AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO DOS SOLOS DE UMA LINHA FÉRREA

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO DOS SOLOS DE UMA LINHA FÉRREA Priscila Marques Monteiro Maria Esther Soares Marques, DSc. Álvaro Vieira, MSc. Instituto Militar de Engenharia Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes RESUMO Devido ao crescimento econômico e tecnológico mundial nos últimos anos, houve um aumento na produção de minério de ferro em todo território brasileiro, a fim de atender a demanda nacional e internacional. Logo há necessidade de aumento de carga por eixo em algumas ferrovias, e as intervenções e investigações geotécnicas são realizadas com a ferrovia em operação, ou seja, sem interferir com suas atividades. Esta pesquisa possui como objetivo principal a avaliação do comportamento de tensão versus deformação de solos de um pavimento ferroviário localizado no Estado do Rio de Janeiro. Estão sendo executados ensaios de laboratório em amostras deformadas e indeformada do subleito, com a finalidade de subsidiar estudos de viabilidade de alterar a carga de 32,5 para 36 toneladas por eixo. Para que esta análise seja possível, serão realizados inúmeros ensaios tais como: ensaios de granulometria, limites, compactação, CBR, triaxiais estáticos e MCT 1. INTRODUÇÃO No Brasil, cerca de 21% do total do transporte de carga é realizado através de linhas férrea. A fim de atender a crescente demanda de minério de ferro há a necessidade de aumentar a capacidade de carga por eixo de algumas ferrovias existentes. O Governo Federal, através do Ministério dos Transportes (MT), propõe investimentos expressivos na área de infraestrutura de diversos serviços, incluindo o transporte ferroviário destinado a cargas, com o Plano Plurianual (PPA), com o objetivo de interligar logisticamente todas as regiões do Brasil, tais investimentos referem-se a de 4.546km de expansão e há também estudos para a implantação de 9.513km de malha ferroviária em todo o país. A fim de aumentar a competitividade da nossa economia, esse plano pretende também padronizar a distância entre trilhos com bitola de 1,6 metros, permitindo uma maior velocidade por vagão e também um aumento de carga, tornando um sistema com alta capacidade de carga, além de proporcionar uma maior integração entre os demais modais de transportes. Embora tais investimentos sejam imprescindíveis é preciso salientar que foram utilizados nos projetos de ferrovias metodologias empíricas que não remetem a realidade de diversos fatores que implicam diretamente na serventia de uma ferrovia, como é o caso de solos, rochas e clima das regiões brasileiras. Há falta de informação sobre a infraestrutura das antigas ferrovias e seu dimensionamento foi elaborado com base no CBR, que retrata o comportamento de solos americanos, por vezes diferentes dos solos brasileiros. São necessários diversos estudos, utilizando a Mecânica dos Pavimentos como ferramenta de análise para o acréscimo de carga em ferrovias. Por consequência, é essencial uma análise aprofundada das características mecânicas das camadas de suporte que compõem a vias férreas, realizada através de ensaios de laboratório. 260

2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA De acordo com Brown e Selig (1991), o projeto de dimensionamento de pavimento era elaborado de forma empírica e não era tratado como um segmento primordial da mecânica dos solos durante as primeiras décadas do século XX. Entretanto, esse cenário vem se alterando, devido ao crescimento econômico mundial que demandou a melhora do desempenho e da capacidade de suporte dos pavimentos. O conhecimento dos materiais e solos que compõe o pavimento quando submetidos a carregamentos repetidos se expandiu, dando origem uma nova disciplina da Engenharia Civil, a Mecânica dos Pavimentos. A fim de se obter dados da infraestrutura de ferrovia centenária, é imprescindível definir que tipo de material foi empregado e investigar as propriedades mecânicas destes materiais que compõem o pavimento e quais são as condições reais após tantos anos submetido solicitações. Portanto, tornam-se necessários ensaios das camadas de suporte, que serão abordados á seguir. A metodologia MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) segundo Nogami e Villibor (1995), baseia-se em utilizar corpos de prova compactados de dimensões reduzidas de 50 mm de diâmetro e 50 mm de altura, sendo capaz de avaliar propriedades fundamentais dos solos como a expansão, coeficiente de penetração d água, coesão, contração, permeabilidade, capacidade de suporte e famílias de curvas de compactação. E os corpos de provas podem ser indeformados ou preparados em laboratório. O ensaio MCT é recomendado para solos tropicais que passam mais de 90% pela peneira de Nº 10. A classificação MCT é feita através dos resultados de ensaios, onde são transpostos para o ábaco de classificação, desta forma é possível obter visualmente a localização em qual se enquadra a amostra no gráfico, sendo necessários os valores do coeficiente c e do índice e. Os ensaios de Mini-MCV (DNER-ME 258/94) e Perda de Massa por Imersão (DNER-ME 256/94) são imprescindíveis para a determinação do coeficiente c (relacionado à argilosidade do solo) e do índice e (relacionado ao caráter laterítico do solo). Segundo Baldi et al. (1988) o ensaio triaxial é o ensaio mais tradicional e versátil método de laboratório para a determinação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento e tensãodeformação dos solos, por permitir a simulação de condições variadas de campo e a determinação do comportamento mecânico dos solos quando impostos a diferentes níveis de tensões. No segmento da pavimentação, o ensaio de compressão simples vem sendo utilizado de forma tradicional para a determinação do comportamento mecânico de misturas e solos já estabilizados. Devido aos estudos recentes das análises mecanísticas, o ensaio que aparece como resposta para a determinação do comportamento tensão versus deformação de materiais geotécnicos em pavimentação é o ensaio triaxial cíclico. Contudo, o ensaio triaxial com carregamento estático destaca-se dos demais ensaios, por ser possível permitir simular as diversas condições do campo, e também é possível determinar o comportamento mecânico dos solos sob diferentes níveis de tensões. Segundo Baldi et al. (1988), o ensaio triaxial possui inúmeras vantagens em relação ao ensaio de cisalhamento direto: realização de leitura de poro-pressão, aplicação de tensões principais, na direção vertical e horizontal, controle da drenagem, obtenção das deformações volumétricas e axiais. Com esse ensaio é possível obter outras propriedades fundamentais do solo, que é o caso do índice de compressibilidade Cc, coeficiente de permeabilidade K e 261

3 módulo de cisalhamento G. O ensaio triaxial é realizado através de corpo de prova com o formato cilíndrico e a maior limitação do ensaio é o estado de tensões não é a de um triaxial real, já que as tensões principais menor e intermediária são iguais (σ2 = σ3). Na Figura 1 (a) é possível observar a esquematização do ensaio triaxial estático, de acordo com o livro de Head (1980) e na Figura 1 (b) representa a execução de ensaio triaxial para o trabalho em questão. Figura 1.(a): Esquema de ensaios triaxiais estáticos. Figura 1.(b): Execução de ensaios triaxiais estáticos. 3. MATERIAIS E MÉTODO O trecho que será analisado foi denominado Trecho 1, na região Serra do Mar localizada no Estado do Rio de Janeiro, e está compreendido entre o km 64 a km 108,222 da ferrovia do Aço. O trecho mencionado foi o escolhido para uma análise aprofundada por apresentar os piores resultados nos ensaios preliminares. Trata-se de segmento centenário composto de duas linhas com tráfego carregado na Linha 1 e descarregado na Linha 2, a fim de diminuir as solicitações do sistema. O trecho em questão possui inúmeros cortes e aterros, com rampas elevadas com inclinações até de 2,4%. A seleção dos materiais para estudo e a investigação experimental foram conduzidos de maneira a possibilitar a análise do comportamento tensão versus deformação da plataforma ferroviária. O estudo tem como objetivo analisar as condições existentes na via permanente de uma ferrovia e avaliar a capacidade de suporte da plataforma a fim de garantir ou não o acréscimo de carga por eixo, sabendo que a carga atual é de 32,5 t/eixo e que se espera aumentar para 36 t/eixo. A coleta de amostras foi executada entre dois dormentes adjacentes, com dimensões adequadas para garantir sua estabilidade, conforme o esquema representado na Figura

4 XXIX Congresso Nacional de Pesquisa em Transporte da Anpet Figura 2: Vista superior do poço de amostragem. Na Figura 3 é possível observar um poço executado, foram coletadas uma amostra de lastro e uma amostra do subleito, também será determinada a espessura da camada de lastro. A escavação foi iniciada entre os dois dormentes e ao se atingir a base dos dormentes, ocorreu a coleta de uma amostra de 60 kg de lastro situada abaixo do dormente, na região que sofre maiores influências do carregamento, ou seja, uma zona mais degradada. Após se coletar a amostra de lastro, deu-se continuidade a escavação até chegar a camada do subleito, onde foi coletada outra amostra de 60 kg. Figura 3: Coleta Trecho Serra do Mar. 263

5 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Já foram realizados todos os ensaios de caracterização e parte dos ensaios triaxiais estáticos para o trecho em estudo, os ensaios de MCT estão em andamento. A análise dos resultados dos ensaios já concluídos permite concluir que os solos da via permanente, na região Serra do Mar, estão contaminados com fragmentos de lastro no subleito. O processo de análise dos ensaios triaxiais estáticos está em desenvolvimento e ao final deste, será possível descrever o comportamento do material do subleito através dos dados obtidos com a tensão x deformação. Através dos parâmetros obtidos dos ensaios triaxiais estáticos será possível fazer a modelagem numérica do comportamento. Agradecimentos Agradecemos a CAPES, a Fundação Ricardo Franco e a empresa MRS Logística pelo apoio prestado, essencial para realização do trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALDI et al. (1988) Thermal Volume Changes of the Mineral-Water System in Low-porosity Clay Sois, Canadian Geotechnical Journal, Vol.25. BROWN, S.F.; SELIG, E.T. Chapter 6, The Design of Pavement and Rail Track Foudations. Ciclic Loading of Soils: from Theory to Design. O Reilly e Brown Ed.:Blackie: London, England, DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM - DNER. Solos compactados com equipamento miniatura - determinação da perda de massa por imersão, solos, método de ensaio, DNER - ME 256/94. Rio de Janeiro: 1994e. 6p. NOGAMI, J.S. E VILLIBOR, D.F. (1995) Pavimentação de Baixo Custo com Solos Lateríticos. 213p. Ed. Villibor, São Paulo. HEAD, K.H. (1980) Manual of soil laboratory testing. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, v.3, Editora ELE International Limited. Priscila Marques Monteiro (priengmarques@gmail.com) Maria Esther Soares Marques (esther@ime.eb.br) Álvaro Vieira (alvaro@ime.eb.br) Pós-graduação em Engenharia de Transportes, Instituto Militar de Engenharia Praça General Tibúrcio, 80 Rio de Janeiro, RJ, Brasil 264