Efeito da granulometria na deformação e quebra de lastro ferroviário Gino Omar Calderón Vizcarra Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, ginocalderon@hotmail.com Sanjay Nimbalkar University of Wollongong, Wollongong City, NSW 2522, Australia, sanjayn@uow.edu.au Buddhima Indraratna University of Wollongong, Wollongong City, NSW 2522, Australia, indra@uow.edu.au Michéle dal Toé Casagrande Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, michele_casagrande@puc-rio.br RESUMO: O efeito da granulometria no comportamento mecânico do lastro tem sido estudado por vários pesquisadores no passado. A revisão de estes estudos indicaram que uma gradação mais uniforme que as atualmente usadas pela indústria ferroviária, diminuiria a deformação permanente e degradação do lastro ferroviário. Neste estudo, o equipamento prismoidal triaxial cíclico projetado e construído na Universidade de Wollongong foi utilizado. Duas granulometrias de lastro foram testadas sob tensão vertical cíclica máxima de 450 kpa. Os resultados mostraram que a granulometria teve grande influencia a deformação permanente e quebra de lastro ferroviário. PALAVRAS-CHAVE: Lastro, Ferrovia, Granulometria, Quebra, Deformação permanente. 1 INTRODUÇÃO Ferrovias deformam vertical e lateralmente sob carregamento cíclico como resultado de trafego e velocidades variáveis, causando desvio significativo da sua geometria original de projeto com o tempo. A geometria das vias férreas requer níveis e alinhamentos específicos para ter uma aceitável qualidade de percurso e cumprir as normas de segurança estabelecidas pela indústria. Para ferrovias com lastro, o nível e alinhamento da via permanente, depende fortemente das caraterísticas mecânicas da subestrutura granular, em particular da camada de lastro. A camada de lastro tem um rol significativo na dissipação e distribuição efetiva da carga desde a superestrutura para o subleito. Este artigo presenta os resultados de ensaios de carregamento cíclico em lastro ferroviário novo. Estes ensaios foram conduzidos usando uma câmera prismoidal triaxial de grande escala projetada e construída na Universidade de Wollongong. O deslocamento lateral do lastro ferroviário no campo não está restrito, na ausência de suficiente tensão lateral (tensão confinante); por isso a câmera prismoidal triaxial com lados não restritos é uma instalação ideal para modelamento físico das deformações do lastro sob carregamento cíclico (Indraratna e Salim, 2003; Indraratna et al. 2006, 2007, 2012; Indraratna e Nimbalkar, 2013). O objetivo de este estudo foi avaliar a deformação e a degradação do lastro sob um grande numero de ciclos de carga e estudar a influencia das duas diferentes granulometrias. Uma delas estava de acordo à gradação recomendada por Indraratna et al. 2004 como uma melhora à Norma Australiana AS 2758.7 (1996) e a outra foi preparada em concordância com a norma Brasileira NBR 5564 EB-655.
2 ORGANIZAÇÃO DO EXPERIMENTO 2.1 Equipamento Triaxial Dinâmico O equipamento prismoidal triaxial e de grande escala usado neste estudo pode acomodar espécimenes de 800 mm de comprimento, 600 mm de largura, e 600 mm de altura (Figura 1). Para construir um modelo físico de ferrovia in situ, a câmera triaxial foi preenchida em quatro camadas. Este é um verdadeiro equipamento triaxial no qual as três tensões principais ( 1, 2 e 3 ) podem ser aplicadas. Porque cada parede vertical da câmera do ensaio pode se mover independentemente na direção horizontal, o espécimen de lastro é livre para deformar lateralmente sob carga vertical cíclica e pressões laterais externas. Embora os estados de tensões atuais podem não ser simulados exatamente, especialmente nas interfaces soloparede, esta câmera de grande escala particular é capaz de simular razoavelmente tensões e deformações do lastro como nas encontradas em ferrovias atuais (Indraratna e Nimbalkar, 2013). Tensões verticais cíclicas foram medidas usando células de pressão feitas de aço inoxidável (12 mm de espessura, 230 mm de diâmetro) instaladas nas interfaces dormentelastro e lastro-sublastro. Para medir deformações verticais e horizontais do lastro, placas de recalque (que consistem em placas base de aço de 100 100 6 mm ligadas a hastes de aço de diâmetro 10 mm) e potenciômetros eletrônicos foram instalados em varias interfaces tais como dormente-lastro, lastro-sublastro, respetivamente (Figuras 1 e 2). 2.2 Descrição do Material O lastro novo usado na presente pesquisa é basalto latite, de partículas grossas, afiadas e angulosas. As propriedades físicas (Indraratna et al. 1998) foram avaliadas usando os procedimentos de ensaio normatizados pela AS2758.7 (Standards Australia 1996). Basalto latite é um agregado de grão fino, muito escuro, e denso que contem minerais essenciais como plagioclasa (feldspato) e augite (piroxênios). Duas amostras foram preparadas com duas granulometrias diferentes. Uma amostra foi preparada segundo a recomendação de Indraratna et al. (2004) e a outra amostra foi segundo a norma brasileira. NBR 5564 EB-655 (Tabela 1, Figura 3). Figura 1. Ilustração esquemática da câmera triaxial cíclica (dimensões em mm)
Percentagem que passa (%) Figura 2. Equipamento prismoidal triaxial cíclico. Tabela 1. Granulometria dos materiais Gradação A Gradação B Diâmetro máximo 63 63 Diâmetro mínimo 13,2 19 d10 16 27 d30 27 33 d50 33 38 d60 37 41 d90 50 48 Cu 2,31 1,52 Cc 1,23 0,98 Classificação USCS GP GP 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Gradação A (Cu=2,31) Gradação B (Cu=1,52) 0 10 Tamanho de particula (mm) Figura 3. Granulometria e coeficiente de uniformidade do lastro. 2.3 Procedimentos de Ensaio e Programa 2.3.1 Preparação de Amostras. Uma camada de grava arenosa de espessura 150 mm foi usada para representar o sublastro. As duas camadas superiores, i.e. lastro portante (espessura 300 mm) e lastro do ombro (espessura 150 mm), consistiram de lastro novo. Um dormente de madeira e segmento de trilho foram colocados acima da camada compactada de lastro portante, e o espaço entre o dormente e as paredes foi preenchido com lastro do ombro. A camada de espessura 300 mm de lastro foi compactada em quatro camadas de espessura 75 mm e o sublastro (espessura 150 mm) foi compactado em três camadas de 50 mm de espessura até atingir densidades de campo representativas. A compactação foi realizada utilizando um martelo. Os pesos unitários secos ( ) das camadas de lastro e sublastro foram 15.69 e 19.61 kn/m 3, respetivamente. As razoes de vazios correspondentes (e 0 ) do lastro e sublastro foram 0.69 e 0.35, respetivamente.
Deformação Vertical do Lastro, Sv (mm) 2.3.2 Procedimento de Ensaio Uma tensão vertical cíclica ( 1cyc ) foi fornecida pelo atuador servo-hidráulico de carga dinâmica e transmitida através de um embolo de diâmetro 100 mm ao modelo físico. No ambiente da ferrovia, a pressão confinante é de grande interesse (Lackenby et al. 2007). Sob condições normais de uma ferrovia, um movimento lateral significativo é observado na camada de lastro, fato que é atribuído principalmente à reduzida restrição lateral na borda do dormente (Indraratna et al. 2010, 2011, 2014). Para simular comportamento da ferrovia sob tais confinamentos, pequena pressão lateral perpendicular ao dormente ( 2 = 10 kpa), e ( 3 = 7 kpa) paralela ao dormente foram aplicadas para simular confinamento de campo. Confinamento numa ferrovia real geralmente é fornecido pela altura do lastro do berço e do ombro, juntamente com um embricamento e atrito entre as partículas angulosas e interação entre o dormente e o lastro. Inicialmente um estagio de deformação controlada foi realizado (a taxa constante de 1mm/s) até que o nível médio de tensão desviadora cíclica ( 1mean,cyc ) foi atingido. Depois disso, um ensaio de tensão controlada com uma tensão cíclica sinusoidal cíclica de amplitude 1cyc = 1max,cyc - 1min,cyc foi realizado. Leituras iniciais de células de carga, potenciômetros, e placas de recalque foram feitas, e então a tensão máxima cíclica ( 1max,cyc ) correspondente a uma carga de eixo de 25 tons calculada segundo método da American Railway Engineering Association (AREA) (Li e Selig 1998) foi aplicada. Os ensaios foram conduzidos a uma frequência (f) de 15 Hz, a qual simulou uma velocidade (V) de trem de 110 km/h. Esta velocidade de trem corresponde a uma roda de diâmetro de 0,97 m, e uma distancia entre rodas de vagões comuns de 2,02 m. Para esta velocidade de trem, a tensão media de contato na interface dormentelastro obtida pelo método AREA foi de 447 kpa (Esveld 2001). O numero total de ciclos de carga aplicados em cada ensaio foi 200.000. O ensaio foi interrompido em um numero preestabelecido de ciclos de carga, e leituras de recalque, deslocamento lateral das paredes e intensidades de carga foram registradas. Dois ensaios foram feitos para pesquisar a resposta de carregamento cíclico no lastro ferroviário. A deformação do modelo de ferrovia foi analisada através destes testes, onde o efeito da granulometria foi estudado em termos de deformação e controle de quebra. 3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 3.1 Caraterísticas de Recalque As deformações verticais do lastro foram computadas excluindo a deformação da camada de sublastro e são mostradas na Figura 4. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Numero de Ciclos de Carga, N (x10 3 ) 0 50 100 150 200 Figura 4. Deformação vertical do lastro novo. O lastro de granulometria A teve menor deformação vertical que o da granulometria B, e as taxas de deformação viraram menores com a acumulação de ciclos de carga em ambos os casos. 3.2 Modulo Resiliente Gradação A (15 Hz) Gradação B (15 Hz) A Figura 5 mostra a evolução do Modulo Resiliente (M R ) com o numero de ciclos de carga. Ambos os lastros tem módulo resiliente entre 243 e 246 MPa.
W k = W ki - W kf (%) Modulo Resiliente (MPa) 250 249 248 247 246 245 244 243 242 241 240 0 50 100 150 200 Numero de Ciclos de Carga, N (x10 3 ) Figure 5. Variação de Modulo Resiliente com o numero de ciclos. 3.3 Quebra de Partículas Gradação A (15 Hz) Gradação B (15 Hz) Antes e após cada teste, ensaios de analise granulométrica foram realizados, para obter o índice de quebra B g definido por Marsal (1967). O Índice de quebra B g é a soma de valores positivos de ΔW k, expressados como percentagem, ΔW k sendo a diferença entre percentagens retidas em cada peneira antes e após o ensaio triaxial. Figura 6 mostra a variação de ΔW k com o tamanho de partícula para as duas amostras. Como indicado na Figura 6, o lastro de gradação A mostra a menor degradação. 4.0 3.5 Gradação A (15 Hz) Gradação B (15 Hz) Resultados de ensaios traxiais em lastro tem implicado que granulometrias iniciais mudam para menores tamanhos de partículas, com o tamanho máximo não afetado antes e após o carregamento, como apresentado na Figura 7. Um limite arbitrário de quebra máxima é controlado pela peneira de malha mais fina (2,36 neste caso) e significa uma limite superior pratico para quebra de lastro, compreendendo desde d 95 da máxima abertura de malha de peneira d max até a menor abertura de malha d min. Baseado em observações em laboratório, o Indice de quebra de lastro (BBI) tem sido introduzido e definido como segue (Indraratna et al, 2005): BBI = C/(C + D) (1) Onde C é a área como definida previamente, e D é a quebra potencial o a área entre o limite arbitrário de máxima quebra e a curva granulométrica final. O Índice de quebra de lastro (BBI) para o lastro de granulometria A foi 0,054 e para o lastro de granulometria B foi 0,059. 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Figura 7. Avaliação do Índice de Quebra de Lastro (Indraratna et al. 2005) 0.5 0.0 60 40 20 0 Tamanho de partícula (mm) Figura 6. Mudança no tamanho de partícula do lastro sob carregamento cíclico.
4 CONCLUSÕES Os resultados indicam que, o lastro de granulometria A mostrou menor deformação permanente comparada ao lastro de granulometria B. Os experimentos de laboratório também verificaram que o modulo resiliente do lastro permaneceu quase constante para ambas as granulometrias nesta frequência de carregamento. Avaliação das curvas granulométricas antes e após os ensaios indicam que as partículas de lastro na granulometria B foram mas susceptíveis a quebra comparadas às da granulometria B AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com apoio do CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Brasil. Os autores agradecem a Mr. Mahdi Biabani, Mr. Alan Grant por sua colaboração no laboratório da Universidade de Wollongong. REFERENCIAS ABNT (1991) Brazilian Standard NBR 5564, EB-655 - Railway Ballast standard specification. Esveld, C. (2001). Modern railway track, MRT Productions, Zaltbommel, Netherlands. Indraratna, B., Ionescu, D., and Christie, D. (1998). Shear behavior of railway ballast based on largescale triaxial tests. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 124(5), 439 449. Indraratna, B., Khabbaz, H., Salim, W., and Christie, D. (2006). Geotechnical properties of ballast and the role of geosynthetics in rail track stabilization. Ground Improv., 10(3), 91 101. Indraratna, B., Nimbalkar, S., Christie,D., Rujikiatkamjorn, C., andvinod, J. S. (2010). Field assessment of the performance of a ballasted rail track with andwithout geosynthetics. J. Geotech.Geoenviron. Eng., 136(7), 907 917. Indraratna, B., and Salim, W. (2003). Deformation and degradation mechanics of recycled ballast stabilised with geosynthetics. Soils Found., 43(4), 35 46. Indraratna, B., Salim, W., and Rujikiatkamjorn, C. (2011). Advanced rail geotechnology: Ballasted track, CRC Press/Balkema, Rotterdam, Netherlands. Indraratna, B., Lackenby, J. & Christie, D. (2005), Effect of confi ning pressure on the degradation of ballast under cyclic loading, Geotechnique, Institution of Civil Engineers, UK, Vol. 55, No. 4, pp. 325-328. Indraratna, B., Shahin, M. A., and Salim, W. (2007). Stabilising granular media and formation soil using geosynthetics with special reference to railway engineering. Ground Improv., 11(1), 27 44. Indraratna, B., Khabbaz, H., Salim, W., Lackenby, J. and Christie, D. (2004) Ballast characteristics and the effects of geosynthetics on rail track deformation. Int. Conference on Geosynthetics and Geoenvironmental Engineering, Mumbai, India, 2004, pp. 3-12. Indraratna, B. and Nimbalkar, S. (2013). Stress-strain degradation response of railway ballast stabilized with geosynthetics J. Geotech. Geoenviron. Eng., 139(5), 684-700. Indraratna, B., Nimbalkar, S. and Neville, T. (2014). Performance assessment of reinforced ballasted rail track, Ground Improv., 167(1), 24-34. Indraratna, B., Nimbalkar, S. and Rujikiatkamjorn, C. (2012). Track stabilisation with geosynthetics and geodrains, and performance verification through field monitoring and numerical modelling, Int. J. of Railway Tech. 1(1), 195-219. Lackenby, J., Indraratna, B., McDowell, G., and Christie, D. (2007). Effect of confining pressure on ballast degradation and deformation under cyclic triaxial loading. Geotechnique, 57(6), 527 536. Li, D., and Selig, E. T. (1998). Method for railroad track foundation design. I: Development. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 124(4), 316 322. Marsal, R. J. (1967) Large scale testing of rockfill materials. J. of the Soil Mech. And Found. Div., ASCE, Vol. 93, No. SM2, 1967, pp. 23-47. Standards Australia. (1996). Aggregates and rock for engineering purposes. 7: Railway ballast. AS 2758.7, New South Wales, Australia, 1996.