44ª RAPv – REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO
E
18º ENACOR – ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA
ISSN 1807-5568 RAPv
Foz do Iguaçu, PR – de 18 a 21 de Agosto de 2015
APLICAÇÃO DE GEOGRELHA NO CONTROLE DA CONTAMINAÇÃO
DO LASTRO FERROVIÁRIO
FERNANDO HENRIQUE PAIM DA SILVA1 & MIRTES CARON PERES RAMIRES2;
RODRIGO MALYSZ3; CASSIANA ROBERTA LIZZONI MICHELIN4; CAROLINE
MOMOLI DE CARLI ROSENBACH5
RESUMO
A maior parte dos gastos durante o ciclo de vida de uma ferrovia é proveniente dos serviços de manutenção, sendo
plausível que este valor atinja mais de 70% do custo total. Por isso, é de grande importância técnico-econômica buscar
novas tecnologias para melhorar o pavimento ferroviário. Baseado nos novos paradigmas abordados na mecânica dos
pavimentos, em que se tem uma visão sistêmica do pavimento ferroviário e não mais a divisão entre infra e superestrutura,
realizou-se um estudo de campo nas linhas da Empresa de Trens Urbanos de Porto Alegre S.A. (TRENSURB). A
TRENSURB foi criada em abril de 1980, para implantar e operar uma linha de trens urbanos no Eixo Norte da Região
Metropolitana de Porto Alegre - RS e atualmente a empresa possui 39 km de linha férrea, dentre estes, 31,7 km de trecho
em superfície. Portanto, este trabalho visou analisar a utilização de uma geogrelha extrudada no interior da camada do
lastro com a finalidade de comparar o desempenho do material perante o sistema na função da redução da quebra do
material do lastro e sua deflexão perante um trecho sem a utilização da geogrelha. Para isto, o trecho foi dividido em três
segmentos, sendo o primeiro com a geogrelha aplicada, o segundo sem nenhuma intervenção e o terceiro somente com o
lastro novo. Foram realizados ensaios de deflexão do pavimento ferroviário, caracterização física do solo, granulometria
e de forma das partículas do lastro e microscopia eletrônica de varredura. Os valores obtidos foram comparados com as
categorias estabelecidas pelas bibliografias técnicas internacionais. A partir do estudo realizado, a melhora obtida pela
geogrelha na função de reduzir a quebra do material e aumentar o módulo de via foi de 11x e 37%, respectivamente. Os
resultados alcançados neste trabalho irão auxiliar a TRENSURB em melhorar a qualidade da via permanente.
Palavras-chave: ferrovia, lastro, geogrelha.
1
Fernando Henrique Paim da Silva, Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS), [email protected] &
Mirtes Caron Peres Ramires, UNISINOS, [email protected]; 3Rodrigo Malysz, UNISINOS,
[email protected]; 4Cassiana Roberta Lizzoni Michelin, UNISINOS, [email protected]; 5Caroline
Momoli De Carli Rosenbach, UNISINOS, [email protected]
2
ABSTRACT
Most of the expenses during the life cycle of a railroad comes from maintenance services, and it is plausible that this
figure reaches over 70% of the total cost. So it is of great technical and economic importance seek new technologies to
improve the rail deck. Based on the new paradigms discussed the mechanics of floors, where you have a systemic view
of the rail deck and not the division between infrastructure and superstructure, carried out a field study on the lines of the
Company of Urban Trains of Porto Alegre SA (TRENSURB). The TRENSURB was established in April 1980 to establish
and operate a line of commuter rail in Northern Metropolitan Region Axis Porto Alegre - RS and the company currently
has 39 km of railway line, of these, 31.7 km stretch of surface. Therefore, this study aimed at evaluating the use of an
extruded geogrid ballast inside the layer in order to compare the performance of the material according to the system in
reducing the ballast material breaks before its deflection and a stretch without using the geogrid. For this, the section was
divided into three segments, the first being applied to the geogrid, without any intervention by the second and the third
only with the new ballast. Deflection of the floor rail tests were performed, physical characterization of soil, grain size
and shape of the particles of the ballast and scanning electron microscopy. The values obtained were compared with the
categories established by international bibliographies techniques. From the study, the improvement obtained by the
function geogrid reduce breakage of the material and increase the track module is 11x and 37%, respectively. The results
achieved in this work will help TRENSURB to improve the quality of the permanent way.
KEY WORDS: railroad ballast, geogrid.
INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da humanidade, a troca de mercadorias foi o importante motor de
desenvolvimento. Dentro deste sistema, encontra-se uma das peças principais da nossa vida, o sistema
de transporte, que, junto com o aumento da complexidade das trocas comerciais e culturais, necessita
de grandes revoluções. Ao observar o sistema ferroviário no brasil, principalmente a parcela que
compõe a manutenção de via, se encontra com pouco avanço de técnicas, muitas delas vêm da antiga
RFFSA. A busca pela conservação da geometria do pavimento ferroviário é de fundamental
importância para garantir uma eficiência e pontualidade.
Uma das causas constantes de manutenção da via é a contaminação do lastro. A manutenção
do lastro, em certo locais do Brasil, ainda requer o emprego de serviços manuais. O que ocasiona
baixa produtividade na realização dos reparos na via. A manutenção é realizada por meio da troca do
lastro sem remover os trilhos e dormentes, e posterior nivelação do greide. Há normalmente certos
trechos da via que necessitam de manutenção em curto espaço de tempo o que resulta em
concentração da manutenção, que deixa áreas somente com ações corretivas. O emprego de material
geossintético espaça o tempo das manutenções, que libera a equipe para atuar em áreas mais
abrangente.
Este trabalho realizado junto a via permanente da Empresa de Trens Urbanos de Porto Alegre
S.A. (TRENSURB) visa analisar a utilização de uma geogrelha no interior da camada do lastro
ferroviário por meio da criação de trechos de estudo a fim de comparar o desempenho do material
perante o sistema na função da redução da quebra do material do lastro e sua deflexão sob o
contraponto de um trecho sem a utilização da geogrelha. O estudo da degradação da geogrelha
provocada pelo meio exposto, análise profunda da influência das outras partes do sistema no
funcionamento da geogrelha e o estudo das cargas dinâmicas não fizeram parte deste trabalho. O
trabalho restringe-se à avaliação da deflexão, caracterização do solo de subleito e análise
granulométrica do material utilizado como lastro no trecho e o intemperismo através de MEV.
Na região metropolitana da capital, Porto Alegre, o principal sistema de transporte de ligação
a suas cidades vizinhas é o trem de superfície operado pela TRENSURB. O trem faz a ligação entre
Porto Alegre, Canoas, Esteio, Sapucaia do Sul, São Leopoldo e Novo Hamburgo. A TRENSURB,
atualmente, mantém seu processo de conservação quase igual a 1988, ano de inauguração da empresa.
A manutenção se dá em três equipes distintas: via permanente, elétrica e material rodante. A linha
principal é dividida em vários setores, em que a equipe realiza um rodízio de cada três dias, com o
propósito de equilibrar o nível de qualidade da via.
A via permanente
A via permanente constitui-se em um sistema de camada granular mais uma grade de
dormentes e trilhos necessário para o suporte das cargas transmitidas pelo material rodante a ser
transmitido ao subleito, guiando o seu movimento, conforme Figura 1. É normalmente subdividida
em duas partes: a superestrutura e a infraestrutura.
Figura 1 – Via permanente ferroviária (Brina, 1988, p. 6).
Na terminologia da Norma Técnica Brasileira NBR 7641, estão incluídas na superestrutura:
trilho, fixadores de trilho, retentores, talas de junção, dispositivos de apoio do trilho, dormente, lastro
e sublastro. A infraestrutura é constituída por subleito, os sistemas de drenagem, taludes, aterros e
obras de artes. (Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), 1980).
Esta terminologia é bastante discutida, vários países consideram o lastro uma parte da
infraestrutura. A terminologia tem a intenção de agrupar os sistemas entre os que recebem as cargas
do material rodante e o material que dissipa as cargas (lastro, sublastro, subleito).
Mecânica dos Pavimentos Ferroviários
A mecânica dos pavimentos tem como principal instrumento a quebra da visão independente
das camadas com o intuito de modernizar os conceitos de superestrutura e infraestrutura. Medina e
Motta (2005) definem o estudo do pavimento como sistemas em camadas e sujeito às cargas dos
veículos. De modo a romper com a visão estanque de sistemas independentes, sugere usar a
terminologia de pavimento ferroviário, constituído pelos trilhos, pelas fixações e pelos apoios, por
dormentes, por lastro, por sublastro e por subleito.
A visão de um pavimento ferroviário sistêmico em que as camadas se solidarizam para que a
carga oriunda do material rodante seja distribuída a um nível inferior ao tolerado pelo subleito. É
importante manter o sistema com níveis de deformidade dentro dos padrões, no sentido de não ocorrer
rupturas locais ou globais. Neste enfoque, é necessário acrescentar que os materiais granulares sofrem
mudanças nos parâmetros do estado tensão-deformação. Tornando a questão um problema geotécnico
de deformação, esse é de duas naturezas: plásticas/permanentes (recalques); elásticas (deflexões).
(MEDINA; MOTTA, 2005).
Os recalques são os pontos atuais de análise de manutenção da via, responsáveis pela
acentuação do desgaste do sistema roda-trilho, gerado pela perda de geometria. As deformações
utilizadas na análise de manutenção constituem um ponto determinante, tanto no fator de qualidade
para o usuário quanto operacional. Hay (1982) conclui que quanto maiores forem as deflexões na via
mais haverá acréscimos na velocidade de degradação da geometria da via.
Conforme Hay (1982), a deflexão vertical é o principal indicador da resistência à compressão,
consequentemente da qualidade da via. Junto com os elevados valores de deformações elástica, maior
é propensão de ocorrer recalques diferenciais, o que resulta em maior abrasão do lastro e
bombeamento de finos.
Uma faixa de limite para as deformações elásticas é necessária para segurança e conforto dos
usuários. O módulo da via não deve ser tão baixo (resultando em altas deflexões) que o movimento
de galope resulte em descarrilamento do trem, ou alto demais que gere grandes vibrações para os
usuários.
As cargas, conforme Figura 2, são de predomínio vertical, ocorrendo excentricidade nos três
eixos.
Figura 2 – Movimentos básicos do trem (Medina, 2005, p. 517).
Dimensionamento do Pavimento Ferroviário
O projeto de dimensionamento especifica os trilhos, dormente e seu espaçamento, espessura
das camadas de lastro e sublastro.
No início do século XX, ocorreram os maiores avanços na área de modelagem estrutural da
via permanente.
Sob a direção de Talbot (1918 apud BASTOS, 1999), o Special Committee on Stress in
Railroad Track da ASCE-AREA publicou sete relatórios durante 1918 a 1942. Talbot (1918) supôs
um trilho contínuo sobre um suporte elástico com a aplicação de uma força concentrada (P), conforme
Figura 3. Introduziu o módulo da via (U) que representa a carga uniformemente distribuída que
produz um recalque unitário, expresso pela Equação 1.
𝑞 = 𝑈𝑦
Onde:
q = carga vertical distribuída;
U = módulo de via;
y = recalque.
(1)
Figura 3 – Modelo sobre fundação elástica (Selig e Waters, 1994, p. 5.2, tradução nossa).
A Equação 2 representa a pressão do lastro (Pb) na área de apoio do dormente (Ab), onde Qm
é a carga de assentamento do trilho máxima. O cálculo do módulo da via é obtido pela Equação 3.
𝑃𝑏 =
2 𝑄𝑚
𝐴𝑏
(2)
4
𝑈=
𝑃 3
(𝑌 )
𝑚
(64
(3)
1
𝐸𝐼)3
O valor do módulo da via tem como influência: tipo de dormente, espaçamento entre os
dormentes, profundidade do lastro, resiliência da plataforma e o tipo de socaria. O espaçamento entre
os dormentes é de importância, quanto menor o espaçamento, maior o valor do módulo. Talbot (1918
apud BASTOS, 1999), indicou os valores limites de variação entres 3,7 a 35,7 MPa.
Alias (1984), com base nos valores do módulo de via, classificou a qualidade da via conforme:
a)
b)
c)
U = 9,6 MPa, via ruim;
U = 28,8 MPa, média;
U =57,6 MPa, boa.
O Subleito
O subleito é o terreno de fundação do pavimento ferroviário, que recebe as tensões oriundas
do sublastro ou lastro, conforme Figura 4. Conforme relatam Selig e Waters (1994), o subleito deve
possuir caraterísticas que contribua com a elasticidade e resiliência do pavimento, que coloca como
um condicionante importante do desempenho do lastro. As variações sazonais e diárias de
temperatura e umidade do subleito devem ser minimizadas a fim de reduzir a fadiga do pavimento,
evitando materiais expansivos em sua constituição.
Segundo Selig e Waters (1994), as tensões induzidas no solo repassadas pelas camadas
superiores podem se propagar até cinco metros abaixo no nível dos dormentes. A prática de
manutenção geométrica brasileira constitui a adição da camada do lastro elevando a espessura da
camada, muitas vezes, acima de um metro.
Figura 4 – Distribuição da carga da roda no pavimento ferroviário (Selig e Waters, 1994, p. 2.11, tradução nossa).
O Sublastro
O sublastro é a camada de material interposta entre o subleito e o lastro. A camada tem função
semelhante a do lastro, de absorver esforços e transferi-lo à camada subjacente à taxa adequada à
capacidade desse. (STOPATTO, 1987). Porém, o sublastro tem funções específicas:
A falta desta camada pode acarretar o aumento do custo de manutenção do pavimento
ferroviário, reduzindo o ciclo de via. Usualmente, o sublastro é constituído de materiais bem
graduados (areia com cascalho, escórias ou agregado).
O Lastro
O lastro é a parte mais espessa do pavimento ferroviário elástico, situado entre os dormentes
e o sublastro ou o subleito. O elemento com maior contribuição para o nível de resiliência e
acumulação de recalques desempenha as seguintes funções: transmitir uniformemente as tensões
recebidas dos dormentes, que não causem colapso do subleito; prover o pavimento de certa
elasticidade, a fim de atenuar as trepidações e vibrações da passagem dos veículos; dotar de resiliência
a via necessária, diminuindo as irregularidades geométricas para tornar a via contínua e uniforme;
impedir o arrastamento e laceamento dos dormentes; conter espaços vazios para movimentação dos
finos contaminantes; facilitar a rápida drenagem do pavimento; impedir o crescimento de vegetação;
facilitar a conservação e manutenção da geométria, por equipamentos mecânicos.
O material que constitui o lastro ferroviário é a pedra britada. Por se mostrar um material com
alta resistência, a NBR 5564 prescreve os requisitos mínimos para a escolha das jazidas a fornecer as
pedras para utilização no lastro.
A forma das partículas é um fator de grande influência na quebra do material do lastro. Por
ter duas dimensões que sobrepõem sobre uma terceira, apresenta, no sentido paralelo da menor
dimensão, um valor reduzido de resistência as tensões, causada pela inércia mais baixa. Também as
arestas são pontos frágeis na estrutura da partícula. A não homogeneidade da forma das partículas
resulta na minoração da resistência as tensões de contato e no acréscimo da velocidade de degradação
natural. Aplicando uma tensão em um meio particulado, a tensão efetiva de contato é proporcional à
dimensão da partícula. (LAMBE; WHITMAN, 1969). Em partículas maiores que 60 mm de diâmetro,
as tensões chegam a 1.000 vezes superiores que as encontradas em partículas de 2 mm.
Conforme a NBR 5564, as jazidas devem apresentar o relatório da distribuição granulométrica
que atenda aos requisitos descritos na Tabela 1. A dimensão das pedras é de grande importância, pois
resulta em maior permeabilidade, garantindo uma menor rigidez ao lastro. A falta de uma boa
distribuição granulométrica pode causar grande instabilidade na via. (ABNT, 2011).
Lado da malha da peneira
de acordo com a
ABNT NBR NM ISO 3310-1
(mm)
76,2
63,5
50,8
38,0
25,4
19,0
12,0
Porcentagem em massa
acumulada (%)
Padrão A
Padrão B
0-0
0 - 10
30 - 65
85 - 100
95 - 100
0-0
0 - 10
40 - 75
90 - 100
98 - 100
NOTA 1 Padrão A e Padrão B referem-se, respectivamente, a lastro para
aplicação em linhas principais e a lastro para aplicação em linhas de pátios.
NOTA 2 Na falta das letras A ou B, entende-se como sendo A.
Tabela 1 – Distribuição granulométrica do lastro ferroviário (ABNT 2011, p. 3).
Contaminação do Lastro
As especificações para lastros novos restringem a quantidade de finos que pode estar presente
em uma amostra, ou seja, é esperado somente um percentual de 1%, em peso, de partículas menores
que 6 mm. O lastro ferroviário está sujeito às tensões oriundas do material rodante, que resulta em
uma contaminação por material fino. Entenda por finos todo o material menor que a granulometria
específica para o lastro padrão, enquanto, na geotecnia, o termo finos refere-se ao material passante
na peneira 0,075 mm (200). (SELIG; WATERS,1994).
Selig e Waters (1994) propõem o índice de contaminação (Ft) conforme a Equação 4.
𝐹𝑡 = 𝑃4 + 𝑃200
(4)
Onde:
P4 = porcentagem passando na peneira N° 4;
P200 = porcentagem passando na peneira N° 200.
A Tabela 2, a seguir, mostra as categorias propostas de contaminação do lastro e seus índices.
Categoria
Índice de contaminação (Ft)
Limpo
<1
Moderadamente limpo
1 ≤ Ft < 10
Moderadamente contaminado
10 ≤ Ft < 20
Contaminado
20 ≤ Ft < 40
Altamente contaminado
≥ 40
Tabela 2 – Índice de contaminação do lastro (Selig e Waters, 1994, p. 8.27).
Origens da Contaminação
Selig e Waters (1994) realizaram um levantamento sobre a contaminação do lastro, conforme
Figura 5, que dividiu a contaminação em 5 grandes grupos. O levantamento foi realizado nas linhas
da Canadian Pacific Railroad.
Figura 5 – Fontes de contaminação do lastro (Selig e Waters, 1994, p. 8.26, tradução nossa).
A quebra do material do lastro ocorre devido ao desgaste, ao intemperismo, à socaria, ao
tráfego, às vibrações, ao bombeamento e à compactação mecânica.
Efeitos da Contaminação
A contaminação do lastro reduzirá significativamente a qualidade das funções exercidas. A
contaminação por material granular, seixos e areias, resulta em menor resiliência e drenagem do
pavimento, aumento da rigidez e estabilidade, dificuldade nas operações de nivelamento e
alinhamento da via. A contaminação por material fino, menor que 0,06 mm, forma os bolsões de
lama, dificulta muito a drenagem e a manutenção, que acelera a abrasão do lastro. (SELIG;
WATERS,1994).
A contaminação por finos causa problemas mais significantes comparados com os ocorridos
pelos materiais granulares com a diminuição do rearranjo do material do lastro na passagem dos trens
quando seco e a perda de estabilidade pela lubrificação das superfícies do material, alterando o
comportamento mecânico do lastro.
Manutenção da Contaminação
As tensões ocasionadas pelo movimento do material rodando ao longo da via altera a
geometria da seção, isso provoca um incremento nas solicitações dinâmicas. Quando a correção se
faz necessária para este problema, é feita a operação de socaria, que consiste em adensar a camada de
lastro. (CUCONATO, 1998). Entretanto, a socaria provoca uma modificação no lastro, no sentido de
afofamento, que resulta em novos recalques, maiores que os anteriores, e a quebra do material do
lastro. Ao longo do tempo, surgirá um acúmulo de material fino caracterizando a contaminação. Este
procedimento se denomina de ciclo de manutenção.
O recalque excessivo quando o trilho está descarregado pode criar um vazio entre a face
inferior do dormente e o lastro que, na presença de água e partículas pequenas de brita, provoca uma
aceleração no processo de desgaste. Neste caso, a socaria apenas minimiza os efeitos dos vazios,
porém, devido à contaminação, este efeito ressurgirá.
Função de Reforço da Geogrelha
Um geossintético aplicado na posição em que ocorre a máxima tensão de deformação plástica
é capaz de reduzir a tensão transferindo parte do esforço para si. A distribuição das tensões requer
uma boa integração entre o solo e os geossintéticos. No caso da geogrelha, esta função é
desempenhada pelo sistema de bloqueio das partículas, que resulta numa falsa coesão. (KWAN,
2006).
O confinamento das partículas eleva a resistência ao cisalhamento, que permite aumentar a
capacidade de tensões no solo. Para se alcançar o reforço adequado, a geogrelha necessita de uma
rigidez adequada junto com uma capacidade de eficaz de bloqueio das partículas do meio aplicado.
Interação entre o Solo e a Geogrelha
Os mecanismos de interação entre o solo e a geogrelha são complexos comparados com outros
geossintéticos. No caso das geogrelha, a resistência cisalhamento tem duas componentes, resistência
passiva do solo aos elementos transversais e resistência de interface. A resistência de interface se
subdivide em resistência devido ao atrito e resistência devido à adesão da superfície do reforço com
as partículas. O valor resultante da resistência depende, principalmente, dos fatores de abertura da
geogrelha e do tipo de solo, basicamente da sua granulometria. (VERTEMATTI, 2004).
Chang et al. (1995) realizaram ensaios de arrancamento para diferentes tipos de solo. Os
valores obtidos mostraram discrepância entre os solos finos e granulares, devido, principalmente, ao
tamanho dos grãos. A resistência ao arrancamento aumenta conforme sobe a relação de bloqueio das
partículas, resultando em maior atrito solo-geogrelha.
Chan (1990) fez uma sucessão de ensaios com diversos tipos e formas de geossintéticos para
investigar a influência no recalque em base granular dos pavimentos. O autor comprovou que a
resistência a deformação foi melhorada com a aplicação do geossintéticos; a melhoria depende de
uma boa distribuição granulométrica do solo, da espessura da base e localização do geossintético
dentro da base. A localização do geossintéticos fica condicionada no terço inferior da camada por ser
a face mais solicitada a tração e evitar o contato do geossintético com às espátulas da socadoras.
A melhora do reforço é observada quando a geogrelha é aplicada no meio ou na parte inferior
da camada. A contribuição no reforço tende a reduzir após certo ponto de distância do topo da base.
Chan (1990) demonstrou a aplicação de um geossintético no meio de uma camada de base não
superior a 200 mm de profundidade que resultou maior ganho de resistência. Também foi observado
que uma geogrelha resulta em um melhor reforço do que um geotêxtil, esta melhoria foi atribuída ao
efeito de confinamento da geogrelha
Nas geogrelhas como descrito anteriormente tem sua função conforme o número de direções
em que possui resistência a tração. Atualmente existe as geogrelhas biaxiais que oferecem rigidez à
tração principalmente em duas direções. As geogrelhas triaxiais por sua vez possuem três direções
principais de rigidez, que são obtidas através de sua geometria triangular rígida. A geometria
triangular fornece uma estrutura significativamente diferentes das outras geogrelhas, que resulta em
alta rigidez radial ao longo da estrutura. (TENSAR, 2012).
Distribuição de carga tridimensional atua de forma radial em todos os níveis dentro do
agregado. Isso ajuda a garantir um ótimo desempenho de reforço em uma camada estabilizada
mecanicamente. A geometria da abertura triangular dissipa mais eficientemente a tensão radial
transmitida por cargas de serviço. Esse recurso redistribui melhor as tensões o que reduz a ação sobre
as partículas do lastro e a forma que a tensão chega ao subleito, enquanto aumenta a durabilidade.
(TENSAR, 2012).
METODOLOGIA
Inicialmente, foram realizadas reuniões na TRENSURB com o propósito de obter informações
referentes a áreas com grande incidência de manutenção, esta, por sua vez, originada devido à
contaminação do lastro.
Com objetivo deste trabalho centrado na implantação de dois trechos experimentais para a
observação do uso da geogrelha como solução retardadora do problema da contaminação do lastro, a
definição do local de estudo deste trabalho tem como objetivo discretizar toda a extensão da malha
ferroviária da TRENSURB em um único trecho. Dentre as áreas apontadas, foi escolhido um trecho
entre as estações Rodoviária e São Pedro, na cidade de Porto Alegre/RS.
A Figura 6 apresenta a área de atuação da TRENSURB onde abrange seis cidades da região
metropolitana de Porto Alegre/RS.
Figura 6 – Localização e abrangência empresa
O trecho escolhido fica na proximidade das coordenadas-30.00916,-51.21083 (SIRGAS
2000), possui cerca de 300 m e foi subdividido em três trechos de estudo V1, V2 e V3. Todos os
trechos possuem 4 m de comprimento, tamanho definido pela quantidade de remoção de lastro que a
equipe de manutenção consegue realizar em uma noite. O trecho V1 condiz com o local em que foi
aplicada a geogrelha, O V2 é o trecho que possui contaminação, mas não foi realizada manutenção e
o V3 é o trecho com renovação do lastro sem o emprego da geogrelha. A Figura 7 mostra a localização
da área de estudo, junto com a posição do pátio de manutenção da empresa.
Figura 7 – Localização do ponto de estudo (Adaptado do Google Maps de Porto Alegre, 2014).
A demarcação dos pontos em que ocorre a contaminação do lastro se dá por meio da inspeção
visual em campo, estes pontos apresentam uma quantidade excessiva de finos sobre as pedras do
lastro resultando num tom mais claro. A Figura 8 apresenta um ponto no qual se observa melhor este
fenômeno. Este estágio de contaminação é considerado na escala como muito contaminado, pois as
camadas abaixo já estão saturadas de finos. (SELIG; WATERS, 1994).
Figura 8 – Aspectos da contaminação do lastro
Etapa de campo
No primeiro trecho (V1), foi realizado o relastro com brita nova e colocação da geogrelha. O
processo inicia com a retirada do material de uma das saias do talude do lastro até o eixo. Nas partes
nas quais o lastro não se encontra abaixo do dormente, a remoção do material feita pela escavadeira,
que libera acesso para os funcionários escarificarem o lastro abaixo dos dormentes, com o emprego
de martelos demolidores. Esta remoção se dá por camadas, até encontrar o nível da imprimação
asfáltica ou próximo dos 30 cm de profundidade abaixo do nível da base do dormente.
Após a retirada do material, foi assentada uma camada de 6 cm de lastro novo para dar base
de contato entre geogrelha-lastro e conformação, Figura 9. A geogrelha empregada foi do modelo
TX190L-450 da Tensar, com 3 mm de altura e seção medindo 4,00m x 5,20m. Esta geogrelha foi
indicada e cedida pela empresa TDM Brasil, parceira neste trabalho. A altura do lastro foi de 22,5 cm
acima da geogrelha de forma a não causar rompimento e dificuldade na operação de socaria. No
trabalho de socaria, foi empregado o método manual, conjunto de socadoras vibratórias. Este
equipamento possui lâminas de 35 cm, como esta lâmina é colocada diagonalmente para acessar a
parte abaixo do lastro, não teve contato com a geogrelha.
Figura 9 – Colocação da Geogrelha
Durante a execução do trecho, também foi coletada amostra do subleito para caracterização
básica, com o cilindro de cravação, com base na NBR 9813. (ABNT, 1987). A Figura 10 apresenta a
composição do pavimento ferroviário do trecho após a aplicação da geogrelha.
Figura 10 – Espessura do pavimento do trecho V1, em cm
No segundo trecho (V2), não foi realizada nenhuma manutenção, manteve-se este trecho
intermediário para obter o valor da deflexão do pavimento sem manutenção. No terceiro trecho (V3),
foi realizada a remoção do lastro contaminado e aplicado material novo sem emprego da geogrelha,
seu método de execução seguiu conforme ao trecho V1.
Para obter os valores das deflexões pontuais, é empregada a viga Benkelman. Muniz da Silva
(2002) demonstrou a aplicação do método em pavimentos ferroviários obtendo êxito na sua pesquisa.
O ensaio é largamente empregado junto ao pavimento rodoviário, que tem como normatizado o
método de ensaio pelo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (DNER), Método de Ensaio
(ME) 024. (DNER 1994a). No caso da determinação da deflexão no pavimento ferroviário, teve a
adaptação da carga a ser empregada, a qual foi obtida arbitrariamente com o carregamento do vagão
que carrega o lastro novo. O valor obtido na pesagem foi de 24,7 kN por eixo.
A medição foi realizada posicionando a viga Benkelman no ponto médio de cada trecho com
a viga disposta oblíqua à via, devido a maior distância perpendicular à via ser de, aproximadamente,
2,50 m, com cuidado para tornar os pés de apoio fixos e protegidos de movimentação. A ponta de
prova da viga Benkelman foi localizada acima do dormente mais próximo possível das fixações, não
sendo colocada em cima destas pela possibilidade de movimentação, Figura 11.
Figura 11 – Análise da deflexão em campo
Ensaios de laboratório
O ensaio de granulometria é realizado de conforme a norma NBR 7181. (ABNT, 1988b). No
método sedimentação das partículas, é empregado o uso de defloculante para obter a composição
granulométrica usual do solo. Os ensaios para obter os limites de liquidez e plasticidade do solo,
seguem os métodos descritos nas normas NBR 7180 (ABNT, 1988a) e da NBR 6459 (ABNT, 1984),
respectivamente. A NBR 9813 apresenta o método para determinar a massa específica aparente
natural do solo obtida por meio da amostra coletada pelo cilindro de cravação. (ABNT, 1987).
A amostra do lastro novo empregado nos trechos foi obtida na base da pilha estocada no pátio
de manutenção da TRENSURB, conforme a NBR 5564. (ABNT, 2011). Nas amostras de lastro
retiradas posteriormente à execução dos trechos experimentais V1 e V3, foram obtidas a partir de 20
cm abaixo do dormente e do trecho V2 a 10 cm abaixo do dormente, esta diferenciação é para analisar
a quebra em torno da geogrelha e no trecho contaminado ter uma dificuldade de obter amostra pela
cimentação do lastro no local e ser mais próximo do centro da camada.
A MEV vem complementar a análise da contaminação do lastro com a visão microscópica
dos fatores que resultam na deterioração da via. A análise se dá no material fino do lastro do trecho
V1 e da imprimação asfáltica na busca de material proveniente de outras fontes de contaminação.As
imagens de MEV auxiliam a verificação da existência de argilominerais na camada, que demonstra
qual o sistema tem maior influência na degradação da via: desgaste mecânico ou intemperismo
químico. A análise por EDS permite a identificação mineral, além do mapeamento da distribuição de
elementos químicos por minerais na região submicrométrica de incidência do feixe (MALISKA,
2010). As porções empregadas na realização da análise são caracterizadas por frações passante na
peneira 0,075 mm (200), partículas menores a esta fração são caracterizadas como finos, importante
na determinação do índice de contaminação. (SELIG e WATERS, 1994).
RESULTADOS
A Tabela 3 mostra as medidas das deflexões em cada trecho avaliado, junto com o valor
calculado do módulo de via pela Equação 19. Cabe ponderar que os valores da deflexão expostos na
Tabela 3 são representativos a um eixo de 22 t, que equivale ao vagão de passageiros na carga máxima
utilizado pela TRENSURB.
Trecho
Módulo de Via
(MPa)
V1
V2
V3
68,3
8,8
49,8
Deflexão Máxima
(10-2 mm)
207
973
264
Tabela 3 – Valores das deflexões do pavimento
O resultado do trecho V1 após seis meses da execução mostra um módulo de via de 68,3 MPa,
que, conforme Alias (1984), o valor obtido indica um pavimento em boas condições. A diferença do
valor do módulo de via entre V1 e V3 é de, aproximadamente, 37%, o que indica que a geogrelha já
está desempenhando sua função de reforço. Mesmo o trecho V3 sofrendo relastro, o módulo de via
após cinco meses da execução não passou o valor mínimo que caracteriza um pavimento com boas
condições. Os motivos para estes módulos não terem um valor mais expressivo devem-se ao solo
frágil, material empregado como lastro e socaria ser do tipo manual.
O trecho V2 apresenta deflexão elevada pelo estágio de contaminação que se encontra, os
finos já comandam o comportamento tensão deformação. O valor obtido contradiz a bibliografia
estudada no qual a contaminação do pavimento eleva a rigidez. No trecho V2, há dormentes com
vazios na sua face de contato com o lastro, que indica lixiviação do material.
Na análise tátil visual realizada em campo, observou-se que o solo é uma argila arenosa, sua
fração areia variando da fina à média, com presença de pedregulhos, apresenta cor marrom
avermelhada na condição úmida com relevante teor umidade natural. A porção coletada do subleito
do trecho V1 foi utilizado na caracterização física. A análise do Índice de Suporte Califórnia não foi
possível pela falta de material para execução pela ausência de disponibilidade da equipe de
manutenção. A Tabela 4 apresenta os índices físicos obtidos a partir da média dos cilindros de
cravação.
Características
Valores
Teor de umidade de campo
14,87%
Peso específico aparente natural
20,64 kN/m3
Peso específico aparente seco
17,97 kN/m
Peso específico real dos grãos
Índice de vazios
25,5 kN/m
0,419
Porosidade
29,53%
Grau de Saturação
92,28%
Grau de Compactação
87,06%
Limite de Plasticidade
20,06%
Limite de Liquidez
32,65%
Índice de Plasticidade
12,59%
3
3
Tabela 4 – Índices físicos do subleito
Os valores característicos do solo estudado se assemelham a ponderações típicas encontrada
na bibliografia de uma areia siltosa com granulação angular compacta. (DAS, 2011). O índice de
vazios foi 0,419 e o valor de porosidade obtida de 29,53%, o que mostra um solo compacto devido
ao efeito da compactação mecânica do que a forma e disposição das partículas constituintes do solo.
O grau de saturação de 92,28% caracteriza que o peso específico seco encontrado é próximo do seu
valor máximo. A Gráfico 1 apresenta a curva granulométrica obtida da amostra, definidas de acordo
com a norma NBR 6502. (ABNT, 1995).
Gráfico 1 – Curva granulométrica do solo
Por meio da curva granulométrica e dos limites de Atterberg, é possível classificar o solo
sendo A-6 (3), argila com baixa compressibilidade, com indicação para subleito de mediano a ruim.
Solos classificados como A-6 apresentam alta resistência no estado seco, mas perdem grande parte
desta resistência após a absorção de água, sua capacidade de drenagem é baixa, além de poder
absorver água por capilaridade.
A coleta das amostras do lastro, após seis meses à execução do trecho V1, busca representar
o nível de degradação que o trecho se encontra e comparar com o lastro padrão que a TRENSURB.
Neste período, a deterioração que ocorre é, em sua maioria, a quebra do lastro pela consolidação e
socaria, com crescimento da fração finos.
O Gráfico 2 apresenta as curvas granulométrica dos trechos em estudo, junto há também a
análise granulométrica do trecho V1 antes da intervenção. Cabe ressaltar que as linhas vermelhas nos
gráficos são as faixas limites da distribuição granulométrica admitida pela NBR 5564.
Gráfico 2 – Curva granulométrica dos trechos
O valor do Coeficiente de uniformidade (U) do trecho V1 e V3, locais nos quais ocorreu
manutenção da via é, respectivamente, 1,44 e 3,42, que ficam na faixa de material uniforme. É
possível observar que o material coletado começa a ficar retido somente após a peneira 31,5 mm
(11/4″).
Esta deterioração rápida das partículas do lastro é resultado da elevada tensão que as partículas
maiores sofrem por efeito da uniformidade e diâmetro médio elevado, agravado pelo alto grau de
material lamelar, mais de 30%, que faz parte do lastro utilizado pela TRENSURB.
O trecho V1 mostra um índice de contaminação (Ft) de 0,86, que é considerado limpo. No
trecho V3 do relastro, apresenta-se um Ft de 9,49 tido como moderadamente limpo. A diferença entre
o índice de contaminação do trecho V1 e V3 é de, aproximadamente, 91% observa uma elevada
redução na quebra do material, um rendimento alcançado em função da resistência de interface solo
geogrelha.
No trecho V2, o Ft, é de 38,3 considerado contaminado, mas, como o material em campo
encontra-se endurecido, este fator pode ser maior. Um importante fator observado durante a obtenção
da massa após o peneiramento foi que parte do material retido na peneira 0,075mm (200) estava
aglutinado, o que indica grande atração entre as partículas. O índice Ft do trecho V1 antes da
renovação é de 57,8, considerado altamente contaminado, aponta que somente trechos de elevado Ft
apresentam finos em sua camada superficial.
A Figura 12 exibe a ampliação de um trecho imagem da amostra do lastro obtida por MEV e
posterior análise realizada por meio de EDS de toda a massa da amostra, Figura 13.
Figura 12 – Imagem da MEV da amostra do lastro
Figura 13 – Microanálise por EDS
Na Figura 12, se observa grande quantidade de partículas lamelares sem material na interface
dos grãos e expõe um material que sofreu grande desgaste mecânico, isento de sinais de intemperismo
químico. A Figura 13 mostra a composição química obtida que se pode observar um basalto toleítico
com alto grau de silício (Si) e cálcio (Ca). O aparecimento de um elevado nível de Si e Ca é resultado
da alta concentração de partículas oriundas da fragmentação do material que compõem as vesículas
e que são depositadas mais abaixo da camada do lastro.
A Figura 14 mostra a ampliação da imagem da MEV sobre a situação que encontra a
imprimação asfáltica, que tem a função de conter contaminação dos finos para o lastro. Na Figura 15,
exibe-se a microanálise realizada por meio de EDS no material.
Figura 14 – Imagem da MEV da amostra da imprimação
Figura 15 – Microanálise por EDS da imprimação
A Figura 14 apresenta o estado de alteração química da rocha em contato com a imprimação
asfáltica, a depressão mostrada na figura é resultado da precipitação de magnésio (Mg) pela formação
de ilita. Há a presença de outros argilominerais, neste caso, a caulinita e a esmectita observado na
Figura 15. O efeito do intemperismo ocorrido nesta camada é oriundo da falta de drenagem que o
meio sofre junto com a deposição dos materiais originário das camadas acima.
CONCLUSÃO
A região dos trechos estudados (V1, V2 e V3) é situada sobre o aterro da orla do Guaíba,
constituído do próprio material retirado do lago, que remonta do início do século XX. O solo que
constituiu a região estudada apresenta baixa capacidade de suporte que gera tensões de tração nas
camadas inferiores do pavimento. A camada final de terrapleno é de baixa permeabilidade e a falta
de boa drenagem resulta em acúmulo de água no lastro. A imprimação compreende só a base dos
dormentes, o que deixa a saia do lastro desprotegido, permitindo que o lastro tenha contato com o
material fino.
O basalto não passa por nenhum polimento para reduzir a quantidade de partículas lamelares
e, também, a elevada quantidade de vesículas nas partículas acentua a quebra do material. O basalto
empregado no lastro não apresenta grande resistência à intempérie mecânica, dada a disparidade entre
a amostra do laudo informado pela TRENSURB e as amostras coletas após a execução.
A maior contribuição da contaminação do lastro da TRENSURB se dá pelo desgaste mecânico
das pedras de basalto contendo pouco material contaminante externo na sua composição.
O índice de contaminação mostra que, em menos de seis meses, o trecho V3 não condiz com
a característica de um trecho limpo, muito se deve ao basalto utilizado.
A socaria que visa corrigir a geometria da via também contribui para a quebra do lastro, por
meio do afofamento da camada, o que favorece novos recalques. Este efeito necessita de nova socaria,
o que gera um ciclo de manutenção até a próxima renovação do lastro.
A melhoria proporcionada pela geogrelha na função de reduzir a quebra do material e
aumentar o módulo de via é de, respectivamente, 91% e 37%. A grande diferença da quebra entre os
trechos é decorrente do uso de pedra de baixa qualidade. A redistribuição das tensões da camada pela
geogrelha reduz as tensões nos pontos de falha do material, deve-se considerar o emprego da
geogrelha para esta função. Um material de melhor qualidade também é capaz de reduzir a diferença
de quebra entre trechos.
A função da camada de imprimação, de evitar o contato dos finos com o lastro, está
severamente comprometida em razão dos grãos que formam a camada se encontrar em estágio
avançado de intempérie química.
AGRADECIMENTOS
À TRENSURB, por abraçarem este projeto e acreditarem, mesmo sendo a primeira interação
da empresa com algum projeto acadêmico e por disponibilizarem o tempo da sua equipe e um trecho
da via principal para concretizar este trabalho.
A TDM Brasil, por apoiarem este projeto enviando seu consultor para as reuniões e fazendo
a ponte com os engenheiros da Tensar nos Estados Unidos sobre a melhor técnica a empregar, ainda
importando e cedendo o material a ser empregado, sem os quais não seria possível a realização do
trabalho.
Ao DNIT, pela atenção empregada e generosidade do empréstimo da viga Benkelman para
realização do ensaio.
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