido a fim de avaliar a influência que o número de

ciclos e a pressão têm na danificação das amostras. As conclusões desse estudo foram

que a resistência à tracção retida nos geotêxteis variou entre 50 e 100%, e que o

factor que mais influencia a danificação é a pressão aplicada pela placa de

carregamento. O aumento desta pressão leva a um decréscimo da resistência à

tracção retida. Foi ainda notório que os geotêxteis não tecidos agulhados são os mais

sensíveis à danificação.

Lopes e Lopes (2001) e Paula (2003) realizaram um estudo comparativo entre a

danificação verificada "in situ" e a simulação laboratorial, utilizando diferentes tipos

de solos, naturais e sintéticos, diferentes energias de compactação "in situ", e

diferentes tipos de geossintéticos.

No estudo de Lopes e Lopes (2001) foram danificados "in situ" geotêxteis tecidos,

geogrelhas tecidas biaxiais e geogrelhas extrudidas biaxiais, com energias de

compactação de 90 e 98%, e com os Solos 1 (tipo "tout-venant") e 2 (residual do

granito), apresentados na Figura 3.32. Estes mesmos geossintéticos foram também

danificados em laboratório, com o material sintético (Corundum) prescrito na EN ISO

10722-1.

Dimensões das particulas (mm)

% P

assa

dos

60

10

Silte

00,05

Fina

0,1

20

30

40

50

MédiaAreia

0,5

Grossa

1

80

70

90

100

Fino

5

SeixoMédio

10

CalhauGrosso

50 100

Solo 1Solo 2

Granítico (lab.)

Calcário (lab.)

Dimensões das particulas (mm)

% P

assa

dos

60

10

Silte

00,05

Fina

0,1

20

30

40

50

MédiaAreia

0,5

Grossa

1

80

70

90

100

Fino

5

SeixoMédio

10

CalhauGrosso

50 100

Solo 1Solo 2

Granítico (lab.)

Calcário (lab.)

Figura 3.32 – Curvas granulométricas dos solos utilizados nos ensaios de danificação de campo e de laboratório (adaptado de Paula, 2003).

Paula (2003), utilizando os mesmos geossintéticos do estudo anterior, simulou

laboratorialmente a sua danificação com dois tipos de solos naturais, um calcário e

outro granítico, cujas curvas se apresentam também na Figura 3.32

114


Os resultados destes estudos apresentam-se na Figura 3.33. Relativamente ao

geotêxtil tecido, os autores extraíram como conclusão que os resultados dos ensaios

laboratoriais fornecem valores conservativos (em cerca de 20%) quando o solo

utilizado "in situ" é o Solo 2. Isto é explicado pela menor agressividade das partículas

de menores dimensões do Solo 2, cerca de 5mm, comparativamente às dos restantes

solos. Quando o material de aterro apresenta uma percentagem significativa de

partículas grossas, como o Solo 1, a fiabilidade dos ensaios laboratoriais na previsão

da danificação causada no geotêxtil pelo "tout-venant" tem a ver com grau de

compactação. Com efeito, para o grau de compactação de 90%, a danificação

induzida "in situ" ao geotêxtil situa-se entre os valores obtidos em laboratório com o

material granular sintético (cerca de 30% do lado da segurança) e com o solo

granítico (cerca de 15% do lado da insegurança). Quando o grau de compactação é de

98%, os resultados laboratoriais fornecem valores optimistas relativamente à

danificação induzida pelo "tout-venant", sendo o valor mais próximo o obtido com

material sintético (cerca de 25% do lado da insegurança).

Para a geogrelha extrudida biaxial, verifica-se que os resultados laboratoriais são

optimistas, e tanto mais quanto maior for o grau de compactação aplicado. Assim, os

valores laboratoriais mais próximos dos verificados "in situ" são os obtidos com o solo

granítico, cerca de 5 e 25% do lado da insegurança, respectivamente para graus de

compactação de 90 e 98%.

56,1

90,6

62,6

34,2

76,0

55,1

89,3

77,5

90,3

74,7 74,9

43,2

101,3

59,964,7

95,1

88,7

75,2

99,1 98,8

Geotêxtil Tecido Geogrelha Extrudida Biaxial Geogrelha Tecida Biaxial

in situ_Solo 1_ 90%

in situ_Solo 1_ 98%

in situ_Solo 2_ 90%

in situ_Solo 2_ 98%

laboratório_Material sintético

laboratório_Solo granítico

laboratório_Solo calcário

56,1

90,6

62,6

34,2

76,0

55,1

89,3

77,5

90,3

74,7 74,9

43,2

101,3

59,964,7

95,1

88,7

75,2

99,1 98,8

Geotêxtil Tecido Geogrelha Extrudida Biaxial Geogrelha Tecida Biaxial

in situ_Solo 1_ 90%in situ_Solo 1_ 90%

in situ_Solo 1_ 98%in situ_Solo 1_ 98%

in situ_Solo 2_ 90%

in situ_Solo 2_ 98%

in situ_Solo 2_ 90%

in situ_Solo 2_ 98%

laboratório_Material sintéticolaboratório_Material sintético

laboratório_Solo graníticolaboratório_Solo granítico

laboratório_Solo calcário

Figura 3.33 – Resistência retida (em %) dos geossintéticos danificados no campo e em laboratório. (adaptado de Paula, 2003).

115

Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Por último, para a geogrelha tecida biaxial, verificou-se que a utilização laboratorial

dos solos graníticos e calcários conduz a resultados muito optimistas. No entanto, a

utilização do material sintético conduz a resultados muito semelhantes aos obtidos

com o "tout-venant", cerca de 4,5% (do lado da segurança) e 9% (pelo lado da

insegurança) para graus de compactação de 90 e 98%, respectivamente.

Não são ainda conhecidos resultados, neste equipamento, com partículas de

dimensões semelhantes às do balastro. No Capítulo 4, será efectuado um estudo

neste equipamento, utilizando partículas de balastro em contacto directo com o

geossintético.

3.4 CONCLUSÕES

Ao longo deste capítulo foi apresentada uma síntese dos factores que mais

directamente influenciam o desempenho dos geossintéticos quando aplicados em

linhas-férreas, tanto em termos de funções como de durabilidade. Nesse sentido,

foram apresentados os equipamentos laboratoriais que suportam os resultados

apresentados, e por fim, quando possível, os resultados obtidos pela exumação de

amostras "in situ".

Julgou-se de interesse a introdução deste capítulo por esta aplicação de

geossintéticos, comparativamente à aplicação em rodovia, ser bastante mais

exigente, quer pelas características do material granular utilizado, magnitude e

frequência das cargas aplicadas, quer ainda pelas exigências de deformações

verticais que estas infraestruturas apresentam.

Ficou claro que na função de separação/filtragem os geotêxteis, em especial os não

tecidos agulhados, melhoram significativamente o desempenho da estrutura travando

fenómenos de contaminação do balastro. Esta solução será eficiente desde que as

condições de drenagem também o sejam, caso contrário, verificar-se-ão fenómenos

de contaminação.

Para a impermeabilização da plataforma ferroviária, foi visto que as geomembranas

impregnadas com betume são uma solução eficaz que permite travar o fenómeno de

contaminação. No entanto, esta solução só deverá ser implementada desde que as

condições de drenagem profunda sejam garantidas efectivamente, caso contrário

poderá a ser uma solução inclusivé pior que a sua não colocação.

116


As geogrelhas aplicadas como reforço na camada de balastro permitem reduzir os

assentamentos verticais e diferenciais desta, ao mesmo tempo que permitem reduzir

os ciclos de manutenção do balastro e consequentemente os custos de manutenção.

Também foi visto que potenciam a utilização de balastro reciclado em linhas-férreas.

Por último, verifica-se que em termos de durabilidade os fenómenos de abrasão e DDI

podem comprometer o desempenho dos geossintéticos, no sentido em que as suas

propriedades mecânicas e hidráulicas são afectadas. Conclui-se contudo, que os

resultados da bibliografia para esta aplicação são ainda muito incipientes.

117

CAPÍTULO 4

ESTUDO LABORATORIAL DOS FENÓMENOS DE DANIFICAÇÃO DURANTE A INSTALAÇÃO E ABRASÃO

4.1 INTRODUÇÃO

Neste capítulo far-se-á uma apresentação da parte experimental desenvolvida no

âmbito da presente dissertação, seus resultados e sua posterior discussão. Este

estudo laboratorial pretende ser um contributo para o conhecimento da influência

dos fenómenos da abrasão e danificação durante a instalação, nas propriedades

mecânicas e hidráulicas dos geossintéticos. Estes dois fenómenos de danificação

mecânica são aqueles que se julga de maior importância, no que respeita à

durabilidade dos geossintéticos, para aplicações ferroviárias.

O estudo do fenómeno da abrasão envolveu o desenvolvimento de um equipamento

laboratorial, de acordo com as exigências que a norma que certifica a simulação

desse fenómeno define. Note-se contudo que não se encontram ainda publicados

resultados obtidos em equipamentos idênticos a este, com as mesmas especificações,

pelo que, os resultados aqui obtidos apenas podem servir para análise dos fenómenos

observados, devendo ser encarados com cautela e comparados com espírito crítico a

outros obtidos, quer em equipamentos semelhantes quer da recolha de amostras "in

situ".

O estudo da danificação durante a instalação (D.D.I.) foi realizado num equipamento

já existente no Laboratório de Geossintéticos (LGS) da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto (F.E.U.P.), onde se têm vindo a desenvolver estudos sobre a

influência de diversos parâmetros como a granulometria e origem do solo utilizado, o

número de ciclos de carga aplicados ou mesmo a energia de compactação. Para

efeitos do presente estudo, não existem ainda resultados relativos ao material de

balastro, nem em outro com granulometria semelhante. Assim, os resultados aqui

obtidos devem também ser analisados com espírito crítico, à luz dos já existentes.

Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão

4.2 APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO LABORATORIAL DESENVOLVIDO

O equipamento laboratorial para simulação da abrasão foi desenvolvido pelo

Laboratório de Geossintéticos da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,

de acordo com as especificações da EN ISO 13427 (1998):"Geotextiles and geotextile-

related products – Abrasion damage simulation". O desenvolvimento de tal

equipamento justificou-se, no contexto das aplicações ferroviárias, pelo facto de a

prEN 13250 (1999): "Geotextiles and related products – Characteristics required for

use in the construction of railways.", exigir que todos os geossintéticos aplicados em

obras ferroviárias, em contacto directo com a camada de balastro, devam ser

ensaiados à abrasão, com excepção das geomembranas.

O equipamento é apresentado esquematicamente na Figura 4.1, conforme a EN ISO

13427 (1998). Na Figura 4.2 pode ver-se a versão final do equipamento desenvolvido.

1 24

36

5

1 - Placa metálica deslizante

2 - Placa metálica calibrada estacionária

3 – Pesos de calibração

4 – Movimento

5 – Motor com contador de ciclos

6 – Excentricidade de 12,5mm

Figura 4.1– Representação esquemática do equipamento de simulação da abrasão (EN ISO 13427, 1998).

A EN ISO 13427 prevê que os provetes ensaiados à abrasão sejam posteriormente

ensaiados à tracção pelo método da tira (prEN ISO 13934-1), pelo que a placa

deslizante tem dimensões previstas de 50x200mm. No entanto, visto ser de interesse

comparar os resultados obtidos com os de outros autores adaptou-se a dimensão da

placa do equipamento desenvolvido à da dos provetes para ensaio da resistência à

tracção segundo a EN ISO 10319 (200x200mm). Assim, adoptaram-se as dimensões de

220x300mm para a placa superior.

120


121

Figura 4.2 – Equipamento laboratorial desenvolvido para simulação da abrasão de acordo com a EN ISO

13427 (1998).

As duas placas metálicas do equipamento estão colocadas paralelamente, em posição

horizontal. A placa inferior, deslizante, onde é fixa a película abrasiva permite

movimentos horizontais com curso de 25±1mm. Este movimento deslizante deve ser

realizado sem que exista atrito na sua base de deslizamento, de modo a que o único

atrito existente seja o da película abrasiva com o geossintético. Para que o atrito na

base seja eliminado, foi colocado entre cada um dos 4 apoios da placa deslizante

uma régua com esferas de baixo atrito, conforme se pode ver na Figura 4.3.

Figura 4.3 – Régua de deslizamento sem atrito da placa inferior.

A placa superior onde é fixado o provete de geossintético fica estacionária, em

posição horizontal, garantindo uma pressão de 6 kPa sobre o geossintético. Esta placa

é guiada por um duplo conjunto de suporte, que permite o movimento livre na

direcção vertical, perpendicular ao movimento da placa deslizante.


Ambas as placas são dotadas de garras nas extremidades para segurar quer o

geossintético quer a película abrasiva. Estas garras possuem rugosidade para evitar o

escorregamento do provete e da película abrasiva durante o ensaio de abrasão. A

Figura 4.4 apresenta o tipo de garras adoptadas para o equipamento desenvolvido.

Figura 4.4 – Garras de fixação da película abrasiva/provete de geossintético à placa.

Na placa superior, onde é fixado o provete de geossintético a ensaiar, foi constatado

que a simples fixação do provete com as garras não seria suficiente, visto que

existiria sempre uma folga, mais notória em geossintéticos de maior espessura, como

consequência de o provete ter de se adaptar aos contornos laterais da placa. Assim,

foi feita uma adaptação à placa superior de um esticador (Figura 4.5) que permite,

após fixação do provete de geossintético, eliminar as referidas folgas. Note-se que a

existência de folgas entre o provete de geossintético e a placa reduz, ou em alguns

casos elimina, a acção abrasiva da película, visto que permite à placa superior

deslocar-se relativamente ao geossintético, enquanto este adere à película abrasiva.

Figura 4.5 – Esticador utilizado para eliminação de folgas entre o geossintético e a placa.

Após fixação do provete de geossintético e da película abrasiva às placas superiores e

inferiores, respectivamente, são fixados os pesos (Figura 4.6) na placa superior de

modo a que a pressão sobre o geossintético seja de 6kPa. Assim, dadas as dimensões

122


da placa superior de 220x300mm, face às previstas na EN ISO 13427, adoptou-se o

peso de 39,6 kg para o conjunto da placa com os três níveis de pesos.

Figura 4.6 – Pesos aplicados à placa superior para garantir a pressão de 6 kPa sobre o geossintético.

A simulação da abrasão dá-se pelo movimento relativo entre o geossintético e a

película abrasiva, estando estes aplicados à placa superior e à placa inferior,

respectivamente. Como já foi referido, somente a placa inferior tem movimento, o

qual lhe é transmitido por meio de um veio de transmissão (Figura 4.7a), ligado a um

motor (Figura 4.7b) com 0,25KW de potência, e que permite um movimento de 90

ciclos por minuto. Na ligação do veio de transmissão ao motor, encontra-se uma

célula de leitura (Figura 4.8a) que faz a contagem dos ciclos efectuados ao longo do

ensaio. Esta célula de leitura está associada a uma caixa de aquisição, apresentada

na Figura 4.8b, onde é possível definir o número de ciclos pretendido para cada

ensaio, e acompanhar o andamento do mesmo. Uma vez completados os ciclos

definidos inicialmente, o equipamento automaticamente termina o ensaio. É ainda

possível interromper o andamento do ensaio manualmente, opção que terá de ser

accionada caso o provete atinja a rotura antes do número de ciclos se completar.

a) Veio de transmissão b) Motor Figura 4.7 – Equipamento para simulação da abrasão.

123


a) Célula de leitura

b) Caixa de aquisição Figura 4.8 – Leitura do número de ciclos do ensaio de abrasão.

Feita a apresentação do equipamento desenvolvido segue-se a descrição das

características dos materiais utilizados no estudo e os procedimentos dos ensaios

realizados.

4.3 MATERIAIS E PROCEDIMENTOS UTILIZADOS

O programa de ensaios definido neste estudo foi realizado sobre dois geotêxteis não

tecidos distintos cujas características, de acordo com as especificações do

fabricante, se apresentam no Quadro 4.1. A escolha deste tipo de geotêxteis foi feita

de acordo com o sugerido na bibliografia da especialidade para funções de filtragem,

drenagem e separação, onde estes se revelam com melhor comportamento a longo

prazo.

Como se pode ver, foram escolhidos dois geotêxteis não tecidos com m.u.a.

diferente. O GT2 tem, segundo o fabricante, a m.u.a. mínima admissível para poder

ser aplicado em obras ferroviárias, daí que se tenha optado por ensaiar um

geossintético com esta m.u.a.. A opção pelo GT1 foi feita por ser um geossintético

com uma elevada m.u.a., e por isso mais adequado no uso em obras ferroviárias, e

sobre o qual já se dispõem de diversos resultados, obtidos no LGS da F.E.U.P.,

havendo neste sentido todo o interesse em complementar essa base de dados.

124


Quadro 4.1 – Propriedades dos geotêxteis não-tecidos utilizados no estudo.

Propriedade

GT1

Geotêxtil não-tecido agulhado, filamento

contínuo, 100% em PP com aditivo UV

GT2

Geotêxtil não-tecido agulhado, filamento

contínuo, 100% em PP com aditivo UV

Massa por unidade de área

(EN 965) (g/m2) 700 285

Espessura (2KPa)

(EN 964-1) (mm) 5,3 2,5

Resistência à tracção

(EN ISO 10319) (KN/m)

42 ± 10% (D.F.*)

42 ± 10% (D.P.F.**)

21,5 ± 10% (D.F.*)

21,5 ± 10% (D.P.F.**)

Elongação na carga máxima

(EN ISO 10319) (%)

95 ± 23% (D.F.*)

80 ± 23% (D.P.F.**)

100 ± 30% (D.F.*)

40 ± 30% (D.P.F.**)

Resistência ao punçoamento

(EN ISO 12236) KN 7,2 ± 10% 3,3 ± 10%

Dimensão aparente dos poros (O90)

(EN ISO 12956) µm - 95 ± 30%

Permissividade (∆h=50mm)

(EN ISO 11058) l/m2.s - 70 ± 30%

Transmissividade (20 KPa)

(EN ISO 12958) m2/s 80x10-7 6,8x10-6

*Direcção de Fabrico **Direcção Perpendicular à de Fabrico

O programa de ensaios da parte experimental, apresentado no Quadro 4.2, consistiu

na realização de 4 tipos de ensaios: tracção/elongação, porometria, danificação

durante a instalação (D.D.I.) e abrasão. Os dois primeiros tipos de ensaios foram

utilizados como ensaios de controlo, em que o valor das propriedades que estes

medem, a resistência à tracção/elongação e a dimensão aparente dos poros,

respectivamente, serve como medida para aferir qual a variação que cada um dos

agentes de danificação considerados, isolada ou conjuntamente, provoca nessa

propriedades.

125


Quadro 4.2 – Programa de ensaios realizados na parte experimental.

Nº de ensaios realizados Identificação Após D.D.I. Após abrasão Após D.D.I. e

abrasão Ensaio

GT2 GT1 GT2 GT1 GT2 GT1 GT2 GT1 D.F. 6 6 6 6 6 6 6 6 Tracção/Elongação

(EN ISO 10319) D.P.F. 6 6 6 6 6 6 6 6 Porometria 5 5 5 5 5 5 5 5 D.D.I. (EN ISO 10722-1) 17 17 - - - - - - Abrasão (EN ISO 13427) 17 17 - - - - - -

Assim, submeteram-se os provetes de cada um dos geotêxteis aos ensaios de D.D.I. e

abrasão isoladamente, sendo controladas as variações que estes sofreram nas

propriedades mecânicas e hidráulicas, nos ensaios de tracção/elongação e

porometria. Numa 2ª fase, submeteram-se provetes de geotêxteis intactos aos

ensaios de D.D.I. e sucessivamente ao de abrasão, verificando-se a influência que

estes dois fenómenos, cumulativamente, tiveram nas referidas propriedades.

Este programa de ensaios pretende simular realisticamente as condições a que os

geotêxteis ficam submetidos durante as fases de construção (D.D.I.) e utilização

(abrasão) nas estruturas ferroviárias, especialmente nas obras de reabilitação, em

que o geossintético é directamente aplicado em contacto com o balastro. Assim,

procura-se quantificar a variação que tais fenómenos induzem nas propriedades

mecânicas e hidráulicas dos geotêxteis.

Todos os ensaios foram realizados em equipamentos desenvolvidos no LGS. da

F.E.U.P., descrevendo-se em seguida os procedimentos de maior relevância seguidos

em cada um desses ensaios.

4.3.1 Procedimento do Ensaio de Tracção

Os procedimentos do ensaio de tracção encontram-se descritos com pormenor na EN

ISO 10319. Neste ensaio mede-se a elongação sofrida pelo geotêxtil em função da

carga aplicada, determinando-se a sua resistência máxima à tracção quando este

atinge a rotura. Este valor é utilizado no dimensionamento para funções de reforço.

Os provetes de geotêxteis devem ser cortados, de acordo com as especificações da

EN 963, com as dimensões de 200x200mm, segundo a direcção de fabrico e na

direcção perpendicular à de fabrico. Desse provete, apenas a área de 100x200mm

será efectivamente submetida à tracção, sendo a restante área colocada entre as

garras que lhe aplicam a força de tracção, de acordo com a representação

esquemática da Figura 4.9

126


Área a traccionar

50mm

100mm

50mm

200mm

Figura 4.9 – Dimensões dos provetes a utilizar no ensaio de tracção de acordo com a EN ISO 10319.

A escolha das garras para aplicação da tracção envolveu a realização de inúmeros

ensaios, motivada pela elevada resistência à tracção exibida pelo GT1. A elevada

resistência à tracção provocava o escorregamento do provete nas garras, sendo este

escorregamento mais gravoso nos provetes previamente submetidos ao ensaio de

abrasão. As garras escolhidas, apresentadas na Figura 4.10b, foram as de cunha, com

base aderente em borracha de modo a minimizar o escorregamento do geossintético.

Uma vez cortados os provetes e apertadas as cunhas, com o provete no seu interior,

estas são colocadas paralelamente uma à outra no suporte (Figura 4.10a) que se

encontra ligado a uma célula de carga.

a) Suporte das garras em cunha

b) Base aderente das garras em borracha

Figura 4.10 – Garras utilizadas no ensaio de tracção/elongação.

A célula de carga faz parte do braço da máquina de tracção que realiza o movimento

solicitante no provete. Este movimento, de acordo com a EN ISO 10319, é de

(20±5)%/minuto sendo continuamente registados, através da célula de carga, os

valores da relação força-extensão. O registo é feito num computador que se encontra

127


ligado à máquina de tracção. O ensaio termina quando se atinge a rotura do provete,

ou quando os valores da sua extensão excedem um limite previamente definido,

normalmente de 100%. Com os dados recolhidos pelo computador é então possível

traçar um gráfico com a relação força-extensão, através do qual é possível definir os

módulos de rigidez do geossintético.

Este procedimento deve ser repetido em 5 provetes para a direcção de fabrico e em

mais 5 para a direcção perpendicular à de fabrico, sendo registados os valores

médios, os coeficientes de variação e os desvios padrão.

4.3.2 Procedimento do Ensaio de Porometria

Os procedimentos do ensaio de porometria encontram-se descritos

pormenorizadamente na prEN ISO 12956. O objectivo do presente ensaio consiste em

determinar a dimensão aparente dos poros O90 do geotêxtil, utilizada no

dimensionamento para funções de filtragem.

O procedimento do ensaio inicia-se com o corte dos provetes de forma circular a

partir do rolo de geotêxtil, de acordo com as especificações da EN 963, com diâmetro

de 200mm, sendo em seguida feitos os furos para o encaixe no suporte do peneiro

que se mostra na Figura 4.11a. O valor do peso seco do provete é registado, e este é

posto a saturar em água durante, pelo menos, 12 horas à temperatura ambiente.

Após saturação, o provete é colocado horizontalmente e sem tensão no suporte do

peneiro, conforme se mostra na Figura 4.11b.

a)Suporte do peneiro

b)Colocação do provete no suporte do peneiro

Figura 4. 11 – Suporte do peneiro utilizado no ensaio de porometria.

Após colocação do provete de geotêxtil no referido suporte, é-lhe fixado

superiormente um peneiro com malha quadrangular de 10mm de lado, conforme se

128


apresenta na Figura 4.12a. Na zona de encaixe do peneiro, é aplicada fita teflon de

maneira a que no decorrer do ensaio não ocorram fugas de água. Sobre o geotêxtil é

espalhado uniformemente um solo granular sem coesão, com as características

especificadas na prEN ISO 12956, e com a curva granulométrica apresentada na

Figura 4.13, de forma a obter uma massa por unidade de área de (7±0,1)kg/m2.

a)Colocação do peneiro sob o geotêxtil

b)Espalhamento do solo sobre o geotêxtil

Figura 4.12 – Preparação do provete para o ensaio de porometria.

Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Diâmetro equivalente das partículas (mm)

% pa

ssad

os a

cum

ulad

a

Figura 4.13 - Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria.

Este provete é colocado num equipamento de peneiração automática (Figura 4.14a)

com uma amplitude definida de 1,5mm, sobre um colector (Figura 4.14b) que

acumula a água e partículas de solo que atravessam o geotêxtil durante o ensaio. No

decorrer do ensaio é pulverizada superficialmente água sobre o solo, garantindo que

todas as suas partículas são molhadas mas sem que o nível da água ultrapasse o nível

superior da camada de solo. Para tal, é controlado o caudal e a pressão da rede, com

auxílio de um medidor de caudal (Figura 4.15) e de uma válvula reguladora, ligados

à rede de abastecimento de água, garantindo um valor de caudal de 0,5l/minuto e

uma pressão de 300kPa na rede.

129


a)Equipamento de peneiração automática

b)Pulverização superficial de água sobre o provete

Figura 4.14 – Ensaio de porometria: peneiração por via húmida (prEN ISO 12956).

O ensaio decorre durante 600 segundos, findos os quais devem ser desligados o

equipamento de peneiração e o abastecimento de água. O material que atravessa o

geotêxtil é recolhido num recipiente, sendo o provete retirado do equipamento e

colocado num recipiente separado. Estes dois recipientes são colocados em estufa a

uma temperatura de 60ºC, até que seja evaporada toda a água do material granular e

até que o provete do geotêxtil esteja seco.

Figura 4.15 – Medidor de caudal aplicado na rede de abastecimento de água.

São então pesados o material granular retido sobre o geotêxtil, o geotêxtil com o

material granular retido e o material granular passado através do geotêxtil. O

material passado é peneirado nos peneiros da série ISO 565/R20 e é traçada a curva

granulométrica desse material. Determina-se a dimensão das partículas do solo O90,

correspondente ao valor de 90% das partículas passadas.

130


Este procedimento é repetido para 3 provetes sendo que, se a massa de passados se

desviar mais de 25% da média, devem ser ensaiados mais 2 provetes.

4.3.3 Procedimento do Ensaio de Danificação Durante a Instalação

Os procedimentos para simulação laboratorial da danificação durante a instalação de

geossintéticos encontram-se descritos na EN ISO 10722-1. Com este ensaio pretende-

se avaliar a redução de resistência que o geotêxtil sofre devido essencialmente às

operações de manuseamento, colocação e compactação do material de aterro junto

ao geotêxtil.

O procedimento é iniciado pelo corte de 12 provetes de geossintético, de acordo com

as especificações da EN 963, com as dimensões de 500x250mm, sendo 6 alinhados

com a direcção de fabrico e outros 6 pela direcção perpendicular à de fabrico.

O equipamento utilizado na realização dos ensaios de danificação é apresentado

esquematicamente na Figura 4.16, sendo este constituído por três partes:

1.Mecanismo de aplicação da carga – permite a aplicação de pressão de forma

sinusoidal entre os 900±10kPa e 5±5kPa, a uma frequência de 1Hz.

2.Caixa de danificação – é rígida, constituída em aço inoxidável com dimensões

internas de 300x300mm e contém o material granular e o geossintético a danificar. A

caixa é constituída por duas partes, com uma altura de 75mm cada. Estas duas partes

que constituem a caixa são fixas por encaixe e por aplicação da carga.

3.Placa de carregamento – é constituída em aço inoxidável, com uma rigidez tal que

na transmissão da força ao agregado não sofra flexão, tendo dimensões de

100x200mm.

131


200m

m

100mm

250m

m

300mm

300m

m

Provete de geossintético Placa de carga (100mmx200mm)

Base de suporte rígida

75m

m75

mm

Aplicação da carga, carga cíclica de5kPa até 900 kPa com 1 Hz

Solo compactado nas duas caixas

Caixa de aço rígida, parte inferior(300mmx300mm)

Caixa de aço rígida, parte superior(300mmx300mm)

Figura 4.16 - Representação esquemática da caixa de danificação (Paula, 2003).

O procedimento deste ensaio, de acordo com a norma, consiste em encher a caixa

metálica inferior com um agregado sintético, em duas camadas de igual altura,

perfazendo uma altura total de 75mm. Cada uma dessas camadas é compactada com

uma placa metálica rígida colocada sobre toda a área da caixa (Figura 4.17a),

aplicando-lhe uma tensão de 200±2kPa (Figura 4.17b) durante 60 segundos.

Esta norma especifica que o material granular a utilizar seja um agregado sintético

de óxido de alumínio normalizado, tendo partículas de dimensões entre os 5 mm e os

10mm. O mesmo material deve ser peneirado, com o peneiro de 5mm, após 5

utilizações, e rejeitado ao fim de 20 utilizações.

No entanto, na parte experimental deste trabalho foi utilizado um material com

características distintas. Assim, foi utilizado um material granular , do tipo angular

de origem granítica, com dimensões a variar entre os 31,5 e os 63mm e com uma

resistência à abrasão obtida no ensaio de Los Angeles de 16,9%. Foi utilizado este

material de balastro de via-férrea para tentar reproduzir, o mais realisticamente

possível, as condições a que os geossintéticos ficam sujeitos quando aplicados entre

camadas de balastro nas estruturas ferroviárias. Dadas as características deste

material, em particular a sua angulosidade e a quebra de partículas verificada,

optou-se pela peneiração do material no peneiro de 31,5mm após 4 utilizações e

rejeição do material após 8 utilizações. Este procedimento foi adoptado no sentido

de manter as características de maior agressividade do material granular (grandes

132


dimensões das partículas e sua forma angular) tão uniformemente quanto possível ao

longo dos ensaios de todos os provetes.

a)Placa utilizada na compactação das camadas inferiores

b)Aplicação de tensão na placa de compactação

Figura 4.17 – Enchimento e compactação do solo na caixa inferior do ensaio de danificação.

Após enchimento e compactação da caixa inferior, é colocado o provete de geotêxtil

sobre a camada de balastro, alinhando o centro do provete com o centro da caixa. A

caixa superior é encaixada sobre a caixa inferior, verificando-se que o provete de

geotêxtil fica sem rugas e sem tensão. Esta caixa é cheia com balastro solto até à

altura de 75mm, e o conjunto das duas caixas é colocado em posição central sobre a

placa de carregamento, conforme se mostra na Figura 4.18a, aplicando esta uma

carga de 5±5kPa. O carregamento é feito ao longo de 200 ciclos, a uma frequência de

1Hz, com uma carga cíclica triangular a variar entre os 5±5kPa e os 900±10kPa,

conforme se mostra na Figura 4.18b.

a) Danificação do provete em laboratório

100200300400500600700800900

10

0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

q(kP

a)

t(s)

b) Carregamento aplicado, de acordo com a ENV ISO

10722-1 (Paula , 2003)

Figura 4.18 – Simulação da danificação no provete de geotêxtil.

133


Terminada a aplicação dos 200 ciclos de carga, o material granular e o provete são

cuidadosamente removidos da caixa, sem que o provete sofra qualquer tipo de

danificação adicional à provocada pelo ensaio. Estes provetes são marcados com a

forma do provete do ensaio a realizar em seguida (de acordo com o programa de

ensaios pode realizar-se o ensaio de tracção, porometria ou abrasão) e cortados pela

marcação. Seguem-se então os procedimentos definidos para cada um dos referidos

ensaios.

Este procedimento é repetido para cada todos os provetes cortados inicialmente,

sendo estes analisados visualmente, e realizados os restantes ensaios para controlo

da variação do valor das propriedades .

4.3.4 Procedimento do Ensaio de Abrasão

Os procedimentos do ensaio de abrasão encontram-se descritos em pormenor na EN

ISO 13427 (1998). Este ensaio pretende simular a abrasão que o geotêxtil sofre

quando o balastro, com que contacta directamente, sofre deslocamentos provocados

pela aplicação de cargas provenientes do tráfego ferroviário.

Corta-se uma película de abrasivo com características de superfície P100, de acordo

com ISO/DIS 6344-2, com as dimensões de 220x385mm. Coloca-se a película na placa

deslizante entre as garras de fixação, sem rugas e orientada no sentido do

desenvolvimento do equipamento, conforme mostra a Figura 4.19, e apertam-se os 6

parafusos de cada uma das garras até que a película esteja firme.

Figura 4.19 – Fixação da película de abrasivo à placa inferior deslizante do equipamento de abrasão.

Os provetes de geotêxteis são cortados com as dimensões de 430x200, de acordo

com as especificações da EN 963. Dependendo do ensaio de controlo que se realize

134


posteriormente, de tracção ou porometria, define-se o número de provetes a cortar.

No caso do ensaio de tracção devem ser cortados 10 provetes, 5 em cada direcção

(de fabrico e perpendicular a este), e no caso do ensaio de abrasão deverão ser

cortados 3, ou 5 provetes, mediante o exigido.

Retira-se a placa superior do equipamento. Coloca-se uma das extremidades do

geotêxtil alinhada sob a garra da placa, do lado que não possui esticador, e

aparafusam-se os 6 parafusos dessa mesma garra, conforme se mostra na Figura 4.20.

Seguidamente, alinha-se o provete com o desenvolvimento da placa, segurando-o na

outra extremidade sob a garra, apertando os 6 parafusos dessa extremidade da

placa. Até esta fase, o esticador não deve ser utilizado, devendo somente iniciar-se a

sua utilização após colocação e fixação do provete às duas garras da placa superior.

O esticador deve ajustar o provete às formas da placa superior, eliminando as folgas

aí existentes não devendo, contudo, colocar o provete sob tensão.

a) Alinhamento do provete com a garra

b) Colocação do provete na garra

Figura 4.20 – Colocação do provete de geotêxtil à placa superior do equipamento de simulação da abrasão.

De seguida, coloca-se a placa superior nos apoios verticais do equipamento,

baixando-a até que esta fique alinhada com a placa inferior onde foi colocado o

abrasivo. Carrega-se a placa superior com os três níveis de pesos, definem-se na

caixa de aquisição 750 ciclos e dá-se início ao ensaio.

Uma vez terminado o ensaio, retira-se cuidadosamente o provete do equipamento,

sem que se provoque qualquer tipo de danificação adicional. Na outra face do

geotêxtil, oposta à que foi submetida à abrasão, marca-se a forma do provete a

ensaiar no ensaio de controlo, de tracção ou porometria, e corta-se pela marcação.

Seguem-se então os procedimentos definidos para cada um dos referidos ensaios.

135


Este procedimento repete-se para o número de provetes definido inicialmente,

utilizando-se para cada ensaio uma película de abrasivo nova.

4.4 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS

Aqui far-se-á a apresentação e análise dos resultados obtidos em cada um dos ensaios

realizados. Dar-se-á, naturalmente, maior relevância aos fenómenos observados no

ensaio de abrasão por este se tratar de um ensaio sobre o qual não são ainda

conhecidos resultados.

4.4.1 Ensaio dos Provetes Intactos

O ensaio dos provetes intactos consiste no ensaio de identificação dos geotêxteis

utilizados. Estes valores servem como termo de comparação à análise que

posteriormente será feita quando os provetes forem submetidos aos ensaios de

danificação e abrasão.

No Quadro 4.3, é possível observar o resumo dos resultados obtidos nos ensaios de

tracção para os provetes intactos. Estes geotêxteis apresentam comportamentos

distintos quando solicitados segundo a direcção de fabrico e segundo a direcção

perpendicuar à de fabrico, característica tipicamente exibida por geotêxteis não-

tecidos agulhados. O andamento das curvas força-extensão pode ser analisado no

Anexo 1, tendo o seu comportamento durante o ensaio sido considerado satisfatório,

não tendo ocorrido escorregamento de nenhum dos provetes nas garras, nem terem

existido roturas nos provetes a menos de 5mm destas.

Quadro 4.3 – Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes intactos.

Provetes Intactos Ensaio Tracção (EN ISO 10319)

Ensaio Elongação (EN ISO 10319)

Geotêxtil

Valor médio da

força máxima na

rotura (kN/m)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Valor médio da elongação para a força

máxima (%)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Direcção Fabrico 24445,77 4,13 1010,68 134,08 5,33 7,15

GT2 Direcção Perpendicular

Fabrico 24591,35 6,35 1560,59 57,46 11,87 6,82

Direcção Fabrico 43983,82 6,25 2750,19 104,20 6,49 6,77


Fabrico 45146,11 4,20 1896,40 84,39 5,56 4,69

136


Uma das características que mais acentuadamente diferencia estes dois geotêxteis,

para além da resistência à tracção, é a maior elongação na rotura exibida pelo GT2

nas duas direcções, o que poderá ser benéfico no contacto com as partículas de

balastro, na medida em que com maior facilidade se adapta à forma e dimensão

destas, sem sofrer rotura.

Na Figura 4.21 apresentam-se os resultados do ensaio de porometria para os dois

geotêxteis ensaiados, tendo-se revelando estes muito próximos, ou seja, com valores

muito semelhantes da dimensão aparente dos poros O90. Isto significa que estes

geotêxteis, em termos do seu dimensionamento para a função de filtragem,

apresentam características similares de retenção de partículas de solo.

GT1 (Identificação)

O90=0,137

70

80

90

100

0,01 0,1 1

Diâmetro equivalente(mm)

% Pa

ssad

os

a) GT1

GT2 (Identificação)

O90=0,138

70

80

90

100

0,01 0,1 1


% Pa

ssad

os

b) GT2

Figura 4.21 – Resultados do ensaio de porometria para provetes intactos.

As curvas apresentadas correspondem a valores médios, não se tendo verificado em

qualquer ensaio desvios superiores a 25% relativamente ao valor médio, pelo que

apenas foram ensaiados 3 provetes.

4.4.2 Ensaio dos Provetes Submetidos a D.D.I.

Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de D.D.I. segundo os procedimentos

descritos em 4.3.3. Seguidamente foram cortados, a partir desses provetes

danificados, provetes com as dimensões adequadas aos ensaios de tracção e

porometria. Foi realizada a inspecção visual dos provetes, apresentando estes cortes,

perfurações e alguma abrasão superficial, conforme se observa na Figura 4.22. Os

cortes e perfurações apresentavam maiores dimensões no caso do GT2, chegando a

atingir os 8mm de diâmetro, comparativamente ao GT1, que apresentavam

danificações da ordem dos 3 a 4 mm.

137


a)GT1

b)GT2

Figura 4.22 – Inspecção visual dos provetes após D.D.I.

Os resultados obtidos no ensaio de tracção são apresentados no Quadro 4.4, onde se

verifica uma perda de resistência à tracção e elongação mais acentuada no geotêxtil

GT2 face ao GT1, comparativamente aos provetes intactos. Isso deve-se ao facto de

o GT2 apresentar menor resistência à tracção inicial, e à sua estrutura ser de maior

fragilidade, ou seja, menor m.u.a. e menor espessura.

Quadro 4.4- Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos a D.D.I.



Geotêxtil

Valor médio da

força máxima

na rotura (kN/m)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Valor médio da

elongação para a força

máxima (%)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Direcção Fabrico

15830,823 11,89 1881,83 70,78 9,47 6,71


Fabrico 16584,90 8,41 1394,52 38,03 14,53 5,52

Direcção Fabrico

41241,92 12,70 5238,79 93,92 22,33 20,97


Fabrico 43635,92 7,89 3444,56 82,14 14,25 11,71

Também é notório um aumento generalizado do coeficiente de variação dos

resultados, consequência dos rasgos e perfurações com carácter aleatório que as

partículas de balastro causam nos geotêxteis. Estes rasgos e perfurações causam

pontos de fragilidade na estrutura do geotêxtil, conforme se observa na Figura 4.23,

dando-se a rotura dos provetes por esses pontos, fenómeno visível no Anexo 1 pelo

andamento das curvas força-extensão que tendem a sofrer maior grau de dispersão

relativamente à força máxima na rotura.

138


a) Pontos de fragilidade criados pela danificação

b) Rotura dos provetes pelos pontos de fragilidade

Figura 4.23 – Consequência da danificação nos provetes ensaiados à tracção.

A Figura 4.24 apresenta os resultados do ensaio de porometria dos provetes

danificados. Nota-se que houve um aumento em cerca de 14% na dimensão aparente

dos poros de ambos os geotêxteis, quando comparado com os provetes intactos. Este

aumento deve-se aos rasgos e perfurações verificados nos geotêxteis após

danificação, que criam aberturas onde não se verifica a função de filtragem,

facilitando o escoamento da água com solo misturado. Seria de esperar um aumento

da dimensão dos poros superior no caso do GT2, visto este ter uma menor m.u.a. e

menor espessura, logo potencialmente menor resistência à danificação durante a

instalação. No entanto, tal não se verificou provavelmente devido ao facto de a

danificação provocada pelas partículas de balastro, devido às suas elevadas

dimensões, ser do tipo rasgo e perfuração, ou seja, bastante localizada, e

tendencialmente idêntica para qualquer geotêxtil, desde que este não resista a esses

cortes e perfurações.

GT1 (Após DDI)

O90=0,156

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

a) GT1

GT2 (Após DDI)

O90=0,157

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

b) GT2

Figura 4.24 - Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos a danificação.

139


Foi verificado que as partículas de balastro, pela elevada quebra de partículas que

apresenta, dá origem a um material de granulometria bastante fina que tende a

acomodar-se na estrutura dos geotêxteis (Figura 4.25), podendo alterar as

características da função de filtragem. No entanto, não foi possível isolar a influência

deste fenómeno na dimensão aparente dos poros devido à presença de cortes e

perfurações que facilitam a saída da água com solo misturado.

Figura 4.25 – Acumulação de partículas finas na estrutura do geotêxtil.

4.4.3 Ensaio dos Provetes Submetidos à Abrasão

Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de abrasão segundo os

procedimentos descritos em 4.3.4. Seguidamente foram cortados, a partir desses

provetes danificados, provetes com as dimensões adequadas aos ensaios de tracção e

porometria.

A observação dos ensaios no geotêxtil GT2 mostrou que a sua elevada elongação,

aliada à sua baixa resistência à tracção põe em causa os resultados do ensaio de

abrasão, isto porque se verifica que em muitos dos ensaios se geram folgas entre o

provete de geotêxtil e a placa superior do equipamento, aderindo o geotêxtil à

película de abrasivo e consequentemente anulando a simulação do fenómeno de

abrasão. Este tipo de comportamento pode, como já foi referido anteriormente, ser

benéfico nas aplicações que aqui se pretendem simular, já que permite ao geotêxtil

deformar-se, adaptando-se à forma das dimensões das partículas de balastro sem

sofrer rotura. Nos ensaios em que ocorreu abrasão, verificou-se que as suas

consequências são bastante gravosas, conforme se verifica na Figura 4.26,

apresentando desagregações superficiais parciais e totais, criação de nódulos,

alinhamento dos filamentos na direcção da abrasão e separação. Esta descrição dos

fenómenos de abrasão está de acordo com a apresentada no Quadro 3.5.

140


Figura 4.26 – Aspecto visual da abrasão no geotêxtil GT2.

No caso do GT1, a sua elevada resistência à tracção e menor elongação permitiram

simular eficazmente a abrasão. A abrasão apenas tem efeito numa parte da

espessura do geotêxtil (Figura 4.27), tendo sido a espessura afectada cerca de

1,4mm. Os efeitos que a abrasão tem são verificados só na camada superficial e

constam aí de uma reorientação dos filamentos numa direcção preferencial, a do

sentido da abrasão, pontualmente a criação de nódulos, e uma desagregação

superficial parcial. Dado que os filamentos são do tipo contínuo, a desagregação

superficial apenas se dá parcialmente, não sendo os filamentos destacados da

estrutura do geotêxtil.

3,9m

m11

,7m

m

5,3m

m

a) Espessura do provete intacto

b) Espessura do provete afectada pela abrasão

Figura 4.27 – Simulação da abrasão no provete de geotêxtil GT1.

Este efeito da abrasão na camada superficial faz com que o provete, quando

colocado na garra de tracção para ser solicitado, tenda a sofrer deslizamento pela

interface da camada desagregada com a restante estrutura. Esta tendência para o

deslizamento associada à elevada resistência à tracção levou a que tivesse de ser

adoptado, na zona das garras, uma colagem da zona de desagregação dos filamentos,

o que possibilitou a realização dos ensaios de tracção.

141


Os resultados dos ensaios de tracção são apresentados no Quadro 4.5, onde se

verifica que a resistência à tracção do GT2, comparada com a dos provetes intactos,

praticamente não se alterou (baixou cerca de 1%), tendo sido já apresentada a

justificação para esta causa, a de ter conseguido simular a abrasão em poucos

provetes, daí que a validade destes resultados possa ser posta em causa. O geotêxtil

GT1 apresenta um aumento da sua resistência à tracção (cerca de 20%) e elongação

na rotura (cerca de 40%), devido provavelmente à reorientação de alguns filamentos

e/ou ao facto de a camada superficial ser parcialmente destacada, o que provoca

que alguns dos filamentos entrem em tracção somente quando já existiu alguma

deformação prévia do geotêxtil, conforme se pode ver na Figura 4.28. Note-se que se

os filamentos não fossem do tipo contínuo existiria uma perda de resistência à

tracção e uma baixa na sua elongação na rotura, já que alguns dos filamentos seriam

destacados da estrutura, deixando de contribuir para as propriedades mecânicas do

geotêxtil.

Quadro 4.5 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à abrasão.



Geotêxtil

Valor médio da

força máxima

na rotura (KN/m)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Valor médio da


máxima (%)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Direcção Fabrico

24418,50 14,32 3496,84 132,38 11,32 14,98


Fabrico 24270,35 2,94 714,10 60,17 14,67 8,83

Direcção Fabrico

55651,20 4,29 2386,327 142,58 4,47 6,38


Fabrico 54187,78 2,50 1353,384 129,10 11,02 14,23

Não é notório o aumento do coeficiente de variação dos resultados do ensaio de

tracção relativamente aos provetes intactos, isto porque, no caso do GT2 a abrasão

foi limitada, já no caso do GT1, uma vez que não houve corte ou destacamento total

de filamentos não se verificou perda de resistência à tracção, logo não se regista

variação no seu comportamento. O coeficiente de variação dos resultados do ensaio

de elongação mostra que, no GT1, a abrasão ao causar alteração da disposição dos

filamentos na estrutura do geotêxtil conduz a diferentes elongações na rotura para

cada provete.

142

Capítulo 4 ratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão

143

Estudo Labo

Figura 4.28 – Ensaio de tracção do geotêxtil GT1 após abrasão.

a) Colocação do provete nas garras

b) rotura do provete após abrasão

Relativamente aos resultados dos ensaios de porometria, pode ver-se na Figura 4.29,

que o GT2 praticamente não sofreu qualquer alteração na dimensão aparente dos

seus poros, tendo aumentado de 0,138mm para 0,139mm. Isto deve-se ao facto de,

como já foi referido, o fenómeno de abrasão não ter sido simulado eficazmente neste

geotêxtil.

GT1 (Após Abrasão)

O90=0,102

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

a) GT1

GT2 (Após Abrasão)

O90=0,139

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

b) GT2

Figura 4.29 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à abrasão.

O geotêxtil GT1 sofreu uma diminuição de cerca de 25% na dimensão aparente dos seus

poros, devida provavelmente ao destacamento parcial dos filamentos da estrutura do

geotêxtil, visível na Figura 4.27. Este destacamento parcial dos filamentos, dá origem à

formação de uma trama de filamentos superficiais solta, semelhante aquela presente

nos geotêxteis não tecidos antes da fase de agulhagem, com uma distribuição de poros

mais fechada. Repare-se também no facto de a colocação do provete de geotêxtil no

ensaio de porometria ter sido feita com a face que sofreu abrasão voltada no sentido

da colocação da camada uniforme de solo, o que pode dificultar, à partida, ainda mais,


a passagem do solo através da estrutura do geotêxtil.

4.4.4 Ensaio dos Provetes Submetidos à DDI e à Abrasão

Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de DDI, seguindo os procedimentos

descritos em 4.3.3, e posteriormente cortados com as dimensões adequadas para o

ensaio de abrasão. Foram então ensaiados à abrasão, seguindo os procedimentos

descritos em 4.3.4, e cortados os provetes com as dimensões adequadas aos ensaios

de tracção e porometria.

Da inspecção visual foi possível observar que o GT2 sofreu cortes e perfurações tendo

as dimensões de alguns desses atingido os 15mm, e alguma abrasão superficial

(Figura 4.30a), como resultado da DDI, e que o material granular fino resultante da

quebra das partículas de balastro ficou incrustado na estrutura do geotêxtil. Foi

observado que a incrustação dessas partículas finas permitiu a simulação mais eficaz

da abrasão (Figura 4.30b) devido a um aumento da rigidez da camada superficial da

sua estrutura. Este aumento da rigidez superficial deve-se, provavelmente, ao facto

de as partículas de solo incrustadas não permitirem a fácil movimentação dos

filamentos na estrutura do geotêxtil, não havendo por isso facilidade na elongação e,

como tal, permitindo a abrasão pela película de abrasivo. Esta abrasão causou um

ligeiro aumento nas aberturas dos cortes e perfurações, resultando em algumas

aberturas com 17mm.

a)GT2 após D.D.I. e antes da abrasão

b)GT2 após D.D.I. e abrasão

Figura 4.30 – Geotêxtil GT2 submetido aos ensaios de D.D.I. e abrasão.

O GT1, como consequência da DDI sofreu alguns cortes e perfurações (com cerca de

4mm) e alguma abrasão superficial, inferior ao GT2, apresentando partículas finas de

144


balastro incrustadas na sua estrutura. Quando submetido à abrasão, observou-se, no

GT1, a criação de nódulos e um ligeiro destacamento dos filamentos superficiais

(Figura 4.31), não tendo sido praticamente verificado aumento das aberturas

resultantes da DDI.

O fenómeno de criação de nódulos é comum aos dois geotêxteis, e deriva do facto de

a incrustação das partículas de solo aumentar a rigidez da estrutura do geotêxtil. A

criação de nódulos é o principal tipo de abrasão presente, pois os filamentos da

estrutura do geotêxtil não se movimentam com tanta facilidade, surgindo

desagregação superficial, e um desgaste acrescido da camada que contacta

directamente com a película de abrasivo. Este acréscimo de desgaste superficial dá

origem ao corte de filamentos, com a criação de nódulos.

a)GT1 após danificação e antes da abrasão

b)GT1 após danificação e abrasão

Figura 4.31 – Geotêxtil GT1 submetido aos ensaios de danificação e abrasão.

No Quadro 4.6 podem ver-se os resultados obtidos no ensaio de tracção onde é

possível verificar que o geotêxtil GT2 sofreu uma elevada quebra de resistência à

tracção, atingindo os 44% para a direcção de fabrico, significando isto que, para além

da D.D.I., ocorreu abrasão, já que a perda de resistência é superior a qualquer um

dos fenómenos actuando isoladamente. No que respeita à elongação, verifica-se

igualmente uma elevada quebra nos seus valores, atingindo os 54%, devida à redução

de resistência verificada.

Os resultados para o GT1 mostram que não houve grande variação na resistência

retida, tendo baixado somente cerca de 2% na direcção de fabrico, tendo inclusivé

aumentado cerca de 7% para a direcção perpendicular à de fabrico. Este aumento

pode dever-se à combinação da reorientação de alguns filamentos da estrutura do

geotêxtil com a presença de algumas partículas finas nessa mesma estrutura. Já

relativamente à elongação, foi verificada uma quebra, sem significado, em cerca de

145


4% para a direcção perpendicular à de fabrico, ao passo que na direcção de fabrico se

registaram diminuições de cerca de 28%.

Quadro 4.6 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à abrasão e

danificação durante a instalação.



Geotêxtil

Valor médio da

força máxima

na rotura (kN/m)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Valor médio da


máxima (%)

Coef. variação

(%)

Desvio padrão

Direcção Fabrico

13723,22 23,23 3187,44 62,04 13,73 8,52


Fabrico 18200,30 6,49 1181,70 38,39 10,82 4,15

Direcção Fabrico

43255,42 5,21 2254,04 75,23 9,01 6,78


Fabrico 48289,85 7,77 3752,95 80,94 15,60 12,63

Relativamente ao coeficiente de variação dos resultados, é visível um aumento

generalizado, consequência dos rasgos e perfurações com carácter aleatório

provocados pelo balastro no ensaio de D.D.I. e pelo incremento dessa danificação no

ensaio de abrasão. Estes dois tipos de danificação alteram as propriedades mecânicas

dos geotêxteis, aumentando a variabilidade dos resultados no ensaio de

tracção/elongação.

Relativamente ao ensaio de porometria (Figura 4.31), foi verificado um importante

incremento na dimensão aparente dos poros nos dois geotêxteis, com maior

incidência no GT2. Assim, o aumento do valor O90 para o GT2 foi de cerca de 83%, e

para GT1 de 26%. No caso do GT2, isto é consequência de uma maior danificação

sofrida, já que os cortes e perfurações provocados pelo ensaio de D.D.I. são

incrementados pela abrasão. A justificação para o incremento sentido no GT1 é

semelhante à apresentada para o GT2, no entanto os efeitos têm consequências

menos gravosas.

146


GT1 (Após Abrasão+DDI)

O90=0,173

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

a) GT1

GT2 (Após Abrasão+DDI)

O90=0,252

70

80

90

100

0,01 0,1 1


%pas

sado

s

b) GT2

Figura 4.32 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à D.D.I. e abrasão.

Este aumento do valor de O90 para o GT2 parece comprometer a sua utilização em

estruturas ferroviárias, pelo menos em contacto directo com o balastro, na medida

em a sua capacidade de retenção vem claramente diminuída (83%) e os cortes e

perfurações verificados permitem a passagem de partículas com dimensões máximas

de 17mm.

4.5 DISCUSSÃO DE RESULTADOS

A inspecção visual dos provetes danificados laboratorialmente pelo ensaio de abrasão

mostra que os processos de abrasão verificados são concordantes com os observados

por Raymond et al. (1982), apresentados no Quadro 3.5, constando estes de cortes,

perfurações, abrasão superficial, alinhamento de filamentos, criação de nódulos e

desagregação superficial.

Nas Figuras 4.33 e 4.34 apresenta-se um resumo das variações da resistência retida à

tracção nos dois geotêxteis para os três níveis de danificação simulados

laboratorialmente. Aí, é visível que o tipo de danificação que mais influencia a

resistência dos geotêxteis, é a D.D.I. actuando isoladamente. Ao contrário do que

seria de esperar, a D.D.I. combinada com a abrasão, gera menores perdas de

resistência à tracção, sendo a justificação para este facto atribuída à reorientação

dos filamentos na estrutura dos geotêxteis.

É também visível a inexistência de abrasão no caso do GT2, mantendo-se

praticamente inalterada a resistência à tracção. Pelo contrário, no caso do GT1, a

abrasão é benéfica no que se refere à resistência à tracção, devido à reorientação

dos filamentos na estrutura do geotêxtil.

147


GT 2

Direcção de Fabrico Direcção Perpendicular à de Fabrico

64,8

99,9

56,1

100,0

67,4

98,7

74,0

100

0

20

40

60

80

100

120

Vari

ação

per

cent

ual

da r

esis

tênc

ia

à tr

acçã

o re

tida

(%)

Identificação

DDI

Abrasão

DDI+Abrasão

Figura 4.33 – Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil GT2.

GT 1

Direcção de Fabrico Direcção Perpendicular à de Fabrico

100,093,8

126,5

98,3 100,0 96,7

120,0107,0

0

20

40

60

80

100

120

140

Vari

ação

per

cent

ual

da r

esis

tênc

ia

à tr

acçã

o re

tida

(%)

Identificação

DDI

Abrasão

DDI+Abrasão

Figura 4.34 - Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil GT1.

Os resultados obtidos com para o GT2 revelam-se algo optimistas quando comparados

com os obtidos por Hausmann et al.(1990), realizados sobre amostras de geotêxteis

exumados de aplicações reais, e apresentados na Figura 3.28. Os dois geotêxteis

apresentam m.u.a. semelhantes, no entanto a perda de resistência varia de 67 a 74%

nos resultados obtidos por Hausmann et al. (1990), ao passo que no presente estudo

a máxima perda de resistência atinge os 45%. Este facto pode atribuir-se à

dificuldade de simulação laboratorial da abrasão no GT2.

A simulação laboratorial da danificação durante a instalação com balastro pode ser

considerada pessimista relativamente às situações reais, no sentido em que as

camadas de material que sofrem acções de compactação sobre os geotêxteis

148


aplicados " in situ" têm uma espessura bastante superior (cerca de 40cm) à utilizada

na presente parte experimental (15cm).

Relativamente às propriedades hidráulicas dos geotêxteis, foi verificado que o GT2

sofre cortes e perfurações em maior número e de maior gravidade,

comparativamente ao GT1, o que, influencia as características de filtragem do

geotêxtil, na medida em que a dimensão característica dos seus poros vem alterada.

Na Figura 4.35, é possível observar o resumo dos resultados obtidos nos ensaios de

porometria, onde se constata que, contrariamente ao que sucedia na resistência à

tracção, os dois fenómenos de danificação (D.D.I. e abrasão) combinados causam um

maior aumento na dimensão aparente dos poros dos geotêxteis. Esse aumento atinge

os 83% no caso do GT2, e os 26% no caso do GT1.

Porometria

100114

101

183

100114

74

126

0

50

100

150

200

GT2 GT1

Vari

ação

per

cent

ual

da

dim

ensã

o ap

aren

te d

os

poro

s (%

)

Identificação

DDI

Abrasão

DDI+Abrasão

Figura 4.35 – Variação da dimensão característica dos poros dos geotêxteis ensaiados.

Os aumentos do valor de O90 verificados para o GT2 parecem inviabilizar a sua

utilização como filtro nas aplicações ferroviárias, quando utilizado em contacto

directo com a camada de balastro, na medida em que, após abrasão se constatou

uma tendência para o desenvolvimento de maiores aberturas dos cortes e

perfurações, logo, para maiores valores de O90, o que acabará por comprometer o

controlo do fenómeno de contaminação do balastro.

Os aumentos verificados no valor de O90 para o GT1 não parecem comprometer a sua

utilização em aplicações ferroviárias, visto não existir a tendência para o aumento

das dimensões dos cortes e perfurações. Assim, justifica-se este aumento

149


comparativamente ao verificado nos provetes após DDI, de 14%, com a modificação

superficial da estrutura afectada pela abrasão.

Tal como foi referido relativamente às propriedades mecânicas, também os

resultados dos ensaios de porometria devem ser encarados com precaução, visto não

haver qualquer outro estudo laboratorial publicado, com que se possam correlacionar

resultados e estabelecer ligações.

4.6 CONCLUSÕES

Em qualquer um dos geotêxteis ensaiados, verifica-se que as acções de danificação

durante a instalação são bastante severas, provocando cortes e perfurações nos

geotêxteis. Isto deve-se, por um lado, às características das partículas de balastro,

de grandes dimensões e do tipo angular, e por outro, às condições do ensaio serem

mais severas que o verificado "in situ". Também foi visto que esta danificação é tanto

mais gravosa quanto menor é a m.u.a do geotêxtil, pelo que se destaca a importância

de utilizar um geotêxtil com elevada m.u.a.. Apesar da utilização de um geotêxtil

com elevada m.u.a. e com o intuito de minimizar este tipo de danificação no

contacto directo com a camada de balastro será recomendável, tal como referido na

bibliografia da especialidade, a utilização de camadas de areia na interface balastro-

geotêxtil para protecção ao geotêxtil, funcionando essas, adicionalmente, como um

primeiro filtro para as partículas de maiores dimensões.

Foi visto que o fenómeno de abrasão, actuando isoladamente, só foi observado no

geotêxtil GT1, parecendo inadequada a utilização deste equipamento com geotêxteis

de baixa resistência à tracção e elevada elongação. Para o geotêxtil GT1, observou-

se que os processos de abrasão que ocorrem são semelhantes aos descritos por outros

autores, o que comprova a eficácia deste equipamento na simulação da abrasão

neste tipo de geotêxtil. Estes processos de abrasão manifestam-se essencialmente

nas propriedades hidráulicas do geotêxtil, consequência da reorientação dos

filamentos superficiais que compõem a estrutura do geotêxtil, diminuindo a

dimensão aparente dos poros deste. As propriedades mecânicas, não foram

praticamente afectadas devido, provavelmente, ao tipo de geotêxtil utilizado nos

ensaios, de filamento contínuo, o qual não se destaca totalmente da estrutura,

excepto por corte, contribuindo sempre para a sua resitência mecânica. Assim,

constata-se a importância de utilizar um geotêxtil de filamento contínuo,

especialmente quando a função de reforço seja relevante.

150


A combinação dos dois fenómenos de danificação mostrou ter consequências diversas

nos dois tipos de geotêxtes utilizados. No caso do GT2, tanto as propriedades

mecânicas como hidráulicas foram gravemente afectadas, pondo em causa a sua

utilização nas obras ferroviárias, salvo os casos em que sejam adoptadas medidas de

protecção face ao seu contacto directo com as partículas de balastro. Pelo contrário,

o GT1 face aos fenómenos de danificação considerados, mostrou-se praticamente

insensível na variação da resistência à tracção e uma ligeira alteração das

propriedades hidráulicas, não comprometendo a sua aplicação em obras ferroviárias.

Por último, deve ressalvar-se que a parte experimental aqui realizada, pretendeu

simular as condições de maior agressividade verificadas "in situ" para os geotêxteis,

ou seja, as obras de reabilitação, em que o geotêxtil é colocado em contacto com o

balastro nas suas duas faces, pelo que se julga que os resultados aqui obtidos se

possam considerar algo conservadores.

151

CAPÍTULO 5

DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

Do estudo laboratorial realizado neste trabalho constatou-se que a aplicação de

geossintéticos directamente na camada de balastro é efectivamente exigente, pelo

que a avaliação dos fenómenos de abrasão e danificação durante a instalação de

geossintéticos se revela essencial para garantir, em dimensionamento, o correcto

desempenho destes nas funções de filtro, separação e reforço.

Os resultados aqui obtidos no equipamento de abrasão revestem-se, de algum modo,

de carácter inovador, visto não haver ainda resultados na bibliografia sobre este

equipamento. Dada a exigência da EN 13250 relativamente a este ensaio, existirá

todo o interesse em obter um maior númerio de resultados neste equipamento e

também resultados de monitorizações "in situ" para posteriormente poder

correlacioná-los com os aqui obtidos.

Será também de todo interessante avaliar a influência que estes dois fenómenos de

danificação têm nos coeficientes de permeabilidade dos geossintéticos, vista a

importância que a função de filtragem desempenha nesta aplicação e a tendência

para a existência nos geossintéticos de cortes e perfurações. Neste sentido será

também importante fazer o estudo sobre geossintéticos que revelem maior

resistência a cortes e perfurações, pela prática de técnicas especiais de fabrico com

adição de resinas, e conhecer qual a influência estas técnicas de fabrico podem ter

na sua função de filtro.

Por último, será também conveniente realizar o estudo destes fenómenos noutros

tipos de materiais geossintéticos, como geotêxteis tecidos, geotêxteis não tecidos

termossoldados e agulhados constituídos por filamentos contínuos e fibras, a fim de

conhecer o seu desempenho comparativamente ao dos materias aqui ensaiados.

- Anexo 1 -

Anexo1

Resultados dos Ensaios de Tracção/Elongação (EN ISO 10319)

- GT1 –

GT1 Identificação - Direcçao de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra1Amostra2Amostra3Amostra4Amostra5Amostra6

GT1 Identificação - Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra1Amostra2Amostra3Amostra4Amostra5Amostra6

157

Anexo1

GT1 Após DDI - Direcção de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra1

Amostra2

Amostra3

Amostra4

Amostra5

Amostra6

GT1 Após DDI - Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

10002000

30004000

5000

60007000

80009000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140

e(%)

Forc

a (N

)

Amostra1Amostra2Amostra3Amost

158

Anexo1

GT1 Após Abrasão - Direcção de Fabrico

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3Amostra 4

Amostra 5

Amostra 6

GT1 Após Abrasão - Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

Amostra 6

159

Anexo1

GT1 Após DDI e Abrasão - Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4

Amostra 5Amostra 6

GT1 Após DDI e Abrasão - Direcção de Fabrico

10000

9000

8000Amostra 1

7000Amostra 2

600Força(N) 0 Amostra 3Amostra 4

5000Amostra 5

4000

3000

2000

1000

0

0 20 40 60 80 100 120

e(%)

Amostra 6

160

Anexo1

- GT2 –

GT2_Identificação_Direcção de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

e(%)

Forç

a(N

) Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5

GT2_Identificação_Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

e(%)

Forç

a(N

)

Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6

161

Anexo1

GT2_Após DDI_Direcção de Fabrico

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60 80 100 120

e(%)

Forç

a (N

)


GT2_Após DDI_Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

e(%)

Forç

a(N

)


162

Anexo1

GT2_Após Abrasão_Direcção de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

e(%)

Forç

a(N

)


GT2_Após Abrasão_Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

e(%)

Forç

a(N

) Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5

163

Anexo1

GT2_Após DDI+Abrasão_Direcção de Fabrico

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60 80 100 120

e(%)

Forç

a(N

)


GT2_Após DDI+Abrasão_Direcção Perpendicular à de Fabrico

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

e( %)

Forç

a(N

)


164

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