Dissertação de Mestrado
ANÁLISE DA DEFORMABILIDADE DE UM
SOLO TROPICAL DO OESTE DO MARANHÃO
COMO MATERIAL DE SUBLASTRO NA
ESTRADA DE FERRO CARAJÁS
AUTOR: BRUNO GUIMARÃES DELGADO
ORIENTADOR: Prof. Dr. Antônio Carlos Rodrigues
Guimarães (UFOP)
CO-ORIENTADORA: Profa. Dra. Laura Maria Goretti da
Motta (UFRJ)
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA DA UFOP
“Se consegui enxergar mais longe é porque fiquei em pé sobre os ombros de gigantes.”
Isaac Newton (1642 – 1727).
“O solo é o mais antigo, mais usado, mais complexo, e mais desconhecido dos materiais de construção.”
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom da vida e por ter dotado o homem com a capacidade de discernimento e livre arbítrio. Que façamos bom uso destas dádivas.
Ao meu pai, Eng. Ademar Delgado, pelos ensinamentos e incentivos sempre constantes, não me deixando acomodar, nem esmorecer jamais.
A minha mãe, Sandra Delgado, pelos valores transmitidos, que muito me ajudaram a ser uma pessoa melhor e seguir o caminho do bem.
A minha esposa, Elisa Delgado, pela companheira maravilhosa que ela é. Por ter me acompanhado todos esses anos e me apoiado em diversas realizações pessoais e profissionais. Sem ela certamente eu não teria sido capaz de concluir esta importante etapa.
A minha filha Beatriz Delgado. Ela é o meu tesouro mais precioso e tudo que eu consegui realizar até aqui foi por ela e para ela.
As minhas irmãs, Bianca e Tricia Delgado, duas mulheres maravilhosas e muito batalhadoras, que criam seus filhos dentro de conceitos e valores às vezes esquecidos nos dias atuais, embora tão fundamentais para forjar o bom caráter humano.
Ao meu avô, Waldemar Delgado (in memorian), pela confiança sempre
depositada em mim e pela sabedoria empregada na consolidação da harmonia familiar. As minhas avós Carmem Delgado (in memorian) e Risoleta Guimarães, pelos
exemplos de vida e pelos valores depositados na criação dos filhos e netos.
A minha querida Noemia, por ter dedicado tantos anos a nossa família, dando a todos muito mais do que recebendo em troca.
implantação da Estrada de Ferro Carajás e com todo o seu “arcabouço” teórico e prático acumulados em mais de 30 anos de atividade profissional.
Aos amigos do curso de mestrado na UFOP, pelo companheirismo e pelas interações sempre gratificantes, destacando o apoio valioso de: João Franco, Aires Brito, Michele Savian, Bruno César, Fabiano Figueiredo, Guilherme Cruz, Bartolomeo Mitre e Fernando Zanette.
Aos professores do curso de mestrado da UFOP, por terem compartilhado conosco conhecimentos neste período de convivência. Destacando as conversas de corredor sempre intelectualmente estimulantes com os professores: Romero Gomes, Gilberto Fernandes, Rodrigo Pelucci, Adilson Leite, Frederico Sobreira, André Assis, Geraldo Marques, José Leomar, Flávio Padula, Antônio Marcon e Antônio Guimarães.
A Fabiana Von der Osten, mestranda do Instituto Militar de Engenharia, pelo grande apoio durante a fase de desenvolvimento dos ensaios de laboratório conduzidos na COPPE/UFRJ, e pela troca de ideias e conhecimentos em função das pesquisas em comum.
A Mariluce Ubaldo e aos técnicos do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ que tanto ajudaram na realização dos ensaios. Sem o apoio deles não teria sido possível a conclusão desta pesquisa. Um grande abraço aos amigos: Washington, Álvaro Dellê, Beto, Luizão, Bororó e Edmilson do IME.
A professora Laura Motta, pelas suas orientações e conversas extremamente valiosas, com ela aprendi na prática que a excelência não é um “ponto de chegada” mas uma busca contínua. Sinto-me privilegiado por esse período de convivência pessoal e profissional com ela.
E em especial ao professor Antônio Guimarães, pela dedicação com que tem atuado na área de pavimentação. Sua orientação, amizade, paciência, envolvimento e entusiasmo sempre constantes foram decisivos para o desenvolvimento das pesquisas que culminaram neste trabalho.
Muito obrigado a todos!
RESUMO
O projeto da superestrutura de uma ferrovia, ou pavimento ferroviário, tem sido feito, correntemente, a partir da seleção de materiais para camada de sublastro escolhidos a partir de critérios de caracterização geotécnica tradicional: valores de granulometria, plasticidade e CBR compõem as principais exigências. No entanto, baseado nos conceitos da Mecânica dos Pavimentos, hoje se reconhece que existem critérios mais adequados para nortear estas escolhas, a partir do entendimento do pavimento como um sistema em camadas sujeito a cargas repetidas. Na presente dissertação pretende-se discutir, a partir de um estudo de caso, aplicado a um trecho de expansão da Estrada de Ferro Carajás (EFC), estes novos critérios de seleção de um solo para uso como camada de sublastro. Foi selecionada uma jazida de solo fino da região oeste do estado do Maranhão estudada com o objetivo de testar suas características sob a ótica da deformabilidade, elástica e plástica. São apresentados resultados de caracterização geotécnica, classificação MCT e avaliação do comportamento mecânico do solo desta uma jazida considerada representativa dessa região de expansão da EFC. Este solo é essencialmente argiloso, com elevado índice de plasticidade, e seria descartado para o fim proposto considerando-se as normas convencionais de seleção de sublastro, em geral importadas de países de clima temperado. No entanto, em função de sua natureza de solo tropical, avaliou-se seu comportamento tensão-deformação, determinado por ensaios triaxiais de cargas repetidas para a determinação do módulo de resiliência e da deformação permanente, com variados estados de tensões, confinante e desvio. Também foi testada a hipótese da ocorrência de shakedown (ou acomodamento
ABSTRACT
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Esquema geral de sistemas em camadas para pavimentação (BROWN e SELIG, 1991). ...8 Figura 2.2 – Sistema estrutural do pavimento ferroviário (adaptado de SELIG e WATERS, 1994). ...9 Figura 2.3 – Modelo estrutural da via férrea como um sistema multicamadas (SELIG e WATERS, 1994). ... 16 Figura 2.4 – Perda de serventia de um pavimento ferroviário lastrado típico (SELIG e WATERS, 1994). ... 21 Figura 2.5 – Ensaios triaxiais cíclicos sobre uma mesma amostra do subleito submetida a diferentes níveis de tensão desviadora (SELIG e WATERS, 1994). ... 23 Figura 2.6 – Ocorrências mundiais de solos lateríticos (BERNUCCI, 1995). ... 28 Figura 2.7 – Exemplo de concreção laterítica pedregulhosa do oeste do Maranhão (foto do autor). ... 29 Figura 2.8 – Exemplos de solos finos lateríticos do oeste do Maranhão moldados em corpos de prova mini-MCV (foto do autor). ... 29 Figura 2.9 – Perfil geológico simplificado da formação laterítica imatura autóctone da Amazônia (COSTA, 1991). ... 33 Figura 2.10 – Aspecto in-situ de um solo laterítico amazônico com algumas concreções
na região oeste do Maranhão (DER OSTEN et al., 2012). ... 33
Figura 2.13 – Padrão de trincamento de base rodoviária laterítica na Amazônia (estado do Acre, 1998): (a) imediatamente após a compactação e (b) depois de 48 h já imprimada com CM-30 (GUIMARÃES, 2009). ... 39 Figura 2.14 – Tensões aplicadas e deslocamentos no ensaio triaxial cíclico (BERNUCCI
et al., 2008). ... 41
Figura 2.15 – Equipamento de compressão triaxial de carga repetida do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ e um exemplo de registro de deslocamentos durante o ensaio (MOTTA e MEDINA, 2006). ... 42 Figura 2.16 – Principais estruturas geotécnicas sujeitas a carregamentos cíclicos (O´REILLY e BROWN, 1991). ... 49 Figura 2.17 – Respostas-tipo de um solo submetido a carregamento cíclico (GUIMARÃES, 2001). ... 52 Figura 2.19 – Domínios de deformação permanente vertical obtidos de ensaios triaxiais dinâmicos em solo granular de Granodiorito, σ3=70kPa (WERKMEISTER et al., 2001).
... 55 Figura 2.20 – Taxa de acréscimo da deformação permanente variando com o número de ciclos de aplicação de carga para o nível B (WERKMEISTER et al., 2001). ... 55
Figura 2.21 – Deformação resiliente variando com o número de ciclos de aplicação de carga (WERKMEISTER et al., 2001). ... 56
Figura 2.22 – Deformação resiliente variando com a razão de tensões σ1max/σc para um
solo granular de Granodiorito (WERKMEISTER et al., 2001)... 57
Figura 2.23 – Limite de Shakedown para um solo granular de Granodiorito
(WERKMEISTER et al., 2001). ... 58
Figura 3.1 – Imagem de satélite com a localização da EFC, destacando a região de interesse (oeste do Maranhão). ... 62 Figura 3.2 – Pátio-tipo de cruzamento na EFC (DELGADO et al., 2009). ... 67
Figura 4.8 – Curva de compactação do solo da jazida AES-06. ... 88 Figura 4.9 – Aspecto do corpo de prova compactado no ponto próximo ao de umidade ótima com a energia equivalente a do ensaio Proctor Intermediário (foto do autor). ... 89 Figura 4.10 – (a) Porções de solo para ensaio mini-MCV e (b) parte do solo já homogeneizado, separado para confirmação do teor de umidade, para solo da jazida AES-06. ... 90 Figura 4.11 – (a) Execução do ensaio mini-MCV e (b) coleta dos dados do referido ensaio mostrando em primeiro plano os moldes utilizados para compactação dos corpos de prova. ... 91 Figura 4.12 – Curvas de deformabilidade obtidas no ensaio mini-MCV para solo da jazida AES-06 e a consequente obtenção do parâmetro c’. ... 91 Figura 4.13 – Curvas de compactação obtidas no ensaio mini-MCV para solo da jazida AES-06 e a consequente obtenção do parâmetro intermediário d’. ... 92 Figura 4.14 – (a) Extração do corpo de prova e (b) início do ensaio de perda de massa por imersão. ... 93 Figura 4.15 – (a) Corpos de prova submetidos à imersão após 15 minutos e (b) após as 24h preconizadas para finalização do ensaio. ... 93 Figura 4.17 – Resultado da classificação do solo da jazida AES-06, no ábaco classificatório segundo a metodologia MCT. ... 96 Figura 4.18 – Ensaio de MR em curso para solo da jazida AES-06. ... 97 Figura 4.19 – Tela do condicionamento do corpo de prova para posterior realização do ensaio de MR. ... 98 Figura 4.20 – Tela do ensaio de deformação permanente do equipamento de cargas repetidas da COPPE/UFRJ. ... 100 Figura 4.21 – Ensaio de deformação permanente em curso para solo da jazida AES-06 no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ. ... 102 Figura 5.1 – Resultados de ensaio de MR em função da tensão desvio (σd) para solo da
Figura 5.2 – Resultados de ensaio de MR em função da tensão confinante (σ3) para solo
da jazida AES-06. ... 105 Figura 5.3 – Variação da deformação permanente total para solo da jazida AES-06. .. 110 Figura 5.4 – Corpo de prova rompido após repetição do ensaio 7. ... 112 Figura 5.5 – Tela do sistema de aquisição de dados durante a repetição do ensaio 7 de deformação permanente. ... 112 Figura 5.6 – Pesquisa da ocorrência do shakedown empregando o modelo de Dawson e
Wellner para o solo da jazida AES-06. ... 114 Figura 5.7 – Pesquisa do limite de shakedown para o solo da jazida AES-06. ... 116
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Características geotécnicas de um solo laterítico comparadas a um solo saprolítico (NOGAMI E VILLIBOR, 1980). ... 35 Tabela 2.2 – Módulos de Resiliência de alguns solos com valores para os parâmetros
dos modelos σd, σ3, e composto, com respectivos valores de R2 – tensões e MR
expressos em MPa (MOTTA e MEDINA, 2006). ... 44 Tabela 2.3 – Caracterização geotécnica convencional para os solos da tabela 2.2 (MOTTA e MEDINA, 2006). ... 44 Tabela 2.4 – Valores típicos dos parâmetros A e B - modelo εp = ANB (SVENSON, 1980).
Lista de Símbolos, Nomenclatura e Abreviações
ABMS: Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica. ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ABPv: Associação Brasileira de Pavimentação. AES: Área de Empréstimo para Sublastro. AMV: Aparelho de Mudança de Via. AMZA: Amazônia Mineração.
AREA: American Railway Engineering Association.
AREMA: American Railway Engineering and Maintenance-of-way Association.
CBR: Califórina Bearing Ratio.
COPPE: Coordenação dos Programas de Pós-graduação em Engenharia. CVRD: Companhia Vale do Rio Doce.
DNER: Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. DNIT: Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. EFB: Estrada de Ferro de Bragança.
EFC: Estrada de Ferro Carajás.
EFMM: Estrada de Ferro Madeira-Mamoré. EFT: Estrada de Ferro do Tocantins.
ES: Especificação de Serviço.
FLAPS: Finite Layer of Pavement Structures.
HRB: Highway Research Board.
ISSMFE: International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.
LVDTs: Linear Variable Differential Transducers.
MCT: Miniatura-Compactado-Tropical.
MCT-M: Miniatura-Compactado-Tropical-Modificado. MCV: Moisture Condition Value.
ME: Método de Ensaio.
NUGEO: Núcleo de Geotecnia. SAFL: Solo Arenoso Fino Laterítico. TFCJ: Terminal Ferroviário de Carajás.
TFPM: Terminal Ferroviário de Ponta da Madeira. TLS: Trilho Longo Soldado.
UFJF: Universidade Federal de Juiz de Fora. UFOP: Universidade Federal de Ouro Preto. UFRJ: Universidade Federal do Rio de Janeiro. USCS: Unified System Classification Soil.
Al: Alumínio.
Al2O3: Óxido de Alumínio.
C: Coeficiente de Winkler ou Coeficiente de Lastro.
c´: Inclinação do Segmento Retilíneo das Curvas de Compactação Mini-MCV. CaO: Óxido de Cálcio.
CH: Argila de Alta Compressibilidade. CL: Argila de Baixa Compressibilidade.
d´: Inclinação (x1.000) do Ramo Seco da Curva de Compactação de 12 Golpes.
e´: Parâmetro dado por Expressão Matemática, em Função da Perda de Massa por Imersão do Solo.
εr: Deformação Específica Axial Resiliente.
εp, DF: Deformação Permanente.
Fe: Ferro.
Fe2O3: Óxido de Ferro.
Gs: Densidade Real do Grãos.
γ: Peso Específico do Solo. I: Momento de Inércia. IP: Índice de Plasticidade. K: Potássio.
K1, K2, K3: Parâmetros Experimentais de Deformabilidade de Solos.
K2O: Óxido de Potássio.
LA: Areias com pouca Argila Laterítica. LA’: Areias Argilosas Lateríticas.
LG’: Argilas Lateríticas e Argilas Lateríticas Arenosas. LL: Limite de Liquidez.
LP: Limite de Plasticidade.
MH: Silte de Alta Compressibilidade.
MR, MR: Módulo de Resiliência, Módulo Resiliente.
Mg: Magnésio.
MgO: Óxido de Magnésio.
N: Número de Repetições de Aplicação de Carga do Eixo-padrão.
Na2O: Óxido de Sódio.
NG’: Argilas, Argilas Siltosas e Argilas Arenosas não Lateríticas.
NS’: Siltes Cauliníticos e Micáceos, Siltes Arenosos e Siltes Argilosos não Lateríticos. PI: Proctor Intermediário.
Pi: Perda de Massa por Imersão. PM: Proctor Modificado. PN: Proctor Normal. Si: Silício.
SiO2: Dióxido de Silício.
SP: Sondagem a Percusão. ST: Sondagem a Trado.
σ1: Tensão Principal Maior.
σc, σ3: Tensão Confinante.
σd: Tensão Desvio ou Desviadora.
TiO2: Dióxido de Titânio.
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ...1
1.1. Considerações Iniciais ...1
1.2. Contextualização Geral ...2
1.3. Justificativa da Dissertação ...3
1.4. Objetivos da Dissertação...4
1.5. Estrutura da Dissertação ...5
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...7
2.1. O Conceito de Pavimento Ferroviário ...7
2.2. A Mecânica dos Pavimentos Ferroviários ...9
2.2.1. Via Férrea como Vigas Contínuas sobre Apoios Elásticos ... 11
2.2.2. Via Férrea como um Sistema Multicamadas ... 15
2.3. A Camada de Sublastro no Sistema Estrutural da Via Férrea ... 19
2.4. Conceituação, Formação e Ocorrência dos Solos Tropicais ... 24
2.5. Caracterização Genética dos Solos Tropicais Amazônicos ... 29
2.6. Aplicação de Solos Tropicais em Camadas de Pavimentos ... 34
2.7. Ensaios Triaxiais de Cargas Repetidas ... 39
2.7.1. Modelos de Deformabilidade em Solos ... 42
2.7.2. Princípios da Teoria do Shakedown em Solos para Pavimentação ... 48
CAPÍTULO 3 – O PROJETO ESTUDADO ... 59
3.2. Localização da EFC ... 60 3.3. Caracterização da Região do Projeto ... 62 3.3.1. Clima ... 63 3.3.2. Solos ... 63 3.3.3. Hidrografia ... 65 3.3.4. Vegetação ... 65 3.4. Operação e Expansão da Estrada de Ferro Carajás ... 66 3.5. Localização, Materiais e Caracterização Preliminar ... 72
CAPÍTULO 4 – MATERIAIS E MÉTODOS ... 79
4.1. Introdução ... 79 4.2. Secagem, Destorroamento, Homogeneização e Identificação do Solo ... 81 4.3. Caracterização Geotécnica Convencional... 83 4.4. Ensaio de Compactação ... 86 4.5. Classificação MCT ... 89 4.6. Ensaio de Módulo de Resiliência ... 96 4.7. Ensaios de Deformação Permanente ... 99
CAPÍTULO 5 – ANÁLISE DOS RESULTADOS DE DEFORMABILIDADE ... 103
5.3.4. Análise da Variação do Módulo de Resiliência ... 117
CAPÍTULO 6 – CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 121
6.1. Conclusões da Pesquisa ... 121 6.2. Sugestões para Pesquisas Futuras ... 123
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1. Considerações Iniciais
A história desta pesquisa está intimamente ligada ao trabalho desenvolvido pelo autor ao longo de cinco anos, na área de projetos ferroviários da mineradora Vale, como integrante da equipe responsável pelo desenvolvimento dos projetos de engenharia para expansão da Estrada de Ferro Carajás, nos estados do Pará e Maranhão.
Tal projeto representa um marco na engenharia ferroviária nacional, face à suas peculiaridades no que tange a carga por eixo de projeto de 40 toneladas e aos aspectos que nortearam os estudos para o dimensionamento do pavimento ferroviário.
O dimensionamento dessa via férrea para expansão desse importante corredor de exportação para a produção nacional foi desenvolvido em 2010 a partir de conceitos mecanicistas em substituição aos métodos puramente empíricos baseados em práticas pouco adaptadas à gênese dos solos brasileiros. Tal esforço implicou numa ruptura de paradigmas e no processo de formação da mão de obra técnica envolvida neste projeto, tanto da Vale como de empresas projetistas e consultorias.
Neste processo, o autor foi, na condição de engenheiro responsável por alguns trechos do projeto, impelido a buscar aperfeiçoamento na área de Geotecnia e de Pavimentação, o que o conduziu ao mestrado em Geotecnia da tradicional Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto. Esta oportunidade culminou com a pesquisa que originou esta dissertação.
1.2. Contextualização Geral
O Brasil é um país com ampla ocorrência de solos tropicais, cujas peculiaridades de comportamento geotécnico têm determinado o desenvolvimento de metodologias e procedimentos distintos daqueles usualmente empregados pela Mecânica dos Solos tradicional, que foi desenvolvida a partir de solos de países de clima temperado. Destacam-se neste contexto a classificação MCT (Miniatura – Compactado – Tropical) desenvolvida para solos finos tropicais, assim como os estudos de módulo de resiliência e deformação permanente tanto para solos finos quanto para solos lateríticos pedregulhosos (SILVA, 2003).
Do ponto de vista estrutural são dois os defeitos fundamentais a serem combatidos em um pavimento rodoviário: a fadiga do revestimento asfáltico, gerada pela repetição da ação das cargas do tráfego, e o afundamento de trilha de roda, que corresponde ao acúmulo de deformações permanentes também pela ação do tráfego, sendo que cada camada do pavimento gera certa contribuição.
A maioria dos fundamentos conceituais da Mecânica dos Pavimentos, assim como ensaios de laboratório e métodos numéricos foram desenvolvidos para pavimento rodoviário, mas podem ser incorporados também em caso de pavimento ferroviário. Neste caso, a fadiga do revestimento asfáltico pode ser associada ao que ocorre nos trilhos ou nos dormentes conforme mostrado por Spada (2003), bem como contribuir para a ocorrência de fragmentação do material do lastro, com conseqüente produção de finos e enrijecimento da camada. Ambos processos são gerados por repetição de cargas, e assim, os ensaios de caracterização dos materiais do lastro, do sublastro e do subleito devem reproduzir esta condição. Assim, o conceito de módulo de resiliência é igualmente importante na ferrovia e na rodovia e, no caso de deformação permanente a analogia é direta, porque o sucessivo acúmulo de deformações permanentes pelas camadas do pavimento ferroviário pode gerar deformação permanente total da estrutura, prejudicando o nivelamento dos trilhos.
resiliência e de deformação permanente dos materiais. Estes têm sido realizados por ensaios triaxiais de cargas repetidas.
1.3. Justificativa da Dissertação
O procedimento usualmente empregado para seleção de material de sublastro ao longo da Estrada de Ferro Carajás (EFC) é fundamentado no ensaio de CBR (abreviação em inglês para ISC - índice de suporte california) e em sistemas de classificação convencionais de solos oriundos dos países de clima temperado, como os sistemas de classificação USCS (abreviação em inglês para Sistema de Classificação Unificada de Solos) e HRB (sistema de classificação da Highway Research Board para
fins rodoviários). Ou seja, se um determinado material de jazida não atende a um valor mínimo de CBR e não se enquadra em um determinado índice de classificação dos critérios convencionais, então o material é descartado para fins de pavimentação. Como consequência, as jazidas consideradas adequadas por estes procedimentos estão cada vez mais distantes dos locais de aplicação (obras de expansão da ferrovia).
1.4. Objetivos da Dissertação
Esta pesquisa objetiva de forma geral avaliar a aplicabilidade de uma jazida de solo fino tropical do oeste do Maranhão como material de sublastro na Estrada de Ferro Carajás, visando expansão desta ferrovia.
De forma específica, tal estudo objetiva:
Avaliar a aplicabilidade de solos finos lateríticos como camada de sublastro em pavimento ferroviário;
Pesquisar a ocorrência do fenômeno shakedown, ou
acomodamento das deformações permanentes em solos da região oeste do estado do Maranhão;
Investigar os níveis de tensão limites para aplicação do solo estudado como camada de sublastro no pavimento ferroviário da EFC;
Analisar a variação do módulo de resiliência do solo após o incremento de deformação permanente; e com isto
Contribuir para no futuro se propor à Vale um novo critério para seleção de jazidas de sublastro baseada na classificação MCT e em ensaios dinâmicos.
Ao longo da pesquisa realizada, foram coletados solos oriundos de 04 jazidas para material de sublastro de pavimento ferroviário, localizadas ao longo da EFC, na região oeste do estado do Maranhão, com vistas à primeira fase do projeto de expansão da referida ferrovia. Destas foi selecionado o solo de uma jazida considerada crítica por ser este solo, a princípio, descartado para tal finalidade. Este solo foi selecionado também por ser representativo do comportamento de solos dessa natureza na região oeste do estado do Maranhão.
Os ensaios foram realizados no Setor de Pavimentos do Laboratório de Geotecnia da Coordenação dos Programas de Pós-graduação em Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ), e consistiram de:
Ensaios de caracterização geotécnica convencionais (granulometria por peneiramento e sedimentação, densidade real dos grãos, limites de Atterberg e compactação na energia equivalente a do ensaio Proctor Intermediário);
Ensaios para classificação MCT (mini-MCV e perda de massa por imersão);
Ensaio de módulo de resiliência; e
Ensaios de deformação permanente.
A partir dos resultados obtidos, será possível contribuir para no futuro se propor à Vale um novo critério para seleção de solos em jazidas para material de sublastro, mais adequado tanto às condições de trabalho do material como camada de pavimento (análise mecanística) quanto ao ambiente tropical (metodologia MCT).
1.5. Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está estruturada em 6 capítulos, partindo-se deste capítulo 1 de introdução e desenvolvendo-se em seguida da seguinte forma:
enfocando a deformação permanente e os conceitos da teoria do shakedown e dos
mecanismos de pesquisa da ocorrência de tal fenômeno.
No capítulo 3 é caracterizado o projeto ferroviário que deu origem ao estudo de caso em questão, sendo abordados os seguintes aspectos: entendimento geral do projeto, as características regionais (clima, solos, hidrografia e vegetação), o arranjo operacional da EFC e seu plano expansionista, destacando os critérios de projeto do pavimento ferroviário da EFC, inclusive as condições que nortearam a elaboração dos projetos básico e executivo do trecho em questão. É apresentado o material que foi estudado nesta dissertação e os fatores condicionantes da sua escolha.
No capítulo 4, apresentam-se os detalhes do material, através de estudos desenvolvidos já por ocasião desta pesquisa, desde a coleta do material no campo, nova caracterização geotécnica convencional e a classificação MCT do solo constituinte. Ainda neste capítulo são descritos os procedimentos que foram utilizados para aplicação dos ensaios laboratoriais de módulo de resiliência e de deformação permanente sobre este material, visando analisar a deformabilidade elástica e plástica do solo estudado.
No capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados dos ensaios dinâmicos realizados no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, analisando os aspectos de deformabilidade do solo em questão quanto à deformação resiliente e quanto à deformação permanente.
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. O Conceito de Pavimento Ferroviário
Segundo Brown e Selig (1991), o dimensionamento de pavimentos foi tratado de forma empírica e como uma área secundária da Mecânica dos Solos, desde as primeiras décadas do século XX. Porém com o crescimento econômico das nações, e a necessidade crescente por transportes, buscou-se um melhor entendimento da resposta do pavimento frente às suas solicitações, culminando com o surgimento da Mecânica dos Pavimentos, definida por Medina (1988) como a disciplina da Engenharia Civil responsável por estudar os pavimentos como um sistema multicamadas e que está sujeito às cargas oriundas dos veículos que neles trafegam.
Os pavimentos constituem a infraestrutura necessária e adequada para o tráfego dos veículos, podendo ser agrupados segundo sua adequação aos diversos tipos. Logo, rodovias são dimensionadas para o tráfego de carros e caminhões, ferrovias para o tráfego de trens e os pavimentos aeroportuários para o pouso e decolagem de aeronaves, dentre outros (SPADA, 2003).
Em todos os casos o pavimento consiste de um sistema em camadas – pelo menos uma – assente sobre um subleito, que é a camada final de terraplenagem, dotado de revestimentos adaptados às necessidades específicas dos veículos que nele venham a trafegar.
A figura 2.1, apresenta exemplos típicos para: (a) um pavimento geral (rodovias, pavimentos aeroportuários, e outros), e (b) um pavimento ferroviário ou via férrea (também denominado de via permanente no meio ferroviário), segundo Brown e Selig (1991). A via férrea também se constitui um pavimento: o pavimento ferroviário como define Medina (1988).
Figura 2.1 – Esquema geral de sistemas em camadas para pavimentação (BROWN e SELIG, 1991).
Nos primórdios da Engenharia Ferroviária, os trilhos de forma pioneira e ainda sem o conhecimento técnico necessário, foram assentes diretamente no terreno natural, sem maiores preocupações com a capacidade de suporte e com o comportamento mecânico do pavimento (SCHRAMM, 1977; STOPATTO, 1987).
Com o passar do tempo, observou-se que o pavimento ferroviário, precisaria ser especialmente construído para suportar a crescente necessidade de transporte de cargas e passageiros. Com isso, passou-se a utilizar dormentes transversalmente sob os trilhos, com o intuito de distribuir melhor as tensões proporcionadas pela passagem das composições (SCHRAMM, 1977). Buscou-se ainda, segundo Stopatto (1987), implantar uma camada pétrea de lastro, com o objetivo original de distribuir igualmente as tensões atuantes no pavimento e proteger o suporte subjacente de deformações permanentes (finalidade observada somente de maneira empírica na época). E finalmente, optou-se por construir camadas de material natural em geral de solo previamente selecionado, com o intuito de separar a camada de lastro do subleito, reduzindo as tensões sobre o subleito, fornecendo algum amortecimento para o sistema e limitando a subpenetração do subleito no lastro (STOPPATO, 1987; SPADA, 2003). Esta camada ficou conhecida como sublastro.
anteriormente mencionadas. Foi feita uma adaptação na figura, associando as camadas apresentadas a uma imagem da seção transversal real de um pavimento ferroviário brasileiro.
Figura 2.2 – Sistema estrutural do pavimento ferroviário (adaptado de SELIG e WATERS, 1994).
2.2. A Mecânica dos Pavimentos Ferroviários
Segundo Motta e Medina (2006):
“A mais importante contribuição da pesquisa tecnológica, entendida como a
utilização de conhecimento científico na solução de problemas de engenharia, no
tocante a solos e materiais de pavimentação, nos últimos trinta anos, foi o destaque
dado à deformabilidade do material.”
No caso do pavimento rodoviário as trincas por fadiga surgem no concreto asfáltico ao passo que na via férrea o elemento que sofre este efeito são os trilhos ou dormentes. O afundamento de trilha de roda causado pelas deformações permanentes das camadas do pavimento ocasiona na ferrovia o desnivelamento da linha. A Mecânica dos Pavimentos busca entender o comportamento mecânico dos pavimentos em níveis de tensão cíclica bem abaixo do limite de ruptura dos materiais envolvidos – pois são os níveis de tensão aos quais estes estarão submetidos na sua vida de projeto – tanto no que se refere às deformações resilientes responsáveis pela fadiga, quanto às deformações permanentes, oriundas da plastificação do material constituinte (SPADA, 2003).
A relação entre as tensões cíclicas (ou repetidas, correspondentes à passagem dos veículos) e a correspondente deformação recuperável é por definição o módulo de resiliência do material.
Sabe-se da Mecânica dos Solos, conforme mostrado por Das (2007), que a tensão atuante é dissipada ao longo das camadas do pavimento. Desta forma o dimensionamento de um pavimento visa garantir a proteção do subleito mediante a definição de camadas sobrepostas com uma dada espessura e rigidez, garantindo simultaneamente ainda que as próprias camadas não trinquem ou se plastifiquem.
Modernamente sabe-se que o entendimento do pavimento ferroviário como um sistema multicamadas, deve interrelacionar os componentes da via férrea – trilhos, dormente, fixações, lastro, sublastro e subleito – na busca por um entendimento do efeito de carregamento proporcionado pela passagem dos veículos sobre as tensões e deformações associadas ao conjunto (SELIG e WATERS, 1994).
Ressalta-se, porém, que a via férrea pode receber cargas em três direções (vertical, longitudinal e lateral), sendo somente analisada, por simplificação quando se analisam os materiais do lastro, sublastro e subleito, a componente vertical, em face dos modelos geotécnicos mais comuns não apresentarem a conjugação tridimensional (SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).
contínuas sobre apoios discretos e equidistantes. Em ambos, os apoios são considerados perfeitamente elásticos, homogêneos e isotrópicos. O mais comum dos modelos tradicionais é o que representa a viga sobre apoios contínuos. Sabe-se que a hipótese dos trilhos apoiados sobre um único material elástico não permite uma análise mais detalhada da mecânica da via férrea implicando em distorções que acabam onerando o projeto do pavimento. Isto implica na necessidade de análises mais sofisticadas como o sistema em múltiplas camadas que resolve o problema a partir de métodos numéricos com suporte computacional.
A seguir serão apresentados nos subitens 2.2.1 e 2.2.2, os modelos de previsão do comportamento da via. Primeiramente será apresentado o modelo clássico baseado na hipótese de apoios contínuos e elásticos sob o trilho e em seguida será apresentado o sistema multicamadas baseado no critério de deformabilidade de todos os materiais, analisando a via como um sistema de camadas elásticas, lineares ou não lineares.
2.2.1. Via Férrea como Vigas Contínuas sobre Apoios Elásticos
Após os sucessivos e pioneiros insucessos do século XIX, época das primeiras ferrovias, buscou-se sistematizar o entendimento sobre o pavimento ferroviário, de forma a prever o seu comportamento. Assim, Winkler propôs em 1867, que a via férrea poderia ser compreendida como um sistema de vigas contínuas, constituída como um modelo de trilhos equidistantes e de comprimentos infinitos, apoiados de forma continua sobre molas de módulos de rigidez constantes, com as reações dos apoios proporcionais às suas deflexões (HAY, 1982). Tal modelo é expresso pela relação apresentada na equação 2.1:
Sendo: P uma força por unidade de área, y a deflexão e C o chamado coeficiente de Winkler ou coeficiente de lastro, definido como uma tensão por unidade de comprimento.
Europa até a década de 1970 (RIVES et al., 1977). Somente em 1915, foi que
Timoshenko apresentou um estudo no qual a via férrea seria analisada com apoios discretos, formados por dormentes espaçados, utilizando o mesmo procedimento de viga contínua apoiada elasticamente (HAY, 1982). Este modelo, no entanto, não foi tão empregado como o anterior: a American Railway Engineering Association – AREA
apresentou em 1918, um resumo dos resultados obtidos por um grupo de trabalho, coordenado por A. N. Talbot, para analisar os esforços atuantes em uma estrada de ferro, que concluiu, após estudar vários métodos de análise da via férrea, que a abordagem através de apoios contínuos e elásticos sob o trilho era a mais conveniente. Dessa forma foi introduzido, então, o conceito do módulo de elasticidade do apoio do trilho ou módulo de via (u), que representa uma medida vertical da rigidez do apoio do trilho e é expresso pela equação 2.2:
Sendo: p uma força por unidade de comprimento, proporcional à deflexão y e
u o chamado módulo de via.
O módulo de via é um parâmetro global que representa uma força por comprimento unitário que cada trilho requer para provocar uma deflexão unitária na via, incorporando os efeitos devidos ao espaçamento, a natureza e as dimensões dos dormentes, a espessura e as condições de socaria da camada de lastro e a rigidez do subleito, não sendo possível distinguir a contribuição de cada camada do pavimento ferroviário isoladamente (SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).
Somente em 1955, Hutter comprovou, de acordo com Rives et al. (1977), que
os esforços em uma viga apoiada de forma descontínua não se diferenciam significativamente dos resultados alcançados supondo o trilho apoiado de forma uniforme e contínua.
para dimensionamento do pavimento ferroviário) ou o coeficiente de lastro (utilizado no método de Zimmermann para o referido dimensionamento).
Segundo Spada (2003) e Fernandes (2005), no método de Talbot, a equação diferencial que representa o modelo é expressa pela equação 2.3:
Sendo:
E - módulo de elasticidade do trilho, I - momento de inércia do trilho, u - módulo de via,
y - deflexão da via.
A solução para a equação 2.3, considerando a deflexão do trilho, y (x), a qualquer distância x, ao longo do trilho a partir de um carregamento simples P, é dada por:
Sendo:
P - carga de uma roda,
λ - fator de amortecimento,
x - distância para qualquer ponto a partir do carregamento ao longo do trilho. As sucessivas derivações da equação da deflexão (equação 2.4) fornecem a inclinação, o momento fletor, a força de cisalhamento o e a intensidade do carregamento. A deflexão máxima (Y0), o momento fletor máximo (M0) e a força
máxima por metro de trilho (P0) ocorrem no ponto de aplicação do carregamento
(debaixo da roda) onde x = 0.
Spada (2003) ressalta que o módulo de via não pode ser determinado através de uma medida direta. Logo, para sua obtenção deve-se medir a deflexão do pavimento, obtendo-se o módulo através da equação 2.8:
Um relatório da AREA de 1919 apresentou uma equação, conhecida por
fórmula de Talbot, para a determinação da tensão vertical em qualquer ponto do lastro, baseada em dados experimentais com modelos físicos instrumentados em laboratório, dada pela equação 2.9:
Sendo:
σc- tensão vertical sob a linha de centro do dormente em lb/pol2,
σm- tensão média uniformemente distribuída na base do dormente em lb/pol2,
h - profundidade abaixo da base do dormente em polegadas.
Para o método de Zimmermann, a equação diferencial que representa o modelo de comportamento da via é dada pela expressão 2.10:
E - módulo de elasticidade do trilho, I - momento de inércia do trilho, b - largura da viga,
C - coeficiente de lastro, y - deflexão da via.
Integrando-se a equação 2.10 para o caso de carga pontual, se obtém os valores da deflexão e do momento fletor em qualquer ponto do trilho.
Fortunato (2005) destaca que do ponto de vista geotécnico, o modelo baseado na hipótese de vigas contínuas sobre apoios elásticos, não permite uma análise adequada do comportamento tensão-deformação das camadas de apoio e do subleito da via, e que o módulo de via, que representa na prática a rigidez global do sistema, é afetado por vários fatores, o que torna difícil avaliar a contribuição individual de cada um dos elementos constituintes do pavimento ferroviário.
Ensaios desenvolvidos por Zarembsky e Choros (1979) demonstraram que o módulo de via varia com a carga de roda e é dependente do tempo de duração da carga.
Segundo Selig e Li (1994), o módulo de resiliência do subleito e a profundidade a que se encontra uma camada “rígida” são os fatores dominantes na influência do módulo de via. Ebersöhn et al. (1993) trataram a não linearidade entre o
módulo de via e a carga de roda. Fortunato (2005) destaca ainda que a menos que o subleito seja muito rígido, a rigidez dos dormentes e dos apoios é pouco importante comparada com a dos componentes da infraestrutura, daí a importância de se buscar um entendimento melhor do comportamento mecânico das camadas intermediárias do pavimento, em especial da camada de sublastro.
2.2.2. Via Férrea como um Sistema Multicamadas
estrutural sem solução analítica exata (FERNANDES, 2005). Considerando o pavimento ferroviário sujeito a carregamento vertical, e seus componentes são considerados separadamente: trilhos, acessórios de fixação, dormentes, lastro, sublastro e subleito, conforme esquema mostrado na figura 2.3, segundo Selig e Waters (1994).
Figura 2.3 – Modelo estrutural da via férrea como um sistema multicamadas (SELIG e WATERS, 1994).
O sublastro constitui uma camada de proteção do subleito, objetivando reduzir a tensão atuante sobre ele e proporcionando algum amortecimento para o sistema em camadas. É constituído geralmente por solos locais, o que implica em um esforço de engenharia no sentido de viabilizar este aproveitamento de forma a não onerar o custo do pavimento ferroviário (SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).
O lastro é a camada pétrea na qual é assentada a grade constituída pelos trilhos, dormentes e acessórios de fixação, deve ser constituída de material permeável e resistente, é a que mais contribui para o amortecimento do sistema, distribuindo as tensões recebidas e mantendo integra a geometria da via (SILVA, 2002).
A grade constituída pelos trilhos, acessórios de fixação e dormentes, constitui a camada que forma a superfície de rolamento e, ao mesmo tempo, serve de guia para as rodas dos veículos ferroviários (SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).
Spada (2003) lembra que cada uma dessas camadas, tem o seu módulo de resiliência e seu coeficiente de Poisson, sendo que cada camada deve trabalhar solidária às demais, ou seja, não sendo permitido nenhum deslizamento nas interfaces entre elas.
Atualmente dispõe-se de diversos programas computacionais para resolver e analisar o modelo estrutural descrito. Tais programas são tridimensionais, em multicamadas, utilizando propriedades tensão-deformação não lineares para o lastro, sublastro e subleito, de forma a se obter a resposta elástica do sistema estrutural da via férrea (FERNANDES, 2005).
Chang et al. (1980) apresentaram um modelo computacional de análise para a
satisfazendo as condições de equilíbrio e de compatibilidade de deformação para a obtenção de uma resposta completa do comportamento do sistema.
Fernandes (2005) esclarece que o programa possui funções interativas para eliminar as tensões de tração, não permitindo que na análise numérica surja tensão de tração atuante entre o lastro e os dormentes. Permite a análise de carga sobre a grade de até quatro eixos simultâneos. As camadas da via (lastro, sublastro e subleito) são tratadas como materiais elásticos lineares. Entretanto, o módulo pode ser representado por uma relação dependente do estado de tensões utilizando-se um esquema de solução interativa. Os dados de entrada são as propriedades dos materiais, propriedades dos dormentes, dos trilhos e o carregamento.
Considera-se no Geotrack que os dormentes e trilhos comportam-se como vigas elásticas lineares e os acessórios de fixação como molas, que podem ser tracionadas ou comprimidas (SELIG e WATERS, 1994).
O programa fornece os seguintes dados de saída: deflexão vertical do trilho, reação trilho-dormente, deflexão do dormente sob o trilho, momentos fletores atuantes sobre o trilho, módulo de via, deslocamentos verticais, estados de tensões e tensões principais causadas pelo carregamento de roda em um ponto selecionado em cada camada (SELIG e WATERS, 1994; SPADA, 2003; FERNANDES, 2005).
Rodrigues (1994) desenvolveu um programa computacional denominado Ferrovia. O modelo é tridimensional, elástico-linear e obtém as respostas ao carregamento vertical da via, incluindo-se as tensões e deformações nas camadas de lastro, sublastro e subleito.
Fernandes (2005) esclarece que o programa Ferrovia emprega em seus cálculos o método das camadas finitas, sendo os trilhos e dormentes representados por elementos de viga interconectados e as fixações que fazem a ligação são representadas como molas.
Ainda segundo Fernandes (2005), as camadas de lastro, sublastro e subleito, que são modeladas no programa Ferrovia, pelo método das camadas finitas (programa FLAPS 1.0 – “Finite Layer of Pavement Structures”), determinam a matriz de rigidez,
partir de uma superposição de programas. O programa opera baseado no critério de ruptura de Mohr-Coulomb e são restringidas possíveis tensões de tração entre o dormente e o lastro. A malha de pontos nodais da grade foi montada com onze dormentes, cada um subdividido em dez elementos de viga.
Spada (2003) destaca ainda que existem outros programas computacionais que analisam o comportamento mecânico da via permanente, como os programas Kentrack, Illitrack, e o programa Plaxis 3D. Este último, segundo Fernandes (2005), permite simular o comportamento da via com o emprego de geossintéticos como reforço no pavimento.
2.3. A Camada de Sublastro no Sistema Estrutural da Via Férrea
Conforme mencionado, o sublastro é a camada que fica entre o lastro pétreo e o subleito, sendo composta de material natural previamente selecionado; nos países de clima temperado é constituída basicamente de material grosso (mais de 50% retido na peneira de número 200 – 0,075mm de abertura da malha) com granulometria inferior a do lastro.
A camada de sublastro deve evitar a erosão do subleito pela ação mecânica do lastro e na presença de água ocasionar a formação de lama que por ação do tráfego pode ser bombeada para o lastro contaminando-o. Fortunato (2005) destaca que o sublastro deve funcionar como uma camada de transição, dificultando que as águas que caem no lastro cheguem ao subleito, e ainda como elemento drenante e filtrante entre as camadas de topo e base, devendo para isto atender aos critérios de dimensionamento de filtro de Terzaghi propostos por Bertram em 1940 (STOPPATO, 1987; SELIG e WATERS, 1994; SPADA, 2003; AREMA, 2009).
Segundo Fortunato (2005), a camada de sublastro deve permitir que se escoem as águas que ascendem do subleito, mas simultaneamente inibir a passagem de finos para o lastro impedindo a sua colmatação e enrijecimento. Tal critério preconiza que o material de sublastro deve apresentar condição satisfatória de retenção de finos ( 15 4
terreno filtro
D D
) e também de permeabilidade ( 15 5
terreno filtro
D D
D15 = diâmetro correspondente à percentagem de 15% passante; e
D85 = diâmetro correspondente à percentagem de 85% passante.
Em se tratando de solos lateríticos, no entanto, não se tem maiores estudos sobre o atendimento destes solos a tal critério. Não sendo escopo deste trabalho, investigar a adequação do solo estudado a tais aspectos de drenabilidade e transição e tão somente ao atendimento do solo frente às solicitações impostas pelo tráfego ferroviário quanto aos aspectos de deformabilidade.
Sabe-se que o sublastro quando construído com material fino laterítico apresenta baixas permeabilidade e erodibilidade, o que possibilita um bom desempenho para a via. Porém a necessidade de enquadramento em tais critérios, fundamentais para solos grossos, precisa ser investigada, visando aplicação deste tipo de solo, como camada de sublastro ferroviário.
No dimensionamento de um pavimento ferroviário, ao se especificar o trilho, a dormentação, as fixações e o lastro pétreo a ser empregado, geralmente não existem grandes preocupações dos projetistas relacionadas à logística destes materiais, pois são materiais obtidos a partir de processos industriais e que devem ser transportados ao ponto de aplicação. Para a constituição do sublastro, no entanto, busca-se o emprego de solos locais que estejam o mais próximo possível do ponto de aplicação, pois o transporte a distâncias excessivas pode onerar desnecessariamente o empreendimento (SENÇO, 1997). Adiciona-se a isso o fato de que os solos brasileiros (país de clima tropical) diferem dos solos de países de clima temperado, indicando a necessidade de melhor entendimento destes para fins de pavimentação (NOGAMI e VILLIBOR, 1980; MOTTA e MEDINA, 2006; BALBO, 2007).
deformações ocorrem primeiramente no lastro, que se mantido no tempo certo através de intervenções periódicas visando à restituição de suas propriedades granulométricas originais (isentas de contaminação por finos oriundos da própria degradação da camada), permite uma vida útil ao sublastro e ao subleito, praticamente coincidente com a vida útil da própria via permanente projetada.
O que converge ainda com a ideia preconizada pela escola europeia para pavimentos rodoviários, de se fazer intervenções na superfície evitando-se uma possível remoção da base inservível (BALBO, 2007). Tal conceito pode ser observado no gráfico de perda de serventia de um pavimento ferroviário lastrado típico apresentado na figura 2.4, onde o lastro pétreo deve ter seus ciclos de manutenção garantidos através de socarias periódicas como forma de evitar seu enrijecimento, mantendo o sublastro e o subleito isentos de deformações permanentes prematuras, e consequentemente, de intervenções de maior porte que objetivem substituir as camadas de sublastro e subleito.
Figura 2.4 – Perda de serventia de um pavimento ferroviário lastrado típico (SELIG e WATERS, 1994).
não há ocorrência abundante de materiais granulares convencionais e se está expandindo a malha ferroviária atual.
No contexto do dimensionamento da via férrea, Heath et al. (1972) reportam
que a British Railways desenvolveu um procedimento para a determinação da espessura
das camadas de apoio do pavimento ferroviário, baseado em estudos de campo e em ensaios de laboratório. Foram realizados diversos ensaios triaxiais cíclicos (ou de carga repetida), sobre diversos solos variando a tensão desviadora, o que possibilitou concluir que existe um valor máximo de tensão a partir do qual a deformação permanente acumulada cresce rapidamente com o número de ciclos de carga, conforme mostrado na figura 2.5. Fortunato (2005) afirma que o critério de dimensionamento deve ser estabelecido de forma que a tensão aplicada sobre o subleito da ferrovia seja inferior a esta tensão limite suportada pelo solo que o compõe, e conhecendo-se a distribuição em profundidade destas duas grandezas é possível determinar a espessura de camadas intermediárias (reforço do subleito e sublastro).
Fortunato (2005) ainda ratifica Spada (2003) informando que na prática tem-se adotado que a tensão limite do subleito fica em torno de 50% da resistência ao cisalhamento do solo quando submetido a ensaios estáticos.
Além disso, a camada de sublastro projetada deve ter um comportamento mecânico no qual ela própria não sofra deformações permanentes representativas no contexto da vida útil do pavimento, e ainda apresente uma boa resiliência no que tange a sua contribuição para a vida de fadiga do pavimento.
Para garantir esta análise, são de fundamental importância os ensaios dinâmicos para caracterização do solo a ser utilizado para fins de pavimentação ferroviária, visto que métodos empíricos como o do CBR, por exemplo, não permitem tal análise.
Figura 2.5 – Ensaios triaxiais cíclicos sobre uma mesma amostra do subleito submetida a diferentes níveis de tensão desviadora (SELIG e WATERS, 1994).
Ainda da figura 2.5, pode-se observar dois comportamentos distintos para solos quanto à deformação permanente. Nas curvas com tensão desviadora de 42,5; 52,5; 55 e 65 kN/m² observa-se uma tendência de acomodamento das deformações permanentes após determinado número de ciclos de aplicação de carga, o que não acontece para as demais curvas, as quais indicam que o material apresentou deformação permanente excessiva (plastificação). Tal fenômeno de acomodamento é conhecido como shakedown e será apresentado ainda neste capítulo, sendo sua ocorrência
investigada para o solo estudado nessa pesquisa, conforme será apresentado no capítulo 5 deste trabalho.
Destaca-se ainda que a norma AREMA (2009) estabelece uma série de critérios limite para a via férrea, como: pressão máxima no contato dormente-lastro (pC=0,586MPa), deflexão máxima do trilho (T=640x10-2mm), tensão máxima de
tração no trilho (σT=175MPa), tensão máxima de compressão no topo do subleito (σSL
deve ser dimensionado de forma a atender tais critérios, sendo necessário para isso analisar o sistema multicamadas através de modelagem numérica computacional.
2.4. Conceituação, Formação e Ocorrência dos Solos Tropicais
Segundo o comitê de solos tropicais da ABMS (ISSMFE/ABMS, 1985):
“Solo tropical é aquele que apresenta peculiaridades de propriedades e de
comportamento, relativamente aos demais, em decorrência da atuação de processos
geológicos ou pedológicos típicos das regiões tropicais úmidas.”
No Brasil – país de clima tropical úmido – dispomos de solos finos de formação diferente das ocorrências verificadas em países de clima temperado. Tais solos ainda que bastante finos, são oriundos de processos pedogenéticos de saprólitos e enriquecidos com óxido de ferro e/ou alumínio hidratados. Estes solos são os latossolos, ou solos lateríticos (BALBO, 2007).
Balbo (2007) alerta para o fato de que tais solos, de natureza tropical, apesar de algumas vezes, não atenderem rigorosamente as especificações internacionais para utilização como camada de pavimento, especialmente em relação à curva granulométrica, com predominância de solos finos e alto índice de plasticidade, vêm sendo a várias décadas, empregado com sucesso em pavimentação no Brasil, independente dos valores de CBR. Este uso tem sido inclusive como sublastro de pavimentos ferroviários, conforme destacado por Stopatto (1987).
Segundo Guimarães (2009), provavelmente em função da natureza destes solos, restrita a ambientes, ou paleoambientes tropicais, em regiões ditas de “terceiro mundo” ou de países em desenvolvimento, eles tenham sido relativamente pouco estudados e, em alguns casos, até mesmo considerados como solos problemáticos, conforme tratado em Morin e Todor (1979).
A primeira conferência internacional de geomecânica dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos, realizada em Brasília em 1985 (Tropicals’85), deu uma valiosa
contribuição para ressaltar a importância das peculiaridades geotécnicas dos solos tropicais. No entanto, mesmo passados mais de 25 anos deste evento, ainda é freqüente encontrar profissionais e até mesmo pesquisadores formadores de opinião presos a conceitos superados tais como índice de CBR e limites de consistência como condicionantes para emprego de solos tropicais em pavimentos, principalmente os ligados à indústria ferroviária que pouco evoluiu no Brasil nas últimas décadas.
Atualmente, o DNIT adota a Norma DNIT-ES 098 (2007), onde prescreve a metodologia de execução da camada de base em pavimentos utilizando lateritas graúdas. A primeira versão desta especificação de serviço feita pelo antigo DNER (Departamento Nacional de Estradas de Rodagem) em 1979, foi elaborada a partir de dados constantes do Boletim Técnico 09 da ABPv (1976), intitulado “Uso da Laterita em Pavimentação”. Lamentavelmente, esta norma atualizada praticamente não incluiu alterações significativas com relação às características geotécnicas necessárias, tendo sido mantido ensaios tradicionais como CBR. As principais alterações se referiram ao manejo ambiental e critérios de aceitação e medição dos serviços executados (GUIMARÃES, 2009).
Na realidade, existem variadas designações para solos tropicais em trabalhos diversos, sem consenso quanto à terminologia a ser adotada. Há, porém, pelo menos dois pontos que precisam ser considerados:
Quando se trata de solos graúdos é usual o termo “laterita” e quando se trata de solo fino a designação é solo laterítico; e
Quanto às diferenças entre conceitos da Pedologia, Geologia e da Engenharia Geotécnica sobre as denominações e os critérios de classificação.
Neste trabalho se emprega o termo conforme designado em Nogami e Villibor (1980), que trata dos aspectos geotécnicos de tais materiais com fins de aplicação como camada de pavimentos.
a) Solo laterítico: é típico de áreas bem drenadas de regiões tropicais úmidas, são solos superficiais no horizonte pedogenético que apresentam uma série de propriedades que levam a classificá-lo como solos de comportamento laterítico, conforme a classificação MCT, proposta por Nogami e Villibor (1980). É de extremo interesse para pavimentação.
b) Solo saprolítico: é tipicamente de formação residual (fruto da decomposição “in situ” da rocha matter, mantendo ainda a estrutura desta).
Pedologicamente, os solos lateríticos têm recebido diferentes notações: oxisoils (Serviço de Conservação de Solos norte-americano), ferralsoils, plinthosoils (FAO-UNESCO), ferralitic soils (classificação francesa de Duchaufour), entre outras. Pode ou não ocorrer correspondência direta entre o que se entende por solo laterítico no sentido geotécnico e as designações pedológicas (SILVA, 2003).
Silva (2003) alerta para o fato de que o processo de formação dos solos tropicais influencia o seu comportamento mecânico. Santos (1998) destaca três fases no processo de formação destes solos:
a) Decomposição: É a fase inicial na formação de tais solos, que se caracteriza pela ruptura físico-química dos minerais primários e o consequente desprendimento dos elementos constituintes (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO,
K2O, Na2O, etc.) que aparecem em forma de íons simples.
b) Laterização: A segunda fase do processo é a lixiviação de bases e sílicas combinadas e a agregação de elementos externos de óxidos ou hidróxidos de ferro e/ou alumínio hidratados (Al2O3, Fe2O3e TiO2), que ocorre sob condições
favoráveis de drenagem.
Para Silva (2003), a resistência elevada verificada em alguns solos tropicais se dá em função do endurecimento proporcionado pela desidratação dos óxidos de ferro e alumínio, conferindo competência a estes solos para fins de pavimentação, com características mecânicas e hidráulicas satisfatórias.
Quanto à constituição mineralógica, os solos lateríticos apresentam em sua fração argila basicamente argilominerais do grupo das caulinitas (pouco plásticas) e de hidróxidos e óxidos hidratados de ferro e/ou alumínio, proporcionando certa estabilidade mesmo em presença d’água, devido a um recobrimento dos argilominerais pelos hidróxidos e óxidos hidratados. Isto minimiza a parcela de água adsorvida pelos agilominerais e proporciona um efeito de cimentação natural nas partículas sólidas do solo. Em suas frações de areia e silte, apresentam basicamente quartzo, agregações lateríticas concrecionadas e por vezes alguns poucos minerais pesados.
Bernucci (1995) estima que os solos lateríticos ocupam aproximadamente 8% da superfície dos continentes, e segundo Motta e Medina (2006), cerca de 70% do território nacional, com destaque para a região norte do Brasil (incluindo o oeste do Maranhão) onde os solos lateríticos apresentam algumas peculiaridades genéticas devido ao forte intemperismo proporcionado pelo clima equatorial associado ao intenso regime de chuvas (VERTAMATTI, 1988; AMARAL, 2004). A figura 2.6 mostra a ocorrência aproximada dos solos lateríticos em escala global, segundo Bernucci (1995).
Vale ressaltar que recobrindo as camadas de solos lateríticos, ou mesmo misturados a elas, pode-se observar a ocorrência de pedregulhos lateríticos, chamados de lateritas ou “canga” (quando aglomerados em matacões), que constituem massas consolidadas formando um horizonte concrecionário de mesma mineralogia dos solos lateríticos. As lateritas têm sido aproveitadas como material de pavimentação, em camadas compactadas de rodovias e ferrovias, misturadas ou não com outros materiais para estabilização, ou ainda mesmo como agregado em misturas asfálticas (SILVA, 2003).
duras, densas e, em geral, maciças. O diâmetro varia de 0,2 a 3,0 cm. A figura 2.7 mostra um exemplo de concreção laterítica pedregulhosa do oeste do Maranhão, coletada durante a pesquisa objeto desta dissertação.
No Brasil, o termo laterita refere-se, a rigor, aos pedregulhos lateríticos, sendo conhecidos na prática como piçarras ou cascalho (lateríticos), entre outros termos. Guimarães (2009) ressalta que tais materiais não devem ser confundidos com os solos finos lateríticos descritos por Nogami e Villibor (1995), também amplamente empregados no Brasil, mas que consideram solos naturais com granulometria inferior a 2mm, como por exemplo os solos arenosos finos lateríticos (SAFL), muito empregados no Brasil, principalmente em estradas vicinais e vias de baixo volume de tráfego.
Figura 2.6 – Ocorrências mundiais de solos lateríticos (BERNUCCI, 1995). A cor desses solos é geralmente vermelha, laranja, amarela e marrom, ou ainda misturas dessas cores, devido à presença dos hidróxidos e óxidos hidratados de ferro, responsáveis pela tonalidade vermelha, e de alumínio pela amarela.
avermelhada) e a outra se destaca por coloração mais amarelada típica de enriquecimento por alumínio.
Figura 2.7 – Exemplo de concreção laterítica pedregulhosa do oeste do Maranhão (foto do autor).
Figura 2.8 – Exemplos de solos finos lateríticos do oeste do Maranhão moldados em corpos de prova mini-MCV (foto do autor).
2.5. Caracterização Genética dos Solos Tropicais Amazônicos
A formação dos solos tropicais na Amazônia (que engloba basicamente todo o norte do Brasil, mais o norte do estado do Mato Grosso e o oeste do Maranhão), apresenta algumas peculiaridades genéticas que a distingue das demais ocorrências deste tipo de solo.
importância de aprofundamento dos estudos, tendo em vista o grande potencial de aplicação econômica do material.
Outro estudo conduzido por Vertamatti (1988) investiga mais profundamente as propriedades geotécnicas dos solos amazônicos, destacando a diferenciação destes solos em detrimento de outras ocorrências em território nacional e enfocando a necessidade de buscar melhor entendimento das características geotécnicas dos solos desta região. Após tais estudos Vertamatti (1988) sugeriu um ábaco modificado para classificação MCT, que ele denominou de MCT-M, conforme será detalhado mais adiante, e que se propõe a ser mais abrangente que o ábaco original visando o universo de solos tropicais.
Vertamatti (1988) cita o trabalho desenvolvido no início do século XX na construção de ferrovias na região amazônica como a Estrada de Ferro de Bragança (EFB), a Estrada de Ferro do Tocantins (EFT) e a Estrada de Ferro Madeira-Mamoré (EFMM), destacando o fato de que tais projetos utilizaram solos aluviais e residuais nos aterros, mas nada se registrou sobre problemas geotécnicos decorrentes da construção de tais empreendimentos, não se podendo afirmar se em tais projetos foram empregados solos lateríticos para a construção das respectivas vias férreas.
Destaca-se ainda que por volta de 1950, a Estrada de Ferro Serra do Navio-Porto de Santana no Amapá de propriedade da mineradora Icomi, teve seu lastro construído com a utilização de concreções lateríticas lavadas, porém sem maiores estudos visando tal aplicação (VERTAMATTI, 1988).
O professor Jacques de Medina, da COPPE/UFRJ, em 1961, após ter vivenciado uma experiência com a construção das rodovias BR-22 no Pará e BR-21 no Maranhão, já alertava para a necessidade de maior alocação de recursos para se obter o domínio brasileiro sobre o tema, relatando inclusive sugestões de revisão nas normas vigentes e casos similares na BR-316 no Pará (MEDINA, 1961).
Guimarães (2009) destaca que os “lateritos” amazônicos, são materiais ricos em Fe e Al e pobres em Si, K e Mg se comparados à sua rocha matter, tendo uma
óxidos e hidróxidos de Alumínio (gibbsita), óxidos e hidróxidos de Titânio (anatásio), óxidos e hidróxidos de Manganês (litiofirita e todorokita) e argilominerais.
As chamadas lateritas para pavimentação, denominadas na região amazônica de “piçarras”, constituem o horizonte concrecionário das lateritas imaturas. Daí a importância do conhecimento de seu perfil de ocorrência. Por outro lado, as lateritas maturas estão associadas a depósitos minerais de elevado valor econômico (principalmente de bauxitas lateríticas), fato que explica os extensos estudos realizados sobre estas ocorrências (GUIMARÃES, 2009).
A figura 2.9, representa o perfil típico de lateritas imaturas autóctones da Amazônia, onde se observam três horizontes característicos: horizonte ferruginoso (petroplintito), horizonte argiloso e horizonte pálido ou transicional. Segundo Costa (1991):
a) Horizonte Ferruginoso (petroplintito): Ocorrendo na parte superior do perfil e exibindo pelo menos uma das seguintes características: i) Nódulos, concreções, esferólitos e fragmentos compostos de óxi-hidróxidos de ferro em matriz argilosa e terrosa; ii) Uma crosta composta pelos elementos acima, cimentados por filmes microcristalinos ou por cimento microcristalino gibsito-caulinítico; iii) Uma crosta formada de óxi-hidróxidos de ferro entrelaçando porções argilosas amareladas; e iv) A cor predominante do horizonte ferruginoso é a marrom-avermelhada, onde a matriz/cimento, se presente, é branca-amarelada ou cinza.
Nódulos, concreções, esferólitos e plasmas são as estruturas dominantes, seguidas por colunas, canais em forma de raízes e vermes, entre outras, e aquelas resultantes de lixiviação, como as cavernosas, esponjosas e porosas (GUIMARÃES, 2009).
b) Horizonte Argiloso: Ocorre imediatamente abaixo do ferruginoso, em contato quase abrupto. É composto principalmente de argilominerais, apresentando as seguintes feições, estritamente relacionadas com a natureza da rocha matter: i) Zona mosqueada/amarelada (plintito) que constitui a feição mais
