Correlação entre Suscetibilidade à Processos Geodinâmicos e
Classificação Geotécnica de Solo nos Trechos da Estrada de
Ferro Carajás.
Carla da Silva Fernandes, Universidade Federal de Ouro Preto, NGA, Ouro Preto, Brasil,
[email protected];
Luanna Di Guimarães, Universidade Federal de Ouro Preto, NGA, Ouro Preto, Brasil,
[email protected];
Rosyelle Corteletti, Universidade Federal de Ouro Preto, NUGEO, Ouro Preto, Brasil,
[email protected];
Romero César Gomes, Universidade Federal de Ouro Preto, NUGEO, Ouro Preto, Brasil,
[email protected];
Roberto Almeida Cunha Filgueiras, GERPRO, Belo Horizonte, Brasil, [email protected].
RESUMO: A origem dos problemas de movimentos de massa nas ferrovias do Brasil não está
restrita somente ao baixo investimento neste tipo de infraestrutura no país, mas também está
relacionada às características de contorno deste tipo de obra, pois percorrem longas distâncias e
atravessam trechos com características bem distintas, desde estruturas geológicas, formas de relevo,
vegetação, até o uso e ocupação do solo. Diante disto, há uma carência em metodologia científica de
análise de risco geológicos-geotécnicos para este tipo de transporte. A metodologia TMD parte do
príncipio que obras ferroviária devem ser caracterizada por um mesmo domínio geológicogeotecnico. Os projetos de ferrovias são baseados no histórico de eventos danosos, que podem
paralisar a via, além de gerar custos elevados para a manutenção emergencial da mesma. Diante
disso, o presente trabalho tem como objetivo apresentar a correlação entre suscetibilidade aos
processos geodinâmicos e a clasificação de solo como parâmetro da setorização geológicogeotécnica de ferrovia. Para a realização desse estudo, foram utilizados dados do projeto de
construção de 1978 e do projeto de ampliação de 2005 da Estrada de Ferro Carajás fornecidos pela
empresa VALE S.A. Dados pertentecentes a toda extensão da ferrovia foram dividos em trechos e
submetidos para estudo utilizando o método de Cluster através do Software R para a realização da
análise estatística multivariada. Os trechos foram agrupados por estrutura litoestratigráfica a partir
dos dados de unidades geomorfológicas, classificação de SUCS e HRB. Essa análise realizada,
busca o reconhecimento de padrões para prever quantitativamente respostas de interesse geológicogeotécnico, identificando tendência para que se possa agir de forma preventiva a algum evento que
possa paralisar as atividades da ferrovia.
PALAVRAS-CHAVE: Suscetibilidade, Classificação Geotécnica de Solo e Ferrovia.
1
INTRODUÇÃO
De forma geral, é possível definir a ferrovia
como um “caminho de ferro”. Especificamente,
é um caminho formado por trilhos paralelos de
aço, assentados sobre dormentes de madeira,
concreto ou outros materiais. As ferrrovias são
distinguidas por atravessarem trechos com
características geomorfológicas, geológicas,
pedológicas, geotécnicas, além de diversos tipos
de vegetação e cidades bem distintas.
Devido ao baixo investimento em
infraestrutura ferroviária no país, nota-se a
escassez da malha ferroviária que não ultrapassa
a 30.000 km em todo território brasileiro, bem
como de dados científicos. Isso se reflete
quando as ferrovias são afetadas com os
problemas de origens geológico-geotécnicos,
que normalmente geram instabilidades nos
taludes de corte e aterros ao longo da via, e
podem atingir, inclusive, a estrutura da
plataforma ferroviária com os movimentos de
massa, erosões e colapsos. Como conseqüência
pode culminar a paralisia da via, além de gastos
com a manutenção. Dentro deste contexto, o
conhecimento das características do meio físico
e suas gêneses são considerados, neste estudo,
como fundamental para gestão e manutenção de
pavimentos ferroviarios. Para tanto o escopo
deste
trabalho
abrange
procedimentos
associados à primeira fase da Metodologia
TMD (Trecho- Modelo- Desempenho) de
avaliação do comportamento geotécnico de
obras lineares de grande porte de Gomes
(2009). A fase inicial da Metodologia TMD
consiste na subdivisão da obra linear (no caso a
ferrovia EFC) em setores ou trechos de
referência (TR), a partir da demarcação de
segmentos estabelecidos, com base em
domínios
geológico-geotécnicos
regionais
atravessados pela via. Este processo é
formalizado a partir dos levantamentos
disponíveis em escala regional, no banco de
dados consolidados da ferrovia e na aferição do
comportamento geotécnico da via em termos de
respostas às cargas impostas de tráfego.
Este trabalho teve como estudo de caso a
Estrada de Ferro Carajás (EFC). Esta ferrovia
atravessa a região amazônica ao longo de 892
km de extensão, ligando a mina de ferro Carajás
no Pará até o Porto do Itaqui, localizado na
cidade de São Luís (MA). Ela transporta cerca
de 100 milhões de toneladas anualmente de
minério de ferro extraído de Carajás.
A escolha de utilizar a análise multivariada para
identificar
uma
setorização
geológica
geotécnica diz respeito as características de
contorno deste tipo de análise estatística, e por
esse tipo de análise comungar com os princípios
gerais da Metodologia TMD aplicada a
pavimentos ferroviários de acordo com Gomes
(2009) “prévia subdivisão da via em setores ou
trechos de referência, a partir da demarcação
de segmentos, com o subleito caracterizado por
um mesmo domínio geológico-geotécnico”.
2
OBJETIVO
Este trabalho tem por objetivo apresentar o uso
da análise multivariada para identificação da
correlação entre trechos suscetíveis à processos
geodinâmicos e a classificação de solo na
setorização geológica geotécnica da ferrovia
EFC, utilizando a ferramenta de tratamento
estatístico de análise multivariada a partir do
Software R.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
Como base nos dados do projeto básico de
construção de 1978 e do projeto de ampliação
de 2005, além dos relatórios técnicos de
auditoria da estrada de ferro Carajás fornecidos
pela empresa VALE S.A. A ferrovia foi
dividida em 914 subtrechos ao longo dos 892
km, no qual foram realizadas coleta de dados. A
partir do cruzamento dos dados citados
construiu-se um banco de dados desenvolvidos
através da metodologia de risco geológicogeotécnico. A metodologia proporciona a
identificação dos trechos suscetíveis aos
processos geodinâmicos, em níveis hierárquicos
de suscetibilidade (alto, médio, moderado,
baixo e insignificante).
Verificou-se a concentração de trechos com
suscetibilidade ao longo da ferrovia,
intercalados por longos trechos caracterizados
pela inexistência de processos geodinâmicos na
via. Com o intuito de identificar a causa dos
processos geodinâmicos ao longo da ferrovia,
partiu-se para a análise dos ensaios de
caracterização geotécnica dos solos. Foram
analisados detalhadamente os resultados dos
ensaios de consistência e classificação
granulométrica. Mediante o cruzamento dos
valores de limites de liquidez (LL) e índice
Plasticidade (IP) no gráfico de plasticidade de
Casagrande, foi empregada a classificação de
solo SUCS (Sistema Unificado de Classificação
de Solo) e a classificação HRB (Highway
Research Board). Em seguida foi utilizada a
análise estatística multivariada, no qual as
características foram analisadas conjuntamente,
pois em geral, estas são dependentes entre si.
3.1
Aplicação da Análise Multivariada
A metodologia de riscos geológicos-geotécnicos
(Corteletti, 2014) de ferrovias proporciona o
cálculo da suscetibilidade com base na
estatística multivariada. Essa ferramenta
estatística aborda as variáveis de forma
conjunta. Para emprego do método, deve-se
levar em consideração alguns pressupostos
como aleatoriedade e inter-relação das
variáveis, para assegurar conclusões confiáveis
sobre a população de estudo. O tratamento
multivariado incorpora múltiplas variáveis
estatísticas, e não somente no número de
variáveis ou observações. Assim, ela
corresponde a um grande número de métodos e
técnicas que utilizam simultaneamente, todas as
variáveis na interpretação teórica do conjunto
de dados obtidos (Hair, et al, 2004).
3.1.1 Identificação
Suscetibilidade
dos
Trechos
com
A identificação dos trechos com suscetibilidade
teve como base os princípios do método
estatístico de análise de Cluster, método
hierárquico com o critério Single-Linkage
Method, para gerar os níveis hierárquicos de
suscetibilidade (alto, médio, moderado, baixo e
irrelevante).
De modo geral a análise de Cluster ou a
análise de agrupamentos é caracterizada pela
eficiente técnica de tratamento de dados de
identificação de agregados homogêneos em um
todo heterogêneo.
Para a identificação dos trechos suscetíveis a
processos geodinâmicos ao longo da via, com o
intuito de se avaliar a efetividade das análises
do comportamento geológico geotécnico e suas
potenciais inter-relações a metodologia busca
atribuir índices de criticidade para cada um dos
segmentos de cada trecho da via. A ferrovia foi
dividida em 914 subtrechos com extensão
determinada,
compartimentada
em
três
segmentos: lado esquerdo (LE); plataforma
ferroviária (PL) e lado direito (LD).
A escala numérica adotada para os índice de
criticidade representa um conjunto hierárquico
em cinco níveis: critico (5), desfavorável (4),
moderado (3), irrelevante (2) e inexistente (1),
que expressam a magnitude do conjunto de
sinais/feições de instabilidade associadas a cada
segmento de um dado subtrecho (LE, PL, LD).
Adotando-se um determinado padrão para a
aferição integrada destes índices para o
subtrecho correspondente, torna-se possível
estabelecer a suscetibilidade do mesmo. O
padrão adotado utilizou a técnica multivariada
de análise fatorial (Método de Cluster
hierárquico – critério de Single-Linkage
Method) estimado com base na seguinte
relação:
S = iCLE!+ iCPL!+ iCLD!-3
(1)
sendo:
S - índice de suscetibilidade correspondente a
cada subtrecho;
iCLE! = fatorial do índice Crítico correspondente
ao Lado Esquerdo (LE) do subtrecho;
iCPL = fatorial do índice Crítico correspondente
a Plataforma (PL)do subtrecho;
iCLD = fatorial do indice Crítico correspondente
ao Lado Direito (LD) do subtrecho;
As faixas de valores dos índices de
suscetibilidade caracterizam os limites para os
diferentes trechos da via, conforme indicado na
Tabela 1.
Tabela 1: Padrões de suscetibilidade adotados com escala
de cores. (Corteletti, 2014)
Suscetibilidade (S)
S > 160
160 < S < 40
40 < S < 20
20 < S < 4
S<4
Nível
Alto
Médio
Moderado
Baixo
Insignificante
Cor
A expressão (1) representa a chamada
„Matriz de Hierarquia de suscetibilidade aos
processos geotécnicos‟, (Figura 1), com os
diferentes padrões de suscetibilidade associados
aos diferentes subtrechos da via.
A matriz de hierarquia proporciona a
identificação de subtrechos suscetíveis aos
processos da dinâmica superficial, bem como a
sua distribuição ao longo da linha-tronco da
ferrovia EFC.
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
4
3
2
1
5
5
5
5
4
4
4
4
4
3
2
1
5
5
5
3
3
3
3
2
1
5
5
2
2
2
1
5
1
1
4
4
4
4
4
4
4
4
4
3
2
1
4
4
4
3
3
3
3
2
1
4
4
2
2
2
1
4
1
1
3
3
3
3
3
3
3
2
1
3
3
2
2
2
1
3
1
1
2
2
2
2
2
1
2
1
1
1
1
1
Gráfico 1: Distribuição da frequência dos subtrechos
suscetíveis aos processos geodinâmicos. (Corteletti,
2014).
Suscetibilidade
3.1.3 Correlação
entre
as
Unidades
Geomorfológicas e Classificação do Solo
Novamente utilizou-se o Software R para
agrupar
os
trechos
por
estrutura
litoestratigráfica a partir dos dados de unidades
geomorfologicas.
Para análise multivariada foram utilizados
as litoestratigrafias: Grupo Barreira, Formação
Itaperucu e Depósitos Flúvio – Aluviais,
Formação Couto Magalhães, que contemplam
aproximadamente 750 quilômetros da Estrada
de ferro Carajá (EFC), e representam 84% dos
dados da via. A partir desses dados, o Software
R gerou endogramas que indicam o nível de
similaridade (eixo vertical), e a na ordem em
que são agrupadas, são marcadas os trechos
(eixo
horizontal).
Para
as
demais
litoestratigrafias (Formação Paredão, Formação
Codó, Suite Metamórfica Bacajá, Grupo
Buritanos, Sequência Metavulcanosedimentar,
Complexo Xingu, Granito Cigano, Grupo Rio
Novo) foi considerado que cada uma representa
um setor geológico geotécnico específico.
Figura 1: Matriz de Hierarquia de suscetibilidade aos
processos geodinâmicos (Corteletti, 2014).
3.1.2 Correlação
de
Classificação do Solo
frequência dos processos geodinâmicos
apresentado ao longo da linha de tronco da
Estrada de Ferro Carajás e classificação do solo
(Gráfico 2) foi possível correlacionar a
suscetibilidade ao processo geodinâmico e
classificação do solo.
4
e
Para esta análise foi empregado o metódo de
Cluster através do Software R, no qual agrupou,
as classificação SUCS e HRB e a
suscetibilidade. A escolha de analisar o
agrupamento
dentro
de
uma
mesma
litoestratigrafia é motivado por ser uma
estrutura linear, logo percorrem a mesma
unidade litoestratigráfica em vários pontos de
seu traçado. A partir do cruzamento da
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O eixo horizontal representa os trechos da linha
férrea e o eixo vertical são valores quantitativos
dados às classificações de solo, e para a
suscetibilidade foi utilizado a expressão (1). A
partir desses dados foi gerado uma curva para
cada parâmetro.
Gráfico 2: Correlação de suscetibilidade e classificação
do solo.
Tabela 2: Classificação de solo SUCS
SUCS
CH
80
argila de alta compressibilidade
CL
70
argila de baixa compressibilidade
MH
60
silte de alta compressibilidade
ML
50
silte de baixa compressibilidade
SC
40
areia argilosa
SM
30
areia siltosa
GC
20
pedregulho argiloso
Tabela 4: Setorização da Estrada de Ferro Carajás.
(Corteletti, 2014).
SGG
Trecho (km)
Classificação de solo
Suscetibilidade
SGG Depósitos
Aluvionares 1
0a9
Areia siltosa
Insignificante
Solo arigiloso com baixa
compessibilidade
Baixa (km 272 a
297)
Média (km 346 a
347
337 a 348
SGG Depósitos
Aluvionares 2
248 a 297
Insignificante
Tabela 3: Classificação de solo HRB
Insignificante
10 a 119
SGG Cobertura dentrítica
laterítica 1
HRB
A-3
10
areia fina
A2-4
20
material granular com com silte não plástico
A2-6
30
material granular com argila plástica
A2-7
40
material granular com argila plástica
A-4
50
solo siltoso não plástico
A-6
60
solo argiloso
A7-5
70
solo com moderado IP
A7-6
80
solo com alto IP
Verificou-se também através do Gráfico 2,
que os trechos com suscetibilidade moderado a
médio aos processos geodinâmicos apresentam
solos com material granular e argila plástica
pouco elástico e com alta variação de volume
entre os estados secos e úmidos. Nos trechos
com suscetibilidade médio a alto foi observado
solos com mateial granular com silte não
plástico e argila de baixa compressibilidade.
Os trechos com inexistência destes processos
apresentam solos finos com moderado a alto
índice de plasticidade e altamente elástico.
A partir da correlação entre a suscetibilidade
e classificações de solo expressa no Gráfico 2 e
Endogramas do Software R (Figura 2)
possibilitou demonstrar a influência da
granulometria do solo e desencadeamento dos
processos
geodinâmicos
(suscetibilidade)
identificados em cada litoestratigrafia que a
ferrovia atravessa (Tabela 4).
Solo arigiloso com baixa
compessibilidade
Média (km 35; 47 a
51; 76,5)
Alta (km 749 a 753)
743 a 765
SGG Cobertura dentrítica
laterítica 2
Baixa (km 757 a
762)
120 a 144
Baixa
Areia siltosa
298 a 336
Média (km 336)
SGG Cobertura dentrítica
laterítica 3
448 a 551
Areia argilosa
SGG Itaperucu 1
145 a 247
Solo arigiloso com baixa
compessibilidade
SGG Itaperucu 2
349 a 447
Areia siltosa
Média a alta (km
388 a 416)
Areia siltosa e Areia
argilosa
Média a alta (km
673 a 678; km 722 a
740)
552 a 647
SGG Itaperucu 3
672 a 682
683a 743
SGG Couto Magalhães 1
Média a alta
Insignificante
Médio (km 175 a
177)
Insignificante
Areia argilosa
765 a 784
Moderado a baixa
(km 714 a 729 Alto
(km 732 a 734)
Média ( km 788 a
791)
SGG Couto Magalhães2
785 a 807
Areia siltosa
SGG Formação Codó,
647 a 671
Areia siltosa
Media a alta
SGG Suite Met Bacajá,
807 a 818
Solo arigiloso com baixa
compessibilidade
Insignificante
SGG Formação Paredão
808 a 827
Areia siltosa
SGG Grupo Buritanos
827 a 840
Areia siltosa
SGG Sequência
Metavulcano sedimentar
841 a 845
Solo argiloso com alta
compressibilidade
Insignificante
Solo argiloso com alta
compressibilidade
Insignificante
860 a 867
Areia siltosa
Alta
868 a 875
Solo argiloso com alta
compressibilidade
Insignificante
Insignificante
Média a baixa (km
819 a 823)
Insignificante
846 a 859
SGG Complexo Xingu
876 a 892
SGG Granito Cigano
SSG Grupo Rio Novo
Média a baixa (km
839 a 842)
REFERÊNCIAS
Figura 2: Endorgrama da Formação Itaperucu (Ki).
5
CONCLUSÃO
A correlação da suscetibilidade, classificação de
solo e unidades geomorfológicas, a partir da
análise multivariada possibilitou a identificação
da setorização geológica-geotécnica da ferrovia
EFC, apresentada de forma esquemática na
tabela 2.
A integração destes dados permite
estabelecer a setorização da via em setores ou
trechos de referência (TR), baseado em
domínios geológico-geotécnicos regionais, além
de proporcionar sistemáticas para aferição de
dados
e
estabelecer
parâmetros
para
hierarquização dos trechos da ferrovia em
termos de riscos geológico-geotécnicos.
O uso da análise multivariada a partir da
técnica de Cluster (agrupamento) fornece um
método empírico e objetivo para estabelecer a
setorização de uma via férrea, pois possibilita
aplicar os princípios inerentes para
empreendimento lineares de grande porte
como ferrovias. Considerando adicionalmente
que a expansão da malha ferroviária constitui
plano estratégico do governo brasileiro nos
próximos anos, evidencia-se o interesse direto
no desenvolvimento deste tipo de metodologia
para estudos em ferrovias.
AGRADECIMENTOS
À CAPES, ao CNPQ, à FAPEMIG e a
Mineração VALE S.A. pelo apoio concedido
para o desenvolvimento dessa pesquisa.
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