MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
LUANA BERNARDETE DARIVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE UM SUBLEITO DE PAVIMENTO DE VIA FÉRREA DO TIPO HEAVY
HAUL
Rio de Janeiro
2016
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
LUANA BERNARDETE DARIVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE UM SUBLEITO DE PAVIMENTO DE VIA FÉRREA DO TIPO HEAVY
HAUL
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
Orientador: Profa. Maria Esther Soares Marques - D.Sc.
Co-orientador: Prof. Álvaro Vieira - M.Sc.
Rio de Janeiro 2016
c2016
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22.290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es).
625.1 Dariva, Luana Bernardete
D218a Avaliação das Propriedades Físicas e Mecânicas de um Subleito de Pavimento de Via Férrea do Tipo Heavy Haul / Luana Bernardete Dariva; orientada por Maria Esther Soares Marques e Álvaro Vieira – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2016.
246p.: il.
Dissertação (Mestrado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2016.
1. Curso de Engenharia de Transportes – teses e dissertações. 2. Pavimentação. 3. Ferrovias. 4.
Solo. I. Marques, Maria Esther Soares. II. Vieira, Álvaro. III. Instituto Militar de Engenharia.
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
LUANA BERNARDETE DARIVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE UM SUBLEITO DE PAVIMENTO DE VIA FÉRREA DO TIPO HEAVY
HAUL
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
Orientador: Profa. Maria Esther Soares Marques - D.Sc.
Co-orientador: Prof. Álvaro Vieira - M.Sc.
Aprovada em 19 de fevereiro de 2016 pela seguinte Banca Examinadora:
Profª. Maria Esther Soares Marques - D.Sc. do IME - Presidente
Prof. Álvaro Vieira - M.Sc. do IME
Maj. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães - D.Sc. do IME
Prof. Márcio Marangon - D.Sc. da UFJF
Rio de Janeiro 2016
Dedico este trabalho as estrelas da minha vida, Brunislava Niedziulka Deprá e Tereza Munarini Dariva. O meu amor eterno!
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Alberto e Clarice, pelo exemplo de vida, dedicação e incentivo.
Aos meus irmãos Elizeu e Elias, e às minhas irmãs Sabrina e Maria Tereza que tornam a minha experiência de vida muito mais prazerosa e aventureira, e que me presentearam com os seres mais amáveis do mundo, meus pequenos sobrinhos: Helena, Heitor e Sofia.
Ao meu amado Samuel Oliveira pela dedicação, pelo incentivo nos melhores e piores momentos de minha vida, e por ser meu ponto de equilíbrio.
Aos meus amados tios e primos, por toda a torcida, apoio incondicional, alegrias e carinho dedicado.
À professora Esther por seus ensinamentos, dedicação à engenharia e aos seus alunos.
Ao professor Álvaro por seus ensinamentos, por toda sua dedicação e amparo.
Ao professor Guimarães por seus ensinamentos e contribuições para o aperfeiçoamento deste estudo.
Aos professores Silveira Lopes, Lopes, Moniz de Aragão, Ana Maria, Amorim, Diogo, Vânia, Marcelo Reis e Vasconcellos que somaram sabedoria a esta jornada.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa de estudo concedida.
À MRS Logística S.A. pelo apoio a este estudo, pelos materiais e informações concedidos, e aos engenheiros geotécnicos da MUNIZ & SPADA, que sempre estiveram dispostos a ajudar.
À querida amiga “MONTEIRO”, por embarcar neste projeto comigo, e por sua disponibilidade e “força” nos MCTs.
Aos meus amigos-irmãos Freddy e Cap. Iran por todo o apoio, amizade, carinho e ombro amigo.
Às minhas amigas-irmãs Rossana, Priscila, Bárbara Esteves, Denny, Gabriela, Tamíris, Rita, Érica, Therezinha, Virlene, Tairine, Daniela, Karizy, Camila e Daniele pelos bons momentos vividos, pelas noites em claro, pelo ombro amigo e pelo abraço aconchegante fundamental para acalmar a alma.
Aos Sgts Melo, Dias e Gonçalves pelo apoio, amizade e incentivo nas funções laboratoriais. À equipe técnica do 2° BFv/EB comandada pelo Sgt. Vinicius, valeu!
E, sobretudo, à Deus...e as inúmeras intercessões feitas por Nossa Senhora de Aparecida!
“O solo é o mais antigo, mais usado, mais complexo, e mais desconhecido dos materiais de construção”.
PROF. WLASTERMILER DE SENÇO
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ... 9
LISTA DE TABELAS ... 12
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... 14
LISTA DE SIGLAS ... 15
1 INTRODUÇÃO ... 18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 23
2.1 Pavimento Ferroviário... 23
2.2 Gestão de Projetos de Pavimentos Ferroviários ... 28
2.3 Solos Tropicais - Formação e Uso em Projetos de Pavimentação ... 31
2.3.1 Classificação Pedológica dos Solos ... 33
2.3.2 Sistema de Classificação MCT para Solos Tropicais... 39
2.4 Comportamento Resiliente de Solos ... 42
2.4.1 Fatores que Influenciam o Comportamento Resiliente Dos Solos... 44
2.4.2 Determinação do Módulo de Resiliência ... 47
2.4.3 Comportamento Resiliente de Solos Tropicais ... 49
2.5 Deformação Permanente dos Solos... 53
2.6 Considerações Finais... 56
3 MATERIAIS E MÉTODOS... 59
3.1 A Região em Estudo... 59
3.2 Clima ... 64
3.3 Vegetação ... 68
3.4 Caracterização Pedológica das Macrorregiões em Estudo... 70
3.5 Descrição dos Ensaios Realizados ... 74
3.5.1 Módulo de Resiliência... 77
3.5.2 Método de Classificação de Solos Tropicais... 82
3.5.3 Deformação Permanente ... 83
3.6 Considerações Finais... 85
4 ANÁLISES DOS PARÂMETROS FÍSICOS E MECÂNICOS... 89
4.1 Caracterização Geotécnica Tradicional... 89
4.2 Classificação de Solos Tropicais - Metodologia Mct... 93
4.3 Teor de Umidade In Situ X Teor de Umidade Ótimo ... 97
4.4 Módulo Resiliente dos Solos Estudados ... 99
4.5 Deformação Permanente ... 108
4.6 Considerações Finais... 115
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE PESQUISAS FUTURAS ... 119
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 123
7 ANEXOS ... 130
7.1 Anexo 1 - Poços de Inspeção dos Solos Estudados ... 131
7.2 Anexo 2 - Caracterização Geotécnica Convencional ... 153
7.3 Anexo 3 - Curvas de Compactação: Proctor Normal ... 219
7.4 Anexo 4 - Metodologia MCT... 241
7.5 Anexo 5 - Módulo de Resiliência... 242
7.6 Anexo 6 - Deformação Permanente ... 246
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 O pavimento ferroviário (BRINA, 1982)... 24 FIG. 2.2 Sistema de multicamadas constituintes dos pavimentos (a) rodoviário/aeroportuário e (b) ferroviário. Adaptado de SPADA (2003). ... 26 FIG. 2.3 Ordem de grandeza das tensões médias em cada camada do pavimento ferroviário, para trens de passageiro (Adaptado de KLINCEVICIUS, 2011)... 27 FIG. 2.4 Principais ocorrências de solos lateríticos no território brasileiro (VILLIBOR et al., 2009)... 33 FIG. 2.5 Mapa das principais ocorrências dos solos brasileiros (IBGE, 2007)... 36 FIG. 2.6 Gráfico de classificação MCT (VILLIBOR e NOGAMI, 2009). ... 40 FIG. 2.7 Resposta típica do corpo de prova em um ensaio triaxial de carregamento repetido (MALYSZ, 2009)... 43 FIG. 2.8 Esquema do primeiro equipamento de ensaios triaxiais de carga repetida de COPPE/UFRJ de 1977 (MEDINA e MOTTA, 2015)... 48 FIG. 2.9 Primeiros modelos de comportamento tensão-deformação de solos em ensaios triaxiais de carga repetidas (MEDINA e MOTTA, 2015). ... 52 FIG. 3.1 Malha férrea sob concessão da MRS Logística S.A. (MRS, 2015; ANTT, 2014) 60 FIG. 3.2 Pontos de coletas das amostras indeformadas na via férrea... 61 FIG. 3.3 Macrorregiões de planejamento dos Estados de Minas Gerais (a) e do Rio de Janeiro (b) (IGA, 2015; CULTURA RJ, 2015)... 63 FIG. 3.4 Distribuições das precipitações totais anuais para os Estados de Minas Gerais (a) e do Rio de Janeiro (b) (SEA, 1980; INEA, 2014) ... 66 FIG. 3.5 Distribuições das temperaturas médias anuais para os Estados de Minas Gerais (a) e do Rio de Janeiro (b) (SEA, 1980; ARAÚJO, 2010) ... 67 FIG. 3.6 Vegetação remanescente nos Estados de Minas Gerais (a) e do Rio de Janeiro (b) (CEMIG, 2012; INPE, 2008). ... 69 FIG. 3.7 Principais ocorrências das classes pedológicas Argissolos (a), Cambissolos (b) e Latossolos (c) no Brasil (IBGE, 2007)... 71 FIG. 3.8 Gráfico quantitativo dos solos deste estudo conforme classe pedológica, nomenclatura SiBCS. ... 73
FIG. 3.9 Croqui para extração dos blocos indeformados do subleito e para retirada de amostras de lastro sob o dormente, vista superior (a) e vista lateral (b) (Adaptado MUNIZ & SPADA, 2014). ... 75 FIG. 3.10 Equipamento triaxial de carga repetida do Laboratório de Solos do IME. ... 77 FIG. 3.11 Bloco indeformado envolvido em plástico filme e armazenado na caixa de isopor (a), aspecto do bloco indeformado (b) e início da divisão do bloco (c) e (d), resultado da divisão do bloco indeformado (e), início da finalização do corpo de prova no torno (f) e (g), corpo de prova finalizado no torno (h), aspecto final do corpo de prova indeformado (i)... 80 FIG. 3.12 Aspectos dos solos selecionados para o ensaio de deformação permanente. (a) Amostra 566+675, (b) amostra 507+109, (c) amostra 158+800, (d) amostra 114+420 e (e) amostra 91+754... 84 FIG. 3.13 Corpos de prova compactados para o ensaio de deformação permanente em (a) 566+675, (b) 507+109, (c) 158+800, (d) 114+420 e (e) 91+754... 85 FIG. 4.1 Frações granulométricas das amostras de solos pesquisadas neste estudo. ... 90 FIG. 4.2 Gráfico de classificações obtidas pela metodologia MCT para solos tropicais. .... 95 FIG. 4.3 Gráfico da distribuição quantitativa da classificação MCT para solos tropicais. .. 95 FIG. 4.4 Gráfico de comparação do teor de umidade de compactação do Proctor normal, wot(%) e o teor de umidade in situ do solo de subleito, wn(%). ... 98 FIG. 4.5 Gráfico das envoltórias de Módulo de Resiliência (MR) em função da tensão desvio (σd), para as amostras do Região Metropolitana e Centro Sul Fluminense.
... 101 FIG. 4.6 Gráfico das envoltórias de Módulo de Resiliência (MR) em função da tensão desvio (σd), para as amostras do Médio Paraíba. ... 102 FIG. 4.7 Gráfico das envoltórias de Módulo de Resiliência (MR) em função da tensão desvio (σd), para as amostras do Sul de Minas... 102 FIG. 4.8 Gráfico das envoltórias de Módulo de Resiliência (MR) em função da tensão desvio (σd), para as amostras do Campo das Vertentes e Zona Metalúrgica. ... 103 FIG. 4.9 Gráficos 3D do modelo de comportamento composto para as amostras 49+100 (a) e 114+420 (b). ... 105 FIG. 4.10 Gráficos 3D do modelo de comportamento composto para as amostras 158+800 (a) e 566+675 (b)... 105 FIG. 4.11 Deformação permanente total das amostras estudadas. ... 110
FIG. 4.12 Deformação permanente total das amostras estudadas, exceto 114+420... 110 FIG. 4.13 Deformação total da amostra 114+420. ... 111 FIG. 4.14 Corpo de prova da amostra 114+420 antes do ensaio de deformação permanente (a) e após o ensaio de deformação permanente (b). ... 112 FIG. 4.15 Deformação total da amostra 566+675. ... 113 FIG. 4.16 Deformação total da amostra 566+675 e deformação parcial da amostra 507+109 até os 1.000 ciclos de aplicação de carga. ... 113
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1 Peculiaridades da constituição mineral dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos
(Adaptado de VIANA, 2007). ... 32
TAB. 2.2 Correspondência do sistema de classificação tradicional proposto por Salomão e Antunes (1998) com a Classificação da EMBRAPA (1999) - Adaptado de MARANGON (2004)... 35
TAB. 2.3 Algumas caracaterísticas das classes de solos com horizonte diagnóstico B latossólico (OLIVEIRA et al., 1992 apud MARANGON, 2004). ... 37
TAB. 2.4 Algumas classes de solos com horizonte diagnóstico B textural (OLIVEIRA et al., 1992 apud MARANGON, 2004). ... 38
TAB. 2.5 Peculiaridades dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos com base nos principais ensaios de classificação geotécnicos tradicionais . Adaptado de VIANA (2007). 41 TAB. 2.6 Níveis de tensões aplicados na fase de condicionamento. ... 49
TAB. 2.7 Pares de tensões utilizados nos ensaios triaxiais de carga repetida na norma DNIT ME134/2010 (Adaptado MEDINA e MOTTA, 2015)... 49
TAB. 2.8 Peculiaridades de solos tropicais quanto às propriedades resilientes. Adaptado de NOGAMI e VILLIBOR (1995). ... 50
TAB. 2.9 Fatores intervenientes na deformação permanente (Adaptado de GUIMARÃES, 2009)... 55
TAB. 3.1 Índice de umidade dos solos (Im) e suas classificações climáticas (Adaptado de INEA, 2014). ... 65
TAB. 3.2 Principais ocorrências das classes pedológicas nas macrorregiões em estudo. ... 73
TAB. 3.3 Programação de ensaios para esta pesquisa. ... 76
TAB. 3.4 Relação de corpos de prova e ciclo de condicionamento aplicado. ... 82
TAB. 4.1 Parâmetros geotécnicos e classificação dos solos estudados. ... 90
TAB. 4.2 Resultados obtidos nos ensaios de CBR, expansão, classificação USCS e HRB e principais ocorrências de classes pedológicas para os solos em estudo... 92
TAB. 4.3 Parâmetros e classes obtidos pela metodologia MCT de classificação de solos tropicais. ... 94
TAB. 4.4 Correspondência das classes pedológicas e a classificação MCT para os solos estudados ... 96
TAB. 4.5 Teores de umidade, δmax e classificações MCT e geotécnicas para as amostras de solo estudadas... 98 TAB. 4.6 Valores dos parâmetros para os modelos potenciais σd, σ3 e composto, com os respectivos valores de R² para corpo de prova indeformado e compactado. ... 101 TAB. 4.7 Quadro resumo das classificações e parâmetros obtidos para os solos em estudo, organizado com base no resultado de módulo resiliente obtido no modelo de comportamento composto. ... 107 TAB. 4.8 Parâmetros do modelo de comportamento resiliente composto que definiram as amostras para o ensaio de deformação permanente. ... 108 TAB. 4.9 Condições de contorno para o ensaio de deformação permanente... 114
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
Def - déficit anual de água EP - evapotranspiração anual exc - excedente anual de água Im - Índice de Umidade
Ki - Relação molecular entre sílica e alumínio MR - módulo resiliente
R² - coeficiente de correlação N - número de aplicação da carga
SÍMBOLOS
σd - tensão desvio σ3 - tensão confinante σh - tensão horizontal σv - tensão vertical
εr - deformação específica resiliente axial ou específica εp - deformação permanente
δmax - massa específica aparente seca máxima ρ0 - pressão atmosférica
ψ1, ψ2, ψ3, ψ4 - parâmetros de regressão estatística da deformação permanente
∆hr - parcela elástica do deslocamento vertical
∆hp - parcela plástica do deslocamento vertical wot - teor de umidade ótimo
wn - teor de umidade natural ou in situ
LISTA DE SIGLAS
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials
ALL América Latina Logística
ANTF Associação Nacional dos Transportadores Ferroviários ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres
CBR California Bearing Ratio
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagens
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
EFC Estrada de Ferro Carajás
EFVM Estrada de Ferro Vitória a Minas
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária FMECA Failure Mode, Effects and Criticality Analysis
HRB Highway Research Board
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LVDT Linear Variable Differential Transformer MCT Metodologia, Compactação, Tropical
MRS MRS Logística S.A.
RCM Reliability Centered Maintenance RFFSA Rede Ferroviária Federal S.A.
SiBCS Sistema Brasileiro de Classificação de Solos SUCS Sistema Unificado de Classificação de Solos T.M.I Thornthwaite Moisture Index
RESUMO
Este estudo avalia o comportamento mecânico e as propriedades físicas do subleito de alguns segmentos de via férrea do tipo heavy haul em operação, que atravessa os estados do Rio de Janeiro e de Minas Gerais, e tem como fundamento o tripé de conhecimentos provenientes da Pedologia x Metodologia MCT x Mecânica dos Pavimentos. Foram coletadas 21 amostras indeformadas dos solos que compõem o subleito desta via, distribuídas ao longo de seus 800 km de extensão, para analisar as condições de suporte da plataforma ferroviária em seu atual estado. Para o estudo e caracterização destes solos utilizados como subleito de pavimento ferroviário, foram identificadas as principais ocorrências das classes pedológicas, as características segundo o sistema de classificação MCT dos solos tropicais e o comportamento resiliente com o uso de corpos de prova indeformados. De caráter secundário, foi avaliada a condição de equilíbrio de umidade deste subleito com base no teor de umidade in situ x o teor de umidade ótimo, mas sem verificar o efeito da sazonalidade, visto que a coleta das amostras ocorreu em um único período do ano. Foram selecionadas 5 amostras para a realização do ensaio de deformação permanente com base nos parâmetros obtidos no modelo de comportamento resiliente composto para avaliar o comportamento mecânico frente à deformação permanente, e por fim foi discutida a aplicabilidade das classificações HRB e USCS utilizadas na concepção deste pavimento. Os resultados obtidos indicaram um número significativo de solos que não apresentam características técnicas quanto ao comportamento mecânico para o uso como material de pavimentação e, no entanto, constituem o subleito desta via. A base desta pesquisa mostrou-se satisfatória e conveniente para a avaliação da qualidade destes materiais.
ABSTRACT
This study evaluates the mechanical behavior and physical properties of the subgrade of a heavy haul railroad, which is in operation and runs through the states of Rio de Janeiro and Minas Gerais. The study considered the relationships between Pedology x Methodology MCT x Resilience Module. 21 undisturbed soil samples were collected from the subgrade, along its 800 km long to evaluate the bearing resistence of the subgrade in their present state. For the study and characterization of the soils of the subgrade, the main occurrences were identified from soil classes, the characteristics according to the classification system MCT of tropical soils and resilient behavior using undisturbed specimen. Additionally, the moisture equilibrium condition of the subgrade was evaluated based on the moisture content in situ x the optimum moisture content, but without checking the effect of seasonality, since the samples were collected in a single period of the year. Also, permanent deformation tests were carried out on 5 samples based on the parameters obtained from the resilient behavior model compound to evaluate the mechanical behavior across the permanent deformation, and finally it was discussed the applicability of HRB and USCS classifications used in the design of the pavement. From the results it seems that a significant number of materials are not adequate as subgrade material in this rail, although others were adequate. From the studies carried out on these materials it was possible to evaluate the quality of these materials.
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de transportes são indispensáveis para o crescimento e desenvolvimento econômico e social de um país. A necessidade de transportar mais e em menos tempo exige que estes sejam eficientes e seguros, para assegurar tais condições deve-se dar especial atenção para a infraestrutura. Entre os meios de transporte, o ferroviário destaca-se por sua natureza de transportar carga pesada de maneira eficiente e segura. No entanto, com o aumento das cargas aplicadas, do volume de tráfego e do acréscimo nas velocidades praticadas tornou-se necessário o desenvolvimento de novas metodologias de dimensionamento do pavimento ferroviário e a análise de novos materiais.
No Brasil (ANTF, 2014), o sistema ferroviário possui no total 29.978 km de extensão de malha concedida, dos quais se tem 27.782 km em operação. Desde a concessão, em 1996, o setor apresentou um crescimento de movimentação de carga correspondente a 83,2%, discriminando entre os setores, o crescimento em carga geral foi de 44,1% e 96,1% em transporte de minério de ferro e carvão mineral. Entre 2011 e 2014, o setor registrou o crescimento de 5,9% em movimentação de carga, ou seja, as concessionárias ferroviárias buscam transportar mais volume de carga em menos tempo, justificando os investimentos em melhoria da operação e da via férrea, principalmente nas operadoras que transportam minério de ferro, visando aumento de capacidade (RIBEIRO, 2012).
No sistema ferroviário brasileiro tem-se 8 concessionárias atuando em 11 malhas concedidas, destas, as quatro principais ferrovias do tipo heavy haul, considerando o parâmetro da carga por eixo superior a 25 toneladas e demanda transportada de mais de 20 milhões de toneladas brutas anuais, são: a Estrada de Ferro Vitória a Minas (EFVM), a Estrada de Ferro Carajás (EFC), a MRS Logística e o Corredor de Soja de Mato Grosso do Sul a Santos da ALL. Para atender a demanda de mercado as concessionárias ferroviárias MRS e VALE (EFVM e EFC) vêm realizando grandes investimentos em operação e infraestrutura e juntas somam 82% da demanda transportada evidenciando a elevada exigência de qualidade do material rodante e da infraestrutura dessas ferrovias (RIBEIRO, 2012; ANTF, 2014; MEDINA e MOTTA, 2015).
Nesta visão, a implantação de projetos ferroviários com sucesso é essencial para promover o alto desempenho operacional e assegurar a obtenção e manutenção de vantagens
competitivas e duradouras, impulsionando as empresas a usar metodologias de gestão de projetos que respeitam a carga por eixo e a operação existentes, sendo estas informações mandatórias para o projeto geométrico, ou seja, para qualquer alteração operacional deve-se reavaliar a geometria do projeto assegurando que a tensão admissível seja mantida em nível aceitável na camada de subleito, bem como nas demais camadas do pavimento ferroviário (MUNIZ DA SILVA, 2002; SPADA, 2003; RIBEIRO, 2012).
No meio acadêmico há diversos estudos que avaliam a influência do trilho e das camadas do lastro e sublastro na deformação permanente do pavimento ferroviário e, poucos estudos que investigam a camada de subleito e sua contribuição para esta perda de operacionalidade.
No meio técnico ferroviário houve intenso desenvolvimento da tecnologia do material rodante e poucas iniciativas para melhorar o modelo de dimensionamento do pavimento, diferentemente do que ocorre no meio técnico rodoviário (SPADA, 2003; FORTUNATO, 2005).
Sabe-se que o pavimento é um sistema de camadas compactadas constituído por materiais resistentes a deformações e assentado sobre o terreno natural de rigidez mais baixa, que imprime ao conjunto a suscetibilidade à deformação permanente. Esta condição é influenciada pela variação do teor de umidade do subleito e da constituição mineralógica do solo, pois a infraestrutura ferroviária é formada basicamente pela terraplenagem, denominada de plataforma, responsável pelo suporte da estrutura da via, recebendo através do lastro e/ou sublastro as tensões devidas ao tráfego e das demais instalações necessárias à operação ferroviária. Completam este sistema as obras de drenagem superficiais e profunda, as obras de arte correntes e especiais e os cortes em taludes e aterros (BRINA, 1979; STOPATTO, 1987;
MUNIZ DA SILVA, 2002).
A natureza dos solos está relacionada aos processos de intemperismo que modificaram a rocha mãe e a presença ou não dos minerais originais, e para o entendimento da natureza destes solos utiliza-se a pedologia. O estado de tensões está relacionado ao histórico de carregamentos a que este solo foi submetido, somado as cargas dinâmicas oriundas da passagem do tráfego de veículos (MUNIZ DA SILVA, 2002; MEDRADO, 2009).
A degradação da via férrea pode ser analisada através da natureza elástica dos materiais que constituem as camadas do pavimento ferroviário, que quando sob ação de uma carga, sofrem uma deflexão que retorna a zero tão logo a carga seja removida. Esse fenômeno gerado pela passagem do tráfego atinge todos os elementos constituintes da via, desde a plataforma até os trilhos, ocasionando assim um processo de fadiga e deformação
elastoplástica da estrutura de forma contínua e cumulativa. Para solos, esta ação de carregamento cíclico gera também deformações plásticas e pode gerar a ocorrência do shakedown (definido como o acomodamento das deformações) ou levar o material a ruptura (HAY, 1982, GUIMARÃES, 2009; RIBEIRO, 2012; MEDINA e MOTTA, 2015).
No pavimento ferroviário quando o lastro está corretamente dimensionado o subleito torna-se o componente de maior influência sobre a deformabilidade da via, contribuindo substancialmente para a deflexão elástica do trilho sob o carregamento dinâmico imposto pelo tráfego. Assim, a resiliência do subleito influencia a velocidade de deterioração dos componentes da superestrutura, sendo a principal fonte de deformação permanente da via (MUNIZ DA SILVA, 2002).
HAY (1982) ressaltou que não importa a carga por eixo ou como ela será distribuída pela superestrutura, pois o suporte dos carregamentos será realizado pela infraestrutura, sendo assim a plataforma ferroviária deve ser resistente e ter capacidade de suporte e estabilidade frente à repetição de carregamentos. Para que estas condições sejam asseguradas, a plataforma deve estar livre de falhas de fundação, depressões e pontos de baixa resistência no seu interior.
Com o advento da Mecânica dos Pavimentos, para o dimensionamento de pavimentos, passou-se a analisar o comportamento dos materiais constituintes do pavimento com base em carregamentos dinâmicos e não mais tratando em função de carregamentos estáticos. Para a determinação da capacidade de suporte da plataforma ferroviária, os solos passaram a ser tratados como materiais que apresentam comportamento elastoplástico como mencionado anteriormente, e não mais apenas elástico conforme metodologia difundida no meio técnico ferroviário. Nesta concepção, surge o conceito de módulo de resiliência.
O módulo de resiliência é definido como a razão entre a tensão desvio aplicada e a deformação axial específica produzido por esta ação (MEDINA e MOTTA, 2015), conceitos já utilizados em engenharia rodoviária e que aos poucos estão sendo transmitidos para a engenharia ferroviária, como implemento tecnológico para dimensionamento da via férrea.
SPADA (2003) salientou que o módulo de resiliência da via férrea deve permitir o movimento elástico das camadas constituintes, sem impor uma rigidez excessiva ao sistema e nem permitir deformações plásticas que comprometam a segurança na operacionalidade da via.
Com o aumento da solicitação do pavimento ferroviário, para não comprometer a infraestrutura existente, faz-se necessário o reforço destas vias e uma criteriosa investigação
das condições de seu subleito, a fim de minimizar os custos oriundos da manutenção e torná- la segura para os cenários futuros de operação.
Com base no que foi exposto anteriormente, a manutenção e a reabilitação de vias férreas existentes é uma medida vital para o escoamento da produção industrial e de commodities agrícolas do Brasil. A introdução dos conceitos da Mecânica dos Pavimentos se mostra satisfatória para minimizar os custos envolvidos na prática de manutenção, pois viabiliza o uso de materiais ditos “impróprios” pelo método tradicional de dimensionamento baseado em experiências estrangeiras e adaptado para o Brasil. Deste modo, faz-se necessário conhecer as características dos solos constituintes dos subleitos, investigar como seus parâmetros são afetados pelas alterações climatológicas e entender como eles influenciam a degradação da via. Por fim, esta pesquisa se propõe a contribuir para o desenvolvimento da Mecânica dos Pavimentos ferroviário no Brasil, em especial para a investigação dos parâmetros dos solos de subleito de vias existentes e em operação.
O objetivo principal deste trabalho é analisar as propriedades físicas e mecânicas do subleito de um pavimento de via férrea do tipo heavy haul, que atravessa os estados de Minas Gerais (MG) e Rio de Janeiro (RJ), em operação sob a responsabilidade da concessionária ferroviária MRS Logística S.A. (MRS).
Esta pesquisa está fundamentada no tripé de conhecimentos provenientes da Pedologia x Classificação MCT x Módulo de Resiliência, para permitir a análise dos parâmetros de classificação e comportamento, contribuindo para o entendimento do comportamento dos solos tropicais lateríticos e não lateríticos.
Para que o objetivo principal fosse alcançado, foi necessário:
• Discutir as classificações geotécnicas obtidas nos sistemas HRB, USCS e MCT relacionando com o uso destes solos como material de pavimentação para a camada de subleito;
• Verificar a correspondência das classes pedológicas com a classificação MCT;
• Avaliar o comportamento mecânico através do Módulo de Resiliência, utilizando corpos de prova indeformados para preservar a estrutura dos solos deste subleito;
• Analisar a influência do teor de umidade no comportamento mecânico destes solos;
• Verificar a correspondência das classes pedológicas com o comportamento resiliente destes solos.
Foi elaborada uma revisão da literatura, apresentada no capítulo 2, sobre os assuntos abordados neste trabalho, que abrange os seguintes temas: o pavimento ferroviário, a gestão
de pavimentos ferroviários no Brasil, solos tropicais sua formação e uso em projetos de pavimentação abordando as peculiaridades dos solos lateríticos e não lateríticos (saprolíticos), a determinação dos parâmetros mecânicos de solos incluindo os ensaios triaxiais de cargas repetidas e os fatores que influenciam no comportamento mecânico.
No capítulo 3 é descrita a via férrea em estudo e a região em que está implantada, abrangendo os seguintes aspectos: descrição da malha férrea, enfatizando seu importante papel para economia brasileira, contextualização da área de abrangência da malha férrea, caracterização do clima e da vegetação dos dois estados atravessados pela via férrea, definição das classes pedológicas de ocorrência nas macrorregiões em estudo. Neste capítulo são descritos os procedimentos adotados para a realização dos ensaios no Laboratório de Solos do Instituto Militar de Engenharia.
No capítulo 4 são apresentados e analisados os resultados obtidos nos ensaios de caracterização geotécnica tradicional, na classificação pela metodologia MCT e nos ensaios triaxiais de cargas repetidas para determinação do módulo de resiliência e deformação permanente, analisa-se a influência do teor de umidade in situ versus o teor de umidade ótimo no comportamento mecânico dos solos em estudo. Neste capítulo são realizadas as análises propostas nos objetivos específicos.
Finalmente no capítulo 5, são apresentadas as conclusões desta pesquisa e ressaltada a importância da análise mecanística para solos tropicais para projetos de pavimentos ferroviários, juntamente com as sugestões para trabalhos futuros.
Como anexos, apresentam-se as planilhas de tratamento dos dados dos ensaios em um CD-ROM que acompanha este estudo, que contém as pastas ANEXO 2, 3, 4, 5 e 6 correspondentes as folhas dos ensaios de caracterização geotécnica convencional, as curvas de compactação, as planilhas da metodologia MCT, as planilhas de regressão do módulo de resiliência e de deformação permanente, respectivamente. Acompanham este trabalho impresso, os ANEXOS 1, 2, 3 e 5 que contém as fichas dos poços de inspeção, os gráficos da caracterização geotécnica convencional, as curvas de compactação e os gráficos do modelo de comportamento resiliente composto dos solos estudados, respectivamente.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O pavimento ferroviário é um sistema de multicamadas constituído por diferentes materiais, que respondem em conjunto as solicitações de carregamento impostas pelo tráfego, com a finalidade de proteger o subleito de níveis elevados de tensões. A resistência a ruptura e a capacidade de suporte deste sistema são definidas e analisadas através dos parâmetros mecanísticos de cada material, que dependem da natureza e da tensão aplicada, que por sua vez são fortemente afetados pelas variações das condições climatológicas. Por exemplo, um fator interveniente nos valores de módulo de resiliência é o teor de umidade do subleito, pois quando este está próximo à saturação o módulo de resiliência é baixo e quando em condição de equilíbrio de umidade ou teor de umidade inferior ao ótimo, o módulo de resiliência é elevado.
Neste capítulo é apresentada inicialmente uma breve discussão sobre o pavimento ferroviário sob a luz da Mecânica dos Pavimentos, com ênfase para a camada do subleito. Em seguida, descrevem-se os principais estudos realizados no Brasil sobre gestão de projetos de pavimentos ferroviários, com intuito de mostrar a importância que a manutenção possui neste sistema de transporte, considerando os altos valores de investimentos envolvidos nesta prática e por este estudo ser parte de um projeto de reabilitação e manutenção de uma via férrea existente. Contextualiza-se a natureza dos solos em estudo, abordando a formação e o uso em projetos de pavimentação dos solos tropicais. E por fim, disserta-se sobre os parâmetros mecanísticos para solos: sua obtenção, fatores que influenciam no comportamento, peculiaridades do comportamento mecânico de solos tropicais e modelos matemáticos de previsão de comportamento.
2.1 PAVIMENTO FERROVIÁRIO
Durante anos o dimensionamento do pavimento ferroviário foi realizado de forma empírica e tratado como uma área secundária da Mecânica dos Solos. A partir da década de 70 foram elaborados estudos focados em conceitos da Mecânica dos Pavimentos. No Brasil o
precursor desta disciplina da Engenharia Civil foi o professor Jacques de Medina, da COPPE/UFRJ.
O pavimento ferroviário é dividido em superestrutura e infraestrutura. A superestrutura ferroviária é constituída pelo conjunto trilho, dormentes, lastro e sublastro, também designada de via permanente. A infraestrutura é constituída do terreno natural abaixo da linha do greide da terraplenagem e pelas obras de drenagem superficiais e profunda, as obras de arte correntes e especiais e os cortes em taludes e aterros (MEDINA e MOTTA, 2015). Na FIG. 2.1 é ilustrado o perfil típico do pavimento ferroviário.
FIG. 2.1 O pavimento ferroviário (BRINA, 1982).
O dimensionamento das espessuras do lastro e sublastro é baseado em princípios empíricos assim como é feito em projetos rodoviários e aeroportuários, onde o método do CBR é adotado. Este método foi desenvolvido pela AASHTO e todos os parâmetros relacionados a esta metodologia foram baseados nos resultados do AASHTO Road Test e estão condicionadas aos locais dos testes (TAKEDA, 2006; MEDINA e MOTTA, 2015). Este método de dimensionamento é considerado simplificado e estima o módulo resiliente com a aplicação direta de equações, e é complementado com o uso de tabelas, ábacos e gráficos, fundamentados na Teoria da Elasticidade, transformando uma estrutura real de multicamadas em estruturas equivalentes mais simples, normalmente de duas ou três camadas, incluindo-se o subleito (ALBERNAZ, 1997).
MOREIRA (2014) realizou a comparação entre os métodos de dimensionamento existentes para pavimento ferroviário dentro de zonas urbanas e ao longo do curso, sendo eles o modelo de Winkler, o modelo de Talbot, os modelos linear-elástico (semi-espaço de Boussinesq, método da espessura equivalente, modelo multicamadas), métodos dos elementos infinitos e métodos do elemento discreto. A análise baseou-se na comparação das ações que os componentes do pavimento ferroviário estão submetidos frente aos diferentes tipos de
dimensionamento, listando suas vantagens e desvantagens, os parâmetros necessários para a metodologia de cálculo e os parâmetros obtidos. Ao final, a autora concluiu que as vias férreas sem lastro representam o futuro para o sistema ferroviário de Portugal, pois apresentam melhorias em relação à via com lastro, principalmente em relação ao período de vida útil estimada em 30 anos para via com lastro e aproximadamente 60 anos para vias sem lastro. A autora apresentou as conclusões referentes a cada modelo estudado, citando as vantagens e desvantagens que cada um apresenta, isentando de determinar o melhor modelo para realizar o dimensionamento, ou seja, o critério de escolha do modelo de dimensionamento fica a cargo do projetista.
No Brasil, como a implantação das vias férreas foi realizada com base no método do CBR, e atualmente as práticas de manutenção e implantação de novas vias levam em consideração os parâmetros obtidos por meio da aplicação da teoria da Mecânica dos Pavimentos, existe uma tendência de migração do método empírico para o método empírico- mecanístico (TAKEDA, 2006; MEDINA e MOTTA, 2015).
No entanto, a Mecânica dos Pavimentos propõe analisar o pavimento como um sistema constituído por diversas camadas destinadas a proteger o subleito das tensões verticais advindas do tráfego de veículos na via e das consequentes deformações, este sistema é acabado com uma camada de revestimento adequado ao rolamento para cada tipo de via a qual se destina o pavimento. Cada camada é constituída por um material que confere rigidez ao sistema e estes são ensaiados para obter o Módulo de Resiliência (MR) e deformação permanente, considerando a variação do teor de umidade no subleito (MEDINA e MOTTA, 2015). Na FIG. 2.2 é representado o sistema de camadas que constituem o pavimento rodoviário/aeroportuário e ferroviário.
SPADA (2003) destacou as diferenças entre o pavimento ferroviário com relação ao pavimento rodoviário e aeroportuário, sendo a principal diferença a forma como o carregamento da roda é transmitido para a estrutura de suporte, considerando-se que numa ferrovia só existe uma trilha enquanto na rodovia a trilha de passagem é variável, por fim a carga e a frequência são plenamente conhecidas nas operações ferroviárias, o que não ocorre na rodovia.
MEDINA e MOTTA (2015) destacam que outra importante diferença a ser considerada é que no pavimento rodoviário há o contato permanente da base com o revestimento, o que não ocorre no ferroviário tradicional (sem a adição de palmilhas subdormentes), onde é observada
a eventual separação do dormente em relação ao lastro, implicando em certa distância de aplicação da carga da roda.
Soma-se a estas características o fato do revestimento do pavimento rodoviário ser impermeável, o que não ocorre com o lastro do pavimento ferroviário que é constituído de materiais granulares que favorecem a drenagem e o acúmulo de água no subleito, influenciando diretamente no teor de umidade do material subjacente.
FIG. 2.2 Sistema de multicamadas constituintes dos pavimentos (a) rodoviário/aeroportuário e (b) ferroviário. Adaptado de SPADA (2003).
FORTUNATO (2005) ressalta que o desempenho das vias férreas é o resultado de uma complexa interação dos componentes deste sistema em resposta às solicitações impostas pelo material rodante, nas mais diversas condições ambientais. Para este, o adequado funcionamento do sistema depende exclusivamente de cada elemento que o compõem, de forma a assegurar a estabilidade do conjunto e a resiliência, evitando deformações permanentes que possam afetar a condição de trafegabilidade da via.
RIBEIRO (2012) afirma que a resistência de sustentação e qualidade da via férrea tem influência direta nas condições de carregamento, podendo-se considerar os três parâmetros fundamentais: a carga por eixo, a tonelagem total e a velocidade de rolamento. A manutenção da via pode ser planejada a partir de previsões da deterioração da via com base na tonelagem total.
KLINCEVICIUS (2011) cita o trabalho de ESVELD (2001) que fornece a ordem de grandeza das tensões em cada camada do pavimento ferroviário para uma carga de 200 kN por eixo, típica para trens de passageiros. Na FIG. 2.3 é representada a distribuição de tensões
entre as camadas. Nota-se que entre a roda e o trilho ocorrem tensões maiores, da ordem de 300 MPa, a medida que a carga é transmitida para as outras camadas a tensão cai, até chegar no subleito com tensões da ordem de 0,05 MPa. O conjunto de elementos que constituem o pavimento ferroviário transfere as cargas provenientes dos veículos para a fundação, assegurando que a tensão final ficará dentro do nível aceitável de tensão admissível.
FIG. 2.3 Ordem de grandeza das tensões médias em cada camada do pavimento ferroviário, para trens de passageiro (Adaptado de KLINCEVICIUS, 2011)
Na engenharia ferroviária considera-se que as cargas dinâmicas se propagam abaixo dos dormentes a uma profundidade que varia de 5 a 8 m, todavia deve-se dar atenção especial para as características dos solos a profundidade da ordem de 1 a 2 m, pois esta é a região de intensa solicitação do subleito que o torna num elemento crucial para o desempenho do pavimento ferroviário (MUNIZ DA SILVA, 2002; FORTUNATO, 2005; MEDRADO, 2009; MEDINA e MOTTA, 2015)
Segundo MEDINA e MOTTA (2015) o subleito é um elemento muito importante na qualidade da via para a operação segura e confortável dos veículos ferroviários. Deve-se dar ao subleito a mesma atenção que se dá à via propriamente dita, pois o mesmo não estará acessível para melhorias posteriores. Durante a fase de projeto deve-se decidir entre melhorar o subleito, acrescentar a camada de sublastro ou aumentar a espessura do lastro, levando em consideração que haverá aumento de cargas por eixo e crescimento da velocidade ao longo dos anos de operação, portanto é essencial prover o melhor subleito possível desde o início.
Uma maneira eficaz de garantir que o pavimento não se deteriore excessivamente durante a
vida útil da via é limitar a deformação permanente do material da camada do final da terraplanagem.
Para McHENRY e ROSE (2012) é de particular importância para a investigação da plataforma a disponibilidade de ensaios de campo e laboratoriais, pois programas como o KENTRACK e o GEOTRACK requerem a utilização do módulo de resiliência do subleito. A acurácia dos resultados do programa KENTRACK dependem da confiabilidade dos parâmetros de entrada. A rigidez do subleito deve ser considerada nos projetos para explicar a deformação da via, porém admitem que ela não é incorporada, e complementam que o subleito deve ser tratado como parte integrante do sistema pavimento ferroviário pois ele dita o ciclo de vida total deste. No entanto, as ferrovias mais antigas não possuem a camada de sublastro entre o lastro e o subleito, originando entre as duas um conglomerado de lastro-solo, tornando difícil a obtenção dos parâmetros in situ.
MEDINA e MOTTA (2015) relatam que o pavimento ferroviário tende para um nível indesejável de desempenho devido à degradação e assentamento do subleito, sublastro e do lastro. Como ação corretiva, a prática corrente de manutenção tem sido adicionar mais lastro para corrigir a espessura e a geometria da via, resolvendo o problema momentaneamente, mas após um curto período o local necessita de nova intervenção e adição de lastro. Esta ação é tradicional na engenharia ferroviária desde o século XIX, porém considerando os altos custos de manutenção a intervalos mais curtos torna-se necessário conhecer o comportamento dos solos do subleito sob a ação da carga ferroviária, que é o primeiro passo para otimização da manutenção. Conhecer a condição que se encontra o pavimento com relação ao processo de degradação, devido à ação das cargas e efeitos climáticos, é um aspecto importante para projetos de restauração de pavimentos.
2.2 GESTÃO DE PROJETOS DE PAVIMENTOS FERROVIÁRIOS
No Brasil o escoamento da produção primária é realizado principalmente pelas ferrovias, e este serviço deve ser oferecido de forma contínua e seguro, entretanto a má distribuição da malha férrea nacional e sua reduzida extensão, a diferença de bitolas, as práticas de manutenção e reabilitação executadas sem critério técnico adequado tornam-se um gargalo na vazão da produção. A deterioração da via férrea ocorre ao longo dos anos de operação,
todavia é necessário planejar as ações de intervenção para que o bom desempenho e serventia da ferrovia sejam assegurados. Neste sentido, torna-se essencial um sistema de gerência de pavimentos próprio às ferrovias para que os recursos disponíveis para a manutenção e reabilitação da via sejam distribuídos de forma satisfatória (ILDEFONSO, 2012).
Para ILDEFONSO (2012), o uso de gerência de vias férreas determina qual é o tipo manutenção mais apropriado e quando se deve executá-la, de forma a empregar os recursos financeiros disponíveis da melhor forma possível. Conforme o autor há três tipos de manutenção que podem ser realizadas, quando a intervenção na via não é programada tem-se a manutenção corretiva, quando são adotados processos que substituem ou reparam periodicamente os materiais e equipamentos tem-se a manutenção preventiva, e por fim tem- se a manutenção preditiva que é baseada em modelos probabilísticos ou estocásticos que determinam o momento adequado para realizar determinada intervenção.
ILDEFONSO (2012) propôs um sistema de gerência para vias férreas brasileiras considerando as condições da geometria e dos elementos da superestrutura da via com base na prática de manutenção já consolidada nas empresas concessionárias. Um estudo mais bem elaborado para a definição da superestrutura e da geometria é motivado pelos altos custos que representam a manutenção da via permanente, alcançando valores da ordem de 12% a 30% do custo de operação, representando no ano de 2000, por exemplo, um gasto de 300 milhões de dólares, evidenciando que simples melhorias no modo como as manutenções são realizadas implicam em grandes economias para as empresas.
PARDO (2009) elaborou uma metodologia para análise e gestão de riscos em projetos de pavimentos ferroviários com enfoque em estruturas geotécnicas. O dimensionamento de estruturas geotécnicas e de pavimentos ferroviários é baseado em normas e regulamentos técnicos que fornecem uma indicação do nível de confiança, deste modo as análises de risco possuem uma função importante na avaliação da segurança das obras e proporcionam o melhor entendimento dos processos de instabilidade e ruptura das estruturas, prevendo ciclos de frequência com que estes fenômenos ocorrem. Para o desenvolvimento das ferramentas quantitativas analisou-se o comportamento de solos em laboratório e ensaios de campo, a base semi-quantitativa foi formulada com base em observações da estrutura em campo. Ao final, aplicou-se a técnica de análise centrada na confiabilidade da estrutura.
COIMBRA (2008) analisou os modos de falha dos componentes da via permanente ferroviária e seus efeitos no meio ambiente, abordando as técnicas de manutenção na concepção da Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA), juntamente com a
Reliability Centered Maintenance (RCM) de forma sistêmica e avaliando a maneira pela qual eles falham em cumprir suas funções e os efeitos na segurança, na operação, na economia e no meio ambiente. Para a análise das etapas de implantação utilizou o FMECA e para os processos de manutenção da via permanente utilizou o RCM.
CORREIA (2007) desenvolveu o estudo da sensibilidade dos parâmetros de dimensionamento de um via férrea submetida às deformações verticais, e esta análise foi realizada com base na interação dos componentes da via permanente e sua influência nas práticas de manutenção da via baseadas em predições sob um modelo de desempenho adequado. Para esta análise, considerou-se 2.187 combinações, a análise foi realizada com o auxílio do programa FERROVIA 1.0 e análise estatística, concluiu-se que os valores adotados para as correlações correspondem aos valores referenciais usados na prática da engenharia ferroviária.
MUNIZ DA SILVA (2002) propôs um sistema de gerência aplicado à manutenção da via permanente com base nos fundamentos teórico-experimentais da mecânica dos Pavimentos ferroviários, com o intuito de contribuir para a mudança de visão na manutenção da via permanente, com o princípio de que a geometria não deve ser tomada como o único indicativo da qualidade da via e parâmetro de controle da manutenção. A alteração da “geometria” da via deve ser encarada como um sintoma e gera duas necessidades: (i) saber por que se alterou (ou seja, as deformações de quais camadas contribuíram para a alteração); e (ii) identificada à origem do problema, propor o que fazer. Estas duas necessidades estão ligadas entre si no sentido de que não é possível atuar-se adequadamente na manutenção de um sistema do qual não se conhece bem o seu funcionamento. É preciso distinguir e entender as características dos materiais componentes da via permanente considerando-se, inclusive, o fato de que os materiais se alteram com o tempo e o uso; esses são os novos critérios a serem exigidos.
Estes estudos supracitados demonstram a importância da manutenção na operação das vias férreas brasileiras tendo em vista à exigência de níveis de serviço cada vez mais altos no setor de transporte e visando a melhoria contínua dos serviços oferecidos, garantindo os atributos de disponibilidade, acessibilidade, economicidade, qualidade e confiabilidade. Este último atributo é a base do conceito moderno de manutenção. Nota-se a clara preocupação com o desempenho da via férrea voltada principalmente para os componentes da superestrutura, e muitas vezes negligenciando a parcela contribuinte da infraestrutura nos problemas que desencadeiam a necessidade da prática da manutenção nas vias férreas brasileiras, principalmente os relacionados a deformação permanente do subleito.
2.3 SOLOS TROPICAIS - FORMAÇÃO E USO EM PROJETOS DE PAVIMENTAÇÃO
Há diversos estudos dedicados aos solos tropicais sem existir um consenso quanto à terminologia. Para este estudo será adotada a designação “solo tropical” conforme determinado por Jobi Suji Nogami, em seus extensos e importantes trabalhos sobre solos tropicais brasileiros.
Segundo NOGAMI e VILLIBOR (1995), os solos tropicais apresentam peculiaridades de propriedades e de comportamento, diferente dos solos não tropicais, em decorrência da atuação de processos geológicos e/ou pedológicos típicos das regiões tropicais úmidas.
Os solos tropicais podem ser divididos em duas grandes classes: os solos lateríticos e os solos saprolíticos. Por definição (VILLIBOR et al., 2009), temos que:
• Solo laterítico: é uma variedade de solo superficial pedogenético, típico das partes bem drenadas das regiões tropicais úmidas, resultantes de uma transformação da parte superior do subsolo pela atuação do intemperismo, por processo de laterização.
• Solo saprolítico: é aquele que resulta da decomposição e/ou degradação in situ da rocha por meio de ações de intemperismo, mantendo a estrutura da rocha-mãe de forma nítida, ou seja, é um solo genuinamente residual. Estes solos são mais heterogêneos e constituídos por uma mineralogia mais complexa, pois contêm minerais ainda em decomposição.
Os solos tropicais caracterizam-se por possuir a espessura do horizonte superficial variando na ordem de centímetros a metros, a transição entre as camadas do perfil pode ser gradual ou abrupta. Pode surgir dificuldade para delimitar o limite inferior do horizonte superficial, mas este pode ser facilmente identificado pela coloração escura e a grande quantidade de raízes, o grupo pedológico exerce forte influencia sobre o horizonte superficial.
Outra importante característica é a grande espessura do horizonte saprolítico, atingindo profundidade da ordem de dezenas de metros.
Há a predominância nos solos lateríticos de minerais argílicos como a caulinita e haloisita, e os hidróxidos e óxidos de ferro hidratado e de alumínio conferem a cimentação das partículas argilosas. Devido à presença destes hidróxidos e óxidos de ferro, esses solos apresentam coloração nos tons vermelhos, laranjas, amarelos e marrons (MEDINA e MOTTA, 2015; TAKEDA, 2006; SILVA, 2003).
CAPUTO (1988) destaca que as principais propriedades das lateritas são a baixa plasticidade e pouca expansibilidade.
VIANA (2007) apresenta as principais peculiaridades de constituição mineral dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos (TAB. 2.1). Nos solos lateríticos são observadas grandes frações de areia e também de silte, com presença de minerais resistentes ao intemperismo, como o quartzo, ilmenita, magnetita, rulito.
TAB. 2.1 Peculiaridades da constituição mineral dos solos tropicais lateríticos e saprolíticos (Adaptado de VIANA, 2007).
Fração Solos lateríticos Solos Saprolíticos
O mineral quartzo é encontrado com muita frequência. Contudo, os grãos de quartzo, presentes na fração areia, apresentam as seguintes peculiaridades: presença de uma película de óxidos (fornecendo uma tonalidade avermelhada, rósea, arroxeada ou amarelada ao conjunto) e depressões (indicando efeitos de dissolução lenta).
Grande diversidade de minerais diferentes do quartzo. Contudo, muitos solos saprolíticos podem apresentar o quartzo com predominância.
Areia e pedregulho
Além do quartzo, outros minerais resistentes à ação de intempéries podem ocorrer, destacam-se os minerais pesados (magnetita, ilmenita, rutilo, turmalina, zircão, etc.). Frequentemente, a laterita ou concreção laterítica está presente.
Merece destaque a ocorrência de fragmentos de rochas, feldspatos e micas
Silte
Predominância de quartzo, embora possa ocorrer a magnetita e a ilmenita como constituintes predominantes. Além disso, laterita também pode ocorrer, contudo é difícil de ser distinguida dos torrões de argila.
Constituição muito variada.
Todavia, podem ocorrer casos em que a fração é constituída de apenas um mineral. O quartzo é um mineral muito comum, também podem ocorrer a caulinita e micas.
Contêm elevada porcentagem de óxidos e hidróxidos de ferro (goetita, limonita e ferrihidrita), óxidos anidros de ferro (hematita e magnetita) e hidróxidos de alumínio (diásporo e bohemita, gibsita, bauxita).
Podem ocorrer argilominerais mais ativos do que a caulinita (montmorilonita e ilita). Contudo, isso não impede que, em muitos solos, os minerais da família da caulinita sejam exclusivos ou predominantes. Podem ocorrer óxidos e hidróxidos de Fe e Al.
Argila
O argilomineral geralmente presente é a caulinita.
Além do mais, óxidos e hidróxidos de ferro ou alumínio costumam envolver a caulinita.
Os argilominerais e, eventualmente outros minerais presentes, não se apresentam recobertos por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio.
As principais áreas de ocorrência de solos lateríticos no território nacional são apresentadas na FIG. 2.4. Nota-se que na maioria dos estados brasileiros ocorre este tipo de
solo, que é adequado para o uso como material de pavimentação. Esta distribuição é baseada nos dados geológicos, pedológicos e climáticos de cada região (VILLIBOR et al., 2009).
FIG. 2.4 Principais ocorrências de solos lateríticos no território brasileiro (VILLIBOR et al., 2009)
MARANGON (2004) ressaltou que é de grande importância os conhecimentos advindos das pesquisas sobre o comportamento de solos tropicais e da Metodologia MCT para classificação dos solos tropicais proposta por NOGAMI e VILLIBOR (1995), pois permitem correlacionar as características pedogenéticas com as características identificadas por esta metodologia.
2.3.1 CLASSIFICAÇÃO PEDOLÓGICA DOS SOLOS
Segundo MARANGON (2004), a classificação pedológica é baseada nas características morfológicas, físicas, químicas e mineralógicas dos solos e utiliza horizontes diagnósticos para identificá-los. As classes dos solos são determinadas conforme o processo pedológico
que atuou na sua gênese, tendo como o principal critério de classificação e mapeamento do solo a diferenciação vertical entre os horizontes de um perfil de solo.
As classes pedológicas podem ser divididas em três grupos, abaixo se transcreve a definição de cada classe conforme SALOMÃO e ANTUNES (1998), visto em MARANGON (2004):
• Solos Minerais Não Hidromórficos: este grupo compreende os solos desenvolvidos na zona de oxidação do terreno, em ótimas condições de drenagem, pouco afetados pelo lençol d’água subterrâneo. Este grupo contempla os solos estudados nesta pesquisa.
• Solos Minerais Hidromórficos: este grupo é formado pelos solos que ocupam terrenos baixos ou pequenos anfiteatros elevados que constituem em cabeceiras de drenagem.
São desenvolvidos bem próximos da zona de saturada ou na própria zona saturada, portanto em condições de excesso de umidade, apresentando lençol freático próximo a superfície do terreno, podendo apresentar afloramentos nos períodos chuvosos.
• Outros Solos: o sistema de classificação reúne outros solos que não se enquadram nos grupos anteriores, como as Areias Quartzosas, os Vertissolos e os Solos Orgânicos.
Por ser objeto de trabalho deste estudo os solos pertencentes à classe Solos Minerais Não Hidromórficos, é apresentada a seguir uma síntese das classes pedológicas incluídas neste grupo (MARANGON, 2004), conforme o desenvolvimento do horizonte B tem-se:
• Solos com horizonte B latossólico: Latossolo Vermelho-Escuro, Latossolo Vermelho- Amarelo, Latossolo Amarelo, Latossolo Roxo, Latossolo Ferrífero, Latossolo Bruno, Latossolo Variação Una;
• Solos com horizonte B textural: Podzólico Vermelho-Escuro, Podzólico Vermelho- Amarelo, Terra Roxa Estruturada, Podzólico Bruno-Acizentado, Brunizem Avermelhado;
• Solos com horizonte B câmbico ou incipiente: Cambissolo;
• Solos rasos, sem horizonte B: Litossolo.
A EMBRAPA (1999) propôs uma alteração na nomenclatura tradicional das classes pedológicas resultando na 1a Edição do Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (SiBCS).
Na TAB. 2.2 é apresentada a correspondência entre as nomenclaturas tradicional e a proposta pela EMBRAPA (1999).
TAB. 2.2 Correspondência do sistema de classificação tradicional proposto por Salomão e Antunes (1998) com a Classificação da EMBRAPA (1999) - Adaptado de
MARANGON (2004) Classe de Solo
Horizonte
Diagnóstico Nomenclatura Tradicional Classificação EMBRAPA (1999)
B Latossólico Latossolo Latossolos
Plintossolos B Textural Podzólico
Terra Roxa Estruturada Brunizem
Argissolos, Alissolos Nitossolos, Luvissolos, Plintossolos, Nitossolos, Argissolos, Chernossolos
C Câmbico Cambissolo Cambissolos
Minerais Não Hidromórficos
Sem Horizonte B Litossolo Neossolos
Materiais Arenosos
Podzol Podzol Hidromórfico
Areia Quartzosa Hidromórfica
Espodossolos Espodossolos Neossolos Materiais
Areno-argilosos ou Argilo-
arenosos
Glei Cinzento Planossolo Planossolo sódico
Gleissolos Planossolos
Neossolos Minerais
Hidromórficos
Materiais Argilosos
Glei Húmico Glei pouco Húmico
Glei Salino Tiomórfico
Plintossolos Gleissolos Gleissolos Outros Solos
Areias Quartzosas Vertissolos
Orgânicos
Neossolos Vertissolos Organossolos A correspondência mais detalhada entre os dois sistemas de classificação com o horizonte característico associado pode ser encontrada no Manual Técnico de Pedologia publicado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE (2007). Com base no SiBCS foi elaborado o mapa de delimitação dos principais solos no território brasileiro, como pode ser visto na FIG. 2.5.
A utilização das informações da Pedologia através dos mapas pedológicos se mostra muito útil no estudo geotécnico preliminar de obras viárias. Pode-se avaliar preliminarmente a disponibilidade de materiais de jazida na região, orientando o reconhecimento de campo, sendo que esta avaliação em função das classes pedológicas, Latossolos Roxos e Vermelho- Escuros apresentam comportamento laterítico e Latossolos Vermelho-Amarelo e Podzólicos podendo ou não apresentar tal comportamento, estão correlacionados com os grupos geotécnicos da Metodologia MCT de classificação de solos tropicais principalmente com as
classes de solos lateríticos, LG’- argiloso, LA’- areia argilosa e LA - areia pouco argilosa (GODOY e BERNUCCI, 2000; TAKEDA, 2006, GUIMARÃES, 2009).
FIG. 2.5 Mapa das principais ocorrências dos solos brasileiros (IBGE, 2007).
MARANGON (2004) apresentou uma síntese do trabalho desenvolvido em 1992 por OLIVEIRA et al. (1992) para reconhecimento dos solos, reunindo as principais características das classes latossolos e podzólicos em tabelas que serão apresentadas nas TAB. 2.3 e TAB.
2.4, respectivamente. As classes pedológicas podem ser identificadas pelas seguintes características genéticas: composição química, cor e textura, e em informações muito mais amplas do que as fornecidas pelos índices utilizados na classificação geotécnica tradicional (granulometria e limites de Atterberg).
