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MESTRADO EM VIAS DE COMUNICAÇÃO
Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Estudo Laboratorial dos Fenómenos de Danificação Durante a Instalação e
Abrasão nos Materiais
André Estácio da Silva Pinto Licenciado em Engenharia Civil pela Facudade de Engenharia da
Universidade do Porto
Dissertação submetida para obtenção do grau de mestre em Vias de Comunicação
Orientadores
Professora Doutora Maria de Lurdes da Costa Lopes Professor Doutor Arnaldo Humberto de Sousa Melo
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Porto, Março de 2005
RESUMO
A aplicação de geossintéticos em obras de Engenharia Civil é já bastante frequente e
as estruturas ferroviárias não são excepção. Também aqui os geossintéticos
apresentam inúmeras vantagens, entre as quais se destacam desde logo as técnicas,
económicas, rapidez de aplicação (especialmente importante nas obras ferroviárias
de reabilitação, em que as intervenções estão limitadas) e as ambientais.
Considera-se a aplicação de geossintéticos em estruturas ferroviárias a incorporação
destes materiais ao nível da infraestrutura. Esta aplicação apresenta,
comparativamente às mais usuais, como as aplicações rodoviárias, um grau de
severidade acrescido, pelo facto dos materiais aqui utilizados possuirem
características de maior agressividade e pelo facto de as cargas aqui aplicadas serem
de magnitude mais elevada.
Assim, como primeiro objectivo deste trabalho, define-se a abordagem às estruturas
ferroviárias ditas convencionais, apresentada no Capítulo 1 da presente dissertação,
e aos materiais geossintéticos, apresentada no Capítulo 2, como introdução ao tema
da aplicação de geossintéticos em estruturas ferroviárias.
Como segundo objectivo, dado que esta aplicação é ainda muito pouco usual em
Portugal, definiu-se a análise do desempenho de diversos geossintéticos nestas
aplicações, apresentada no Capítulo 3, obtida pela exumação dos geossintéticos de
estruturas reais e por estudos laboratoriais realizados em pequena escala e a escala
real. Aí, desde logo se constata que a durabilidade dos geossintéticos é um
importante factor a considerar nestas aplicações, nomeadamente no que diz respeito
aos fenómenos de danificação durante a instalação e abrasão.
Surge então o terceiro e último objectivo deste trabalho, apresentado no Capítulo 4,
que pretende ser uma contribuição para o estudo laboratorial dos referidos
fenómenos, tendo isso envolvido o desenvolvimento de um equipamento laboratorial
para simulação do fenómeno de abrasão, de acordo com a EN ISO 13427, do qual não
se encontram ainda resultados publicados na bibliografia.
Finalmente, no Capítulo 5, é apresentada uma sugestão para o desenvolvimento de
futuros trabalhos de investigação dos fenómenos de durabilidade nestas aplicações.
ABSTRACT
The use of geosynthetics in Civil Engineering Works is now very common and railway
tracks are no exception. Here the application of geosynthetics presents several
advantages such as technical, economical, speed of application (especially important
in rehabilitation works where interventions are limited) and environmental.
The application of geosynthetics in railway tracks is considered to be the application
of such materials at the infrastructure level. This application comparatively to
roadways applications presents a higher severity degree due to the fact of the
granular materials here used being more aggressive and to the higher loads here
applied.
The first objective of this work is defined as the approach to the railway track
structure, presented in Chapter 1, and to the geosynthetic materials, presented in
Chapter 2, as an introduction to the application of geosynthetics in railway tracks.
The second objective of this work, being this application very unusual in Portugal is
defined as the analysis of the performance of several geosynthetics in this
application, presented in Chapter 3, obtained by the exhumation of geosynthetics
installed in railway structures and from laboratory studies. Here the durability aspect
of such materials is considered to play a major role on their performance especially
regarding the damage during installation and abrasion.
The third and last objective of this work, presented in Chapter 4, is a contribution to
the laboratorial study of damage during installation and abrasion on geosynthetics
involving the development of an equipment to simulate abrasion according to the
specifications on the EN ISO 13427 in witch is not yet known any published result.
Finally in Chapter 5 is presented a suggestion for future developments in the study of
the durability aspects for this application.
RÉSUMÉ
L'application de géosynthétiques en ouvrages d' Íngénierie Civile est déjà assez
fréquente et les structures ferroviaires n'en sont pas exception. Ici encore les
géosynthétiques présentente de nombreux avantages, parmi lesquels se détachent
tout de suite les techniques économiques, la vitesse d'application particulièrement
importante dans les travaux ferroviaires de rehabilitation, où les interventions sont
limitées et ceux de l'ambient.
On considère l'application de géosynthétiques dans des structures ferroviaires
l'incorporation de ces matériaux au niveau de l'infrastructure. Cette application
present en comparaison aux plus communes, telles que les applications routières, un
degrè de sévérité accru, par le fait des matériaux ici employés posséder des
caracteristiques de plus d'agressivité et par le fait des charges ici appliqués être de
magnitude plus élevée.
Ainsi, comme premier objectif de ce travail on définit l'abordage aux structures
ferroviaires soit disantes conventionnelles, présenté dans le Chapitre 1 de la présent
dissertation et aux matériaux géosynthétiques présenté dans le Chapitre 2, comme
introduction au thème de l'application de gésynthétiques dans des structures
ferroviaires.
Comme deuxième abjectif, puisque cette application est encore tréspeu usuelle au
Portugal on a défini l'analyse de l'exécution de plusieurs géosynthétiques dans ces
applications présentée dans le Chapitre 3, obtenue par l'exhumation des
géosynthétiques de structures réelles et par des études de laboratoire realisées en
petite échelle et échelle reélle. Lá, tout de suite on constate que la durabilité des
géosynthétiques est un important facteur à considérer dans ces applications,
notament dans ce qui concerne les phénomènes de dommage pendant l'installation et
abrasion.
Voilà alors le troisième et dernier objectif de ce travail présenté dans le Chapitre 4,
ou prétend être une contribuition à l'étude de laboratoire des référés phénoménes,
ayant cela enveloppé le développement d'un équipement laboratoriel pour simulation
du phénomène d'abrasion d'accord avec l'EN ISO 13427 duquel on na pas encore de
résultats publiés dans la bibliogrphie.
Finalement, dans le Chapitre 5 est présentée une suggestion pour le développement
de futurs travaux d'investigation des phénomenès de durabilité dans ces applications.
AGRADECIMENTOS
Na finalização deste trabalho, não posso deixar de manifestar os meus profundos e
sinceros agradecimentos a todas as pessoas que de alguma forma contribuiram
directa, ou indirectamente, para que este se realizasse, e em particular:
- à minha orientadora Professora Doutora Maria de Lurdes da Costa Lopes
(Profª Agregada da FEUP) pela disponibilidade e incentivo que sempre me
manifestou tecnica e pessoalmente para elaboração deste estudo, e pela
disponibilização dos meios financeiros, como Directora do LGS, para a
realização da parte experimental deste trabalho;
- ao meu co-orientador Professor Arnaldo Humberto de Sousa Melo (Prof.
Catedrático da FEUP) pelo interesse que sempre manifestou neste tema e
pela disponibilidade que sempre mostrou no esclarecimento de qualquer
dúvida;
- à minha Família, em especial os meus Pais e Irmão, pelo carinho, paciência
e disponibilidade que sempre me souberam demonstrar, criando-me o
ambiente familiar ideal à realizaçao deste trabalho;
- à Inês pela paciência, compreensão, motivação, amor e carinho que sempre
soube manifestar, mesmo nos momentos mais difíceis, em que tivemos de nos
privar da companhia um do outro;
- a todos os meus Amigos com quem mais directamente convivi na época de
realização da parte experimental, em especial aos Engenheiros Rui Silvano,
Cristiana Ferreira, Carla Carvalho, Mafalda Lopes, Paulo Ribeiro, Joaquim
Macedo e Luciana Neves;
- a todos os meus Amigos que não convivendo directamente comigo na
realização deste trabalho sempre me estimularam e motivaram na sua
concretização, como o Luís, Bernardo, Tiago, Joana, Vasco, Pedro, Sofia,
Alexandre, e a todos os restantes que aqui omito, não por me esqueçer deles,
mas apenas porque tornariam esta lista imensa.
ÍNDICE
INDICE .................................................................................................I
INDICE DE FIGURAS.....................................................................................V
INDICE DE QUADROS .................................................................................XIII
SIMBOLOGIA ........................................................................................XVII
1. CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS
1.1 INTRODUÇÃO.................................................................................1
1.2 CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS..........................................................2
1.3 SUPERESTRUTURA ............................................................................2
1.4 INFRAESTRUTURA ............................................................................3
1.4.1 Camada de Balastro ...................................................................3
1.4.1.1 Características das partículas de balastro ...................................4
1.4.1.2 Comportamento mecânico do balastro na camada da estrutura .......11
1.4.1.3 Modelação do comportamento do balastro.................................17
1.4.2 Sub-Balastro...........................................................................22
1.4.3 Plataforma.............................................................................25
1.4.3.1 Classificação da plataforma ferroviária ....................................27
2. GEOSSINTÉTICOS
2.1 INTRODUÇÃO ........................................................... ....................29
2.2 PRODUÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS ............................................................30
2.2.1 Geotêxteis Tecidos e Não Tecidos.......................................... .34
2.2.2 Geogrelhas.......................................................................36
i
2.2.3 Barrreiras Geossintéticas............................................................37
2.3 PROPRIEDADES..............................................................................38
2.4 FUNÇÕES....................................................................................41
2.4.1 Reforço...........................................................................44
2.4.1.1 Reforço com geogrelhas ..............................................46
2.4.1.2 Factores que influenciam a interacção solo-geogrelha..........49
2.4.2 Separação........................................................................52
2.4.3 Filtragem.........................................................................54
2.4.3.1 Dimensionamento de filtros..........................................57
2.4.4 Drenagem........................................................................61
2.5 DURABILIDADE DOS GEOSSINTÉTICOS.........................................................64
3. APLICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS EM LINHAS-FÉRREAS
3.1 INTRODUÇÃO................................................................................71
3.2 DESEMPENHO DE GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS FERROVIÁRIAS..................................72
3.2.1 Desempenho de Geotêxteis em Separação e Filtragem/Drenagem.....72
3.2.1.1 Estudos laboratoriais em pequena escala..........................73
3.2.1.2 Estudos Laboratoriais em escala real...............................81
3.2.1.3 Estudos realizados “in situ”..........................................83
3.2.1.4 Conclusões..............................................................84
3.2.2 O Uso de Geomembranas na Impermeabilização da Plataforma
Ferroviária....................................................................................85
3.2.2.1 Estudos laboratoriais..................................................85
3.2.2.2 Estudos realizados “in situ”..........................................87
ii
3.2.2.3 Conclusões..............................................................88
3.2.3 Desempenho de Geogrelhas em Reforço....................................88
3.2.3.1 Estudos laboratoriais..................................................90
3.2.3.2 Estudos realizados "in situ"...........................................92
3.2.3.3 A aplicação de geogrelhas em balastro reciclado.................94
3.2.3.4 Conclusões.............................................................101
3.3 DANIFICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS..........................................................101
3.3.1 Abrasão de Geossintéticos...................................................102
3.3.2 Danificação Durante a Instalação...........................................108
3.4 CONCLUSÕES...............................................................................116
4. ESTUDO LABORATORIAL DOS FENÓMENOS DE DANIFICAÇÃO DURANTE A INSTALAÇÃO E ABRASÃO
4.1 INTRODUÇÃO...............................................................................119
4.2 APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO LABORATORIAL DESENVOLVIDO..........................120
4.3 MATERIAIS E PROCEDIMENTOS UTILIZADOS..................................................124
4.3.1 Procedimento do Ensaio de Tracção.......................................126
4.3.2 Procedimento do Ensaio de Porometria...................................128
4.3.3 Procedimento do Ensaio de Danificação Durante a Instalação.........131
4.3.4 Procedimento do Ensaio de Abrasão.......................................134
4.4 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS............................................................136
4.4.1 Ensaio dos Provetes Intactos................................................136
4.4.2 Ensaio dos provetes submetidos a DDI.....................................137
4.4.3 Ensaio dos Provetes Submetidos à Abrasão...............................140
4.4.4 Ensaio dos Provetes Submetidos à DDI e à Abrasão......................144
iii
4.5 DISCUSSÃO DE RESULTADOS................................................................147
4.6 CONCLUSÕES...............................................................................150
5. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ...................................................................153
ANEXO 1........................................................................................... 155
BIBLIOGRAFIA.......................................................................................165
iv
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 - Corte esquemático de uma secção de linha-férrea...........................2
Figura 1.2 – Curvas granulométricas (Correia, 1980).........................................5
Figura 1.3 - Influência do tipo de finos no comportamento mecânico do balastro
(Adaptado de Kalcheff, 1974)..............................................................10
Figura 1.4 – Curva típica do comportamento tensão/extensão de materiais
granulares, obtida num ensaio triaxial convencional (adaptado de Nunes,
1991)...........................................................................................12
Figura 1.5 - Resposta típica do balastro num ensaio triaxial cíclico (adaptado de Selig
e Waters, 1994)..............................................................................13
Figura 1.6 - Comportamento elasto-plástico do balastro em carregamentos
cíclicos........................................................................................14
Figura 1.7 – Efeito do tipo de descarga no módulo de resiliência. (adaptado de
Stewart, 1982) ...............................................................................14
Figura 1.8 – Influência da tensão de confinamento no ângulo de atrito para diferentes
tipos de balastros (adaptado de Correia, 2003).........................................16
Figura 1.9 – Efeito da razão tensão deviatória/tensão de confinamento no valor das
extensões permanentes (adaptado de Selig e Waters, 1994).........................16
Figura 1.10 – Influência da presença de água nas deformações permanentes de
materiais granulares (adaptado de Selig e Waters, 1994).............................23
Figura 1.11 – Dimensionamento das camadas de balastro e sub-balastro com base nas
características mecânicas da plataforma (adaptado de ORE D117)..................28
v
Figura 2.1 – Principais tipos de componentes dos geossintéticos. (adaptado de
Koerner, R. 1999)............................................................................33
Figura 2.2 – Estrutura dos geotêxteis (Ingold , 1994).......................................34
Figura 2.3 – Ligação mecânica (adapatado de Koerner , 1999)...........................35
Figura 2.4 – Estrutura das geogrelhas (Ingold, 1994).......................................37
Figura 2.5 - Principais funções dos geossintéticos (Paula, 2003).........................42
Figura 2.6 – Acção de membrana (adaptado de Telford, 1996)...........................45
Figura 2.7 – Mecanismos de interacção solo-geogrelha. (adaptado de Jewel et al.,
1984) ..........................................................................................46
Figura 2.8 – Função de separação (Koerner, 1999)..........................................53
Figura 2.9 – Fenómenos susceptíveis de ocorrer na função de filtro (adaptado de
Koerner, 1999)...............................................................................56
Figura 2.10 – Permeâmetro utilizado em ensaios de filtragem sob confinamento
(adaptado de Hameiri, 2000)..............................................................60
Figura 2.11 – Influência das tensões normais aplicadas aos geossintéticos (adaptado
de Palmeira e Gardoni, 2000)..............................................................63
Figura 2.12 – Efeito da temperatura na resistência à tracção dos polímeros
constituintes (adaptado de Pilarczyk, 2000)............................................68
Figura 2.13 – Influência da quantidade de oxigénio presente na degradação dos
geossintéticos (adaptado de Salman et al., 1998)......................................68
Figura 2.14 – Degradação termo-oxidativa em geotêxteis não tecidos em polipropileno
e em poliéster (adaptado de Santos et al., 2002)......................................69
Figura 2.15 – Efeito de soluções ácidas em geotêxteis não tecidos em PP e PET
(adaptado de Santos et al., 2002)........................................................70
vi
Figura 2.16 – Efeito de soluções alcalinas em geotêxteis não tecidos em PP e PET
(adaptado de Santos et al., 2002)........................................................70
Figura 3.1 – Célula de consolidação (adaptado de Lafleur et al.,1990)
.................................................................................................74
Figura 3.2 – Decréscimo de permeabilidade versus Frequência (adaptado de Lafleur
et al.,1990). .................................................................................75
Figura 3. 3 – Permeabiblidade versus nível de contaminação (adaptado de Lafleur et
al.,1990)......................................................................................75
Figura 3.4 – Equipamento utilizado em argilas compactas (adaptado de Faure e
Imbert, 1996).................................................................................76
Figura 3.5 – Influência dos geotêxteis na subida de finos (adaptado de Faure e Imbert,
1996). .........................................................................................77
Figura 3.6 – Variação da massa de solo movimentada com o número de ciclos
(adaptado de Faure e Imbert, 1996)......................................................79
Figura 3.7 – Influência do tipo de estrutura na massa de solo que atravessa o
geotêxtil. (adaptado de Faure e Imbert, 1996).........................................79
Figura 3.8 – Quantidade de solo presa no interior da estrutura do geotêxtil (adaptado
de Faure e Imbert, 1996). .................................................................80
Figura 3.9 – Evolução da taxa de poluição com o número de ciclos (adaptado de Faure
e Imbert, 1996). .............................................................................80
Figura 3. 10 - Esquema representativo do equipamento em escala real “Vibrogir”
(adaptado de Nancey e Imbert, 2002)....................................................81
Figura 3.11– Evolução da permissividade (adaptado de Nancey e Imbert,
2002)...........................................................................................82
Figura 3.12 – Evolução da transmissividade (adaptado de Nancey e Imbert,
2002)...........................................................................................83
vii
Figura 3.13 – Geomembrana betuminosa incrustada de partículas de balastro
(adaptado de Imbert et al. 1996).........................................................86
Figura 3.14 – Equipamento para simulação de tráfego ferroviário (Tebay et al.
2002)...........................................................................................87
Figura 3.15 – Perfil de carregamento das travessas (adaptado de Tebay et al.
2002)...........................................................................................87
Figura 3.166 - Determinação laboratorial da eficiência do reforço com geogrelhas
(adaptado de Raymond, 2002).............................................................90
Figura 3.17 – Variação das tensões induzidas em profundidade (adaptado de Jain e
Kesheav,1999)................................................................................91
Figura 3.17 – Secção adoptada para reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola
(adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).............................................93
Figura 3.18 – Célula triaxial de grandes dimensões (Indraratna et al. 2002)...........95
Figura 3.19 - Assentamento da travessa versus número de ciclos de carga (Indraratna
et al., 2002)..................................................................................96
Figura 3.20 - Variação da extensão principal máxima ε1 com o número de ciclos
(Indraratna et al., 2002)....................................................................98
Figura 3.21 - Variação da extensão principal intermédia ε2 com o número de ciclos
(Indraratna et al., 2002)....................................................................99
Figura 3.22 - Variação da menor extensão principal mínima ε3 com o número de ciclos
(Indraratna et al., 2002)..................................................................100
Figura 3.23 – Ensaio para simulação da abrasão em geotêxteis (ASTM D 1175).......103
Figura 3.24 - Evolução da resistência à abrasão segundo ASTM D 3884 (adaptado de
Nancey e Imbert, 2002)...................................................................104
Figura 3.25 – Ensaio de Deval segundo BS 812 (adaptado de Hausmann et al.
1990).........................................................................................106
viii
Figura 3.26 – Resultados de geotêxteis ensaiados à tracção pelo método da tira
(adaptado de Hausmann et al. 1990)...................................................106
Figura 3.27 – Perdas de resistência à tracção de geotêxteis não tecidos avaliadas pelo
método da tira após exumação (adaptado de Hausmann et al. 1990)............107
Figura 3.28 – Danificação do geotêxtil versus profundidade de colocação (adaptado
de Koerner R. 1999).......................................................................108
Figura 3.29 – Equipamento para simulação da abrasão sofrida pelos geotêxteis em
aplicações ferroviárias (EN ISO 13427 - 1998).........................................108
Figura 3.30 – Número de perfurações versus resistência retida (adaptado de Koerner e
Koerner, 1990)..............................................................................109
Figura 3.31 – Curvas granulométricas dos solos utilizados nos ensaios de danificação
de campo e de laboratório (adaptado de Paula, 2003)...............................114
Figura 3.32 – Resistência retida (em %) dos geossintéticos danificados no campo e em
laboratório (adaptado de Paula, 2003).................................................115
Figura 4.1– Representação esquemática do equipamento de simulação da abrasão (EN
ISO 13427, 1998)............................................................................120
Figura 4.2 – Equipamento laboratorial desenvolvido para simulação da abrasão de
acordo com a EN ISO 13427 (1998)......................................................121
Figura 4.3 – Régua de deslizamento sem atrito da placa inferior.......................121
Figura 4.4 – Garras de fixação da película abrasiva/provete de geossintético à
placa..........................................................................................122
Figura 4.5 – Esticador utilizado para eliminação de folgas entre o geossintético e a
placa..........................................................................................122
Figura 4.6 – Pesos aplicados à placa superior para garantir a pressão de 6 kPa sobre o
geossintético................................................................................123
Figura 4.7 – Equipamento para simulação da abrasão....................................123
ix
Figura 4.8 – Leitura do número de ciclos do ensaio de abrasão........................124
Figura 4.9 – Dimensões dos provetes a utilizar no ensaio de tracção de acordo com a
EN ISO 10319................................................................................127
Figura 4.10 – Garras utilizadas no ensaio de tracção/elongação........................127
Figura 4. 11 – Suporte do peneiro utilizado no ensaio de porometria..................128
Figura 4.12 – Preparação do provete para o ensaio de porometria.....................129
Figura 4.13 - Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria......129
Figura 4.14 – Ensaio de porometria: peneiração por via húmida (prEN ISO 12956)...130
Figura 4.15 – Medidor de caudal aplicado na rede de abastecimento de água........130
Figura 4.16 - Representação esquemática da caixa de danificação (Paula, 2003)...132
Figura 4.17 – Enchimento e compactação do solo na caixa inferior do ensaio de
danificação..................................................................................133
Figura 4.18 – Simulação da danificação no provete de geotêxtil........................133
Figura 4.19 – Fixação da película de abrasivo à placa inferior deslizante do
equipamento de abrasão..................................................................134
Figura 4.20 – Colocação do provete de geotêxtil à placa superior do equipamento de
simulação da abrasão......................................................................135
Figura 4.21 – Resultados do ensaio de porometria para provetes intactos............137
Figura 4.22 – Inspecção visual dos provetes após D.D.I...................................138
Figura 4.23 – Consequência da danificação nos provetes ensaiados à
tracção.......................................................................................139
Figura 4.24 - Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos a
danificação..................................................................................139
Figura 4.25 – Acumulação de partículas finas na estrutura do geotêxtil...............140
x
Figura 4.26 – Aspecto visual da abrasão no geotêxtil GT2................................141
Figura 4.27 – Simulação da abrasão no provete de geotêxtil GT1.......................141
Figura 4.28 – Ensaio de tracção do geotêxtil GT1 após abrasão.........................143
Figura 4.29 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à
abrasão.......................................................................................143
Figura 4.30 – Geotêxtil GT2 submetido aos ensaios de D.D.I. e abrasão...............144
Figura 4.31 – Geotêxtil GT1 submetido aos ensaios de danificação e abrasão........145
Figura 4.32 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à D.D.I. e
abrasão.......................................................................................147
Figura 4.33 – Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil
GT2...........................................................................................148
Figura 4.34 - Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil
GT1...........................................................................................148
Figura 4.35 – Variação da dimensão característica dos poros dos geotêxteis
ensaiados....................................................................................149
xi
INDICE DE QUADROS
Quadro 1.1 – Categoria para a granulometria (EN 13450)...................................6
Quadro 1. 2 – Requisitos para o material de balastro usado em via-férrea (adaptado
da EN 13450)...................................................................................7
Quadro 1.3 – Fontes de contaminação do balastro (adapatado de Selig e Waters,
1994)............................................................................................9
Quadro 1.4 – Índices de contaminação do balastro (adaptado de Selig e
Waters,1994)...................................................................................9
Quadro 1.5 - Categoria “Partículas finas” (EN 13450)......................................11
Quadro 1.6 - Categoria “Finos” (EN 13450)..................................................11
Quadro 1.7 - Classificação geotécnica dos solos (adapatado da ficha 719R da
U.I.C.).........................................................................................27
Quadro 2.1- Classificação dos geossintéticos de acordo com a sua estrutura (adaptado
de Ladeira, 1995)............................................................................30
Quadro 2.2 - Polímeros mais utilizados no fabrico de geossintéticos....................31
Quadro 2. 3 - Propriedades do polímero de base (adaptado de Ladeira, 1995)........32
Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (adaptado de
Pinto et al.,2002)............................................................................39
Quadro 2.5– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos
(continuação).................................................................................40
Quadro 2.6 - Propriedades a exigir aos geossintéticos quando usados em linhas-
férreas (adaptado de EN13250)............................................................41
xiii
Quadro 2.7 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções
com relevância para a resistência (adaptado de Koerner,1999).....................43
Quadro 2.8 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções
de permeabilidade (adaptado de Koerner,1999) .......................................44
Quadro 2.9 - Vantagens e desvantagens da utilização de filtros
granulares/geossintéticos (adaptado de Lopes, 2003).................................55
Quadro 2.10 – Valores de RR para geotêxteis (adaptado de Lopes,
2003)...........................................................................................58
Quadro 2.11 – Classificação das propriedades hidráulicas para estabilização de solos
de fundação (adaptado de Lawson, 1995)...............................................64
Quadro 2.12– Sobreposições aconselhadas de acordo com a resistência do solo de
fundação (adaptado de G.M.A.)...........................................................66
Quadro 3.1- Propriedades dos geotêxteis utilizados (adaptado de Faure e Imbert,
1996)...........................................................................................78
Quadro 3.2– Influência da aplicação de reforços na redução das cargas dinâmicas
medido 0,9m abaixo das travessas (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003) ..91
Quadro 3.3 – Principais propriedades da geogrelha aplicada..............................93
Quadro 3.4 - Propriedades dos geossintéticos utilizados por Indraratna et al.
(2002)..........................................................................................96
Quadro 3.5– Descrição dos processos de abrasão (adaptado de Raymond et al.,
1982).........................................................................................103
Quadro 3.6 – Forma e tipo de material granular a aplicar (adaptado de Braϋ,
1998).........................................................................................110
Quadro 3.7 – Condições de aplicação (adaptado de Braϋ, 1998)........................111
Quadro 3.8 – Classes de robustez do geotêxtil (adaptado de Braϋ, 1998).............111
xiv
Quadro 3.9 – Propriedades mínimas a exigir aos geotêxteis (adaptado de Braϋ,
1998).........................................................................................111
Quadro 3.10 – Coeficientes de redução a adoptar para ter em conta a DDI (adaptado
de AASHTO, 1997)..........................................................................113
Quadro 4.1 – Propriedade dos geotêxteis não-tecidos utilizados no estudo...........125
Quadro 4.2 – Programa de ensaios realizados na parte experimental..................126
Quadro 4.3 – Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes intactos...136
Quadro 4.4- Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos a
D.D.I..........................................................................................138
Quadro 4.5 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à
abrasão.......................................................................................142
Quadro 4.6 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à
abrasão e danificação durante a instalação............................................146
xv
xvi
SIMBOLOGIA
Cu - Coeficiente de uniformidade
Cc - Coeficiente de curvatura
Di - Dimensão da abertura do peneiro correspondente a i % de passados
FI - Índice de Contaminação
Pi - % de passados no peneiro nº i da série ASTM
σ1 - Tensão principal máxima
σ2 - Tensão principal intermédia
σ3 - Tensão principal mínima
ε - Extensão
Er - Módulo resiliente
N - Número de ciclos de carga aplicados
φ' - Ângulo de atrito do solo
ε1r - Extensão axial reversível
xvii
ε3r - Extensão radial reversível
σ1d - Amplitude da tensão axial
σ3d - Amplitude da tensão lateral
p - Tensão normal média
q - Tensão deviatória
εv - Extensão volumétrica
εq - Extensão distorcional
K - Módulo de compressão volumétrica
G - Módulo de distorção
ε1 - Extensão principal máxima
ε2 - Extensão principal intermédia
ε3 - Extensão principal mínima
γ - Coeficiente de anisotropia
A1 - Parâmetro do tipo razão da extensão
B - Parâmetro
xviii
ε*1p - Extensão axial permanente, retirando o valor correspondente aos 100
primeiros ciclos de carga
Ev2 - Módulo de deformabilidade obtido no ensaio de carga em placa
Tlab, corrigido - Valor da propriedade medido em laboratório após correcção
Tdimensionamento - Valor da propriedade obtido em dimensionamento
T - Resistência ao corte na interface solo-reforço
W - largura do reforço na direcção perpendicular à solicitação do reforço
L - comprimento do reforço
σ'n - tensão normal efectiva ao nível da interface solo-reforço
f - coeficiente de interface solo-reforço
fcd - coeficiente de interface em corte directo
Tl - Atrito lateral solo-geogrelha
Ts/s - Atrito solo-solo
as - fracção sólida da área superficial da geogrelha
δ - ângulo de atrito da interface solo-geogrelha
S - distância entre as barras transversais da geogrelha
xix
ab - fracção da largura W da geogrelha disponível para a mobilização da
resistência passiva
'pσ
- tensão passiva mobilizada em termos de tensões efectivas
d - menor dimensão da abertura da geogrelha
F1 - Factor de escala
F2 - Factor de forma das barras transversais
fa - Coeficiente da interface em arranque
ID - Índice de compacidade relativa
DI - Interferência entre barras da grelha
ψ - Transmissividade
k - Coeficiente de permeabilidade
t - Espessura do geotêxtil
Oi - Dimensão aparente dos poros do geotêxtil correspondente a i % de passados
i - Gradiente hidráulico
q - Caudal
∆h - Carga hidráulica
xx
∆a - Comprimento da zona filtrante
θ - Permissividade
RR - Razão de retenção
GR - Razão de gradiente
ks - Coeficiente de permeabilidade medido no solo
ksg - Coeficiente de permeabilidade medido na fronteira solo/geotêxtil
is - Gradiente hidráulico medido no solo
isg - Gradiente hidráulico medido na fronteira solo/geotêxtil
n - Porosidade do geotêxtil
xxi
CAPÍTULO 1
CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS
1.1 INTRODUÇÃO
As linhas-férreas, desde o seu aparecimento no séc.XVI, com o transporte de minérios
em Inglaterra, foram eleitas como o meio de transporte preferencial de bens,
mercadorias e pessoas. Deve-se isto ao elevado volume transportado, rapidez,
fiabilidade e economia que este tipo de transporte oferecia, face aos seus
concorrentes directos. No entanto, desde à alguns anos que o seu domínio se tem
tornado mais restrito e ameaçado pelo transporte rodoviário, e mesmo aéreo, fruto
da sua não modernização para a competitividade. Assim, o transporte ferroviário,
após um longo período de aparente esquecimento, vê-se motivado a desenvolver e
modernizar as vias, no sentido de com um aumento das velocidades de circulação,
das cargas por eixo transportadas e de uma maior cobertura espacial do território,
não perder a posição preferencial que até então ocupara.
O tipo de estrutura tradicionalmente utilizada, ainda nos dias de hoje, é a via
balastrada. Esta, é constituída por um sistema de camadas múltiplas, cada uma das
quais com funções específicas no funcionamento de toda a estrutura. Assim, ao longo
deste capítulo far-se-á uma apresentação das funções desempenhadas por cada um
dessas camadas, das características dos materiais aí utilizados e do comportamento
mecânico de toda a estrutura. São ainda feitas referências aos principais tipos de
patologias verificadas nestas estruturas, que causam a aceleração da degradação das
suas características resistentes e hidráulicas.
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
1.2 CONSTITUIÇÃO DAS LINHAS-FÉRREAS
As linhas-férreas ditas convencionais, ou balastradas, apresentam uma estrutura
normalmente subdividida em duas grandes componentes. Essas são a superestrutura e
a infraestrutura. Da superestrutura fazem parte os elementos carril, sistema de
fixação e as travessas. Estes elementos são de grande relevância para todo o sistema
na medida em que contactam directamente com o material circulante e transmitem
à infraestrututra as solicitações provenientes deste.
Na infra-estrutura, incluem-se as camadas de balastro, sub-balastro e a plataforma
ou solo de fundação onde a estrutura é apoiada. É na infraestrutura que se
processam a maioria das patologias que causam a rápida deterioração das
propriedades da linha, nomeadamente no que diz respeito ao nivelamento
longitudinal e transversal e às características geométricas do traçado em planta.
Estas patologias são de carácter essencialmente geotécnico e, como tal, merecem
um maior desenvolvimento no sentido de que melhor se compreendam os fenómenos
que aí se processam.
Seguidamente, apresenta-se na Figura 1.1 um corte esquemático de uma secção de
linha-férrea. O princípio básico de funcionamento desta estrutura é o do aumento
gradual das áreas de contacto entre cada componente para que assim se processe
uma degradação progressiva dos esforços solicitantes até tensões na plataforma,
compatíveis com a capacidade de carga do solo de fundação.
CarrilSistema de aperto Travessa
BalastroSub-Balastro
Solo Compactado
Solo de Fundação
Figura 1.1 - Corte esquemático de uma secção de linha-férrea.
1.3 SUPERESTRUTURA
Não sendo âmbito deste trabalho a descrição detalhada desta parte da estrutura
apenas se faz uma breve referência no sentido de compreender as funções
desempenhadas por cada componente.
2
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Relativamente aos carris, a sua função é de guiar lateralmente o material circulante
(comboios), providenciando uma superfície de rolamento lisa capaz de distribuir as
forças de aceleração e travagem, transmitindo simultaneamente as cargas
verticalmente para as travessas. A sua geometria é completamente definida pela
U.I.C. (Union Internationale des Chemins de Fer) surgindo um perfil designado UIC,
sucedido de uma numeração que identifica o seu peso por unidade de comprimento.
A escolha do seu peso por unidade de comprimento é feita de acordo com a
tonelagem média diária que a linha-férrea serve e dos intervalos de manutenção de
que é alvo.
O sistema de aperto fixa o carril à travessa, sendo interposto entre estes dois uma
palmilha de material elastómero, com a função de absorver parte das vibrações
produzidas durante a circulação dos comboios.
As travessas transmitem as cargas provenientes do carril para a camada de balastro,
tão uniformemente quanto possível, constituindo ao mesmo tempo uma base de
suporte e de fixação do carril. Devem ainda isolar electricamente os dois carris. As
travessas podem normalmente ser constituídas por madeira ou betão, sendo a opção
por um destes materiais feita de acordo com o tipo de solicitações, de factores
económicos, ambientais e técnicos. Dados os avanços realizados nas tecnologias de
betão armado e pré-esforçado, as travessas de betão aparecem com alguma
vantagem decorrente essencialmente da rapidez de fabrico, resistência ao corte e
maior resistência ao ataque biológico.
1.4 INFRAESTRUTURA
1.4.1 Camada de Balastro
A camada de balastro é constituída por material granular, com uma espessura
variável geralmente entre os 25 e os 30cm, sendo o desempenho das suas funções de
especial importância para o correcto funcionamento de toda a estrutura. As
principais funções que geralmente lhe estão atribuídas são:
suportar os componentes que constituem a superestrutura, mantendo-os nas
suas respectivas posições, ao mesmo tempo que garante a degradação das
cargas que lhe são transmitidas pelas travessas;
drenagem das águas chegadas à plataforma para valas ou drenos laterais, e
garantir a protecção contra os efeitos do gelo;
3
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
garantir resiliência e absorção de energia, para que se dê o eficaz
amortecimento das vibrações produzidas pela passagem dos comboios;
permitir, através de operações de manutenção, a correcção, tanto
longitudinal como transversal, da geometria da via;
garantir a estabilidade longitudinal e transversal da via.
Para o adequado desempenho de todas estas funções, assume especial relevância a
granulometria dos agregados utilizados, já que devem ser compatibilizadas funções
resistentes com funções drenantes. Estas duas funções são, no que respeita aos seus
requisitos, contraditórias, já que se por um lado a granulometria deve ser contínua
para garantir maior resistência às solicitações do tráfego deve, por outro lado,
apresentar alguma descontinuidade para garantir melhores condições de escoamento
das águas chegadas à plataforma.
Além da granulometria, outras características devem ser consideradas nas partículas
de balastro. Quando se fala de características é essencial que sejam feitas análises
quer ao nível das partículas, quer ao nível de todo o material na camada da
estrutura. Os ensaios de simples caracterização das partículas servem propósitos de
classificações empíricas, sendo úteis para a caracterização do material ao nível da
extracção e da central de produção. Contudo são manifestamente insuficientes para
caracterizar o comportamento do material integral (Correia, 2003).
Assim, veja-se numa primeira abordagem a caracterização das partículas e
seguidamente o comportamento de toda a camada de balastro.
1.4.1.1 Características das partículas de balastro
A granulometria das partículas obtém-se por peneiração e representa-se,
geralmente, sob a forma de uma curva granulométrica, que relaciona, num sistema
de coordenadas rectangulares, a percentagem do material passado em cada peneiro
com o logaritmo da dimensão da abertura do peneiro.
Na Figura 1.2 pode ver-se a classificação dos materiais em função das curvas
granulométricas que apresentam. Assim, na curva 1 é representado um material com
granulometria extensa (com elementos de vários tamanhos e que geralmente
propiciam maior imbricamento entre partículas), na curva 2 uma material com
granulometria uniforme - típica de um material de balastro - (constituída
4
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
maioritariamente por partículas mais ou menos com o mesmo tamanho) e na curva 3
um material mal graduado (com falta de partículas de determinado tamanho).
Figura 1.2 – Curvas granulométricas (Correia, 1980).
Existem dois parâmetros, que podem ser obtidos a partir da curva granulométrica, e
que ajudam a caracterizar as suas diferenças. Estes são:
o coeficiente de uniformidade, Cu, expresso pela relação
10
60
DD
Cu = (1.1)
e o coeficiente de curvatura, Cc, expresso pela relação
6010
230
DDD
Cc = (1.2)
em que D10, D30 e D60 são os diâmetros correspondentes, respectivamente a 10, 30 e
60% de passados. Valores de Cu a partir de 4 ou 5 denotam solos bem graduados,
sendo o solo uniforme para Cu igual à unidade. Para valores de Cc entre 1 e 3 o solo
será bem graduado.
5
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
No que respeita à curva granulométrica de um balastro, tendo em conta as
propriedades drenantes da camada, a bibliografia da especialidade parece ser
consensual em que se deva usar uma granulometria grosseira uniforme, para que esta
camada adquira propriedades auto-drenantes, ou seja, que a água que chega à
plataforma seja escoada lateralmente através da camada de balastro sem que
ocorram infiltrações para as camadas inferiores. Como se pode ver no Quadro 1.1,
são apresentadas as categorias, definidas na EN 13450 – “Agregados para balastro da
via-férrea”, relativas às curvas granulométricas que um balastro para via-férrea deve
possuir, onde se constata a efectiva exigência de uma granulometria descontínua
para o material de balastro.
Quadro 1.1 – Categoria para a granulometria (EN 13450).
Balastro de via férrea de dimensão
31,5 mm a 50 mm
Balastro de via férrea de dimensão
31,5 mm a 63 mm Percentagem que passa, em massa
Categoria “Granulometria”
Abertura do peneiro (mm)
A B C D E F 80 100 100 100 100 100 100 63 100 97 a 100 95 a 100 97 a 99 95 a 99 93 a 99 50 70 a 99 70 a 99 70 a 99 65 a 99 55 a 99 45 a 70 40 30 a 65 30 a 70 25 a 75 30 a 65 25 a 55 15 a 40
31,5 1 a 25 1 a 25 1 a 25 1 a 25 1 a 25 0 a 7 22,4 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 3 0 a 7
31,5 a 50 ≥50 ≥50 ≥50 - - - 31,5 a 63 - - - ≥50 ≥50 ≥85
Um estudo Europeu realizado pela ORE (Office for Research and Experiments) sobre
as características de deformação do balastro, com carregamentos em amostras
confinadas por anéis metálicos, indicou que o módulo de elasticidade da amostra é
maior para partículas equidimensionais do que para partículas achatadas. Verifica-se
ainda que as partículas de forma achatada ou alongada dificultam as operações de
compactação, pelo que as partículas devem ser predominantemente do tipo
equidimensional.
Vallerga et al. (1975) realizou ensaios triaxiais sobre amostras de material granular
anguloso e rolado, chegando à conclusão de que o material angular oferece maior
resistência ao corte que o rolado.
Thom e Brown (1988 e 1989) mostram nos seus estudos, sobre as características
superficiais do agregado, que o aumento do atrito superficial das faces das partículas
causa um aumento do módulo de resiliência do agregado. Mostram ainda que o
aumento da rugosidade superficial das partículas provoca uma maior resistência às
6
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
deformações plásticas sob a acção de cargas repetidas. Por último, verifica-se que o
aumento da angularidade das partículas e da sua rugosidade superficial aumenta a
resistência ao corte da amostra. Esta angularidade é ainda favorável à dissipação de
energia por atrito interno entre grãos, garantindo assim o eficaz amortecimento das
vibrações produzidas pelo tráfego ferroviário. Este amortecimento de vibrações será
tanto maior quanto mais espessa for a camada constituída por este material.
Até ao ano de 2003 as especificações para a aceitação de um balastro para via-férrea
eram definidas a nível nacional pelas companhias de caminhos-de-ferro, em Portugal
pela CP através da instrução técnica IT/DIF/01/75, AREA (1988). Em Dezembro de
2002, surge a norma europeia EN13450 – “Agregados para balastro da via-férrea”,
que prevê a sua adopção por todos os países da União Europeia como norma nacional
até Junho de 2003, revogando qualquer norma nacional existente, o mais tardar até
Junho de 2004. A referida norma especifica as propriedades dos agregados obtidos
por processos naturais ou artificiais ou materiais britados reciclados para a utilização
na construção de linhas-férreas. As propriedades aí referidas abrangem requisitos
geométricos, físicos e de limpeza, cada um destes com os seus critérios, de acordo
com o indicado no Quadro 1.2.
Cada uma destas propriedades permite enquadrar o material numa categoria, de
acordo com a norma, que deverá ser especificada pelo produtor quando este fornece
o material.
Quadro 1. 2 – Requisitos para o material de balastro usado em via-férrea (adaptado da EN 13450).
Requisito Critério
Geométrico
Análise granulométrica Dimensão do balastro da via férrea Partículas finas Finos Forma das partículas (índice de achatamento) Comprimento das partículas
Resistência à fragmentação (ensaio de Los Angeles) Resistência ao desgaste (ensaio de Micro-Deval)
Resistência ao gelo/degelo Densidade das partículas Absorção de água
Físico Durabilidade
“Sonnenbrand” Limpeza Componentes prejudiciais
As propriedades mecânicas do balastro resultam de uma combinação das
propriedades físicas das partículas e do seu desempenho dentro da camada. Um dos
parâmetros que controla o funcionamento da camada é o estado de colocação,
7
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
nomeadamente a sua compacidade “in situ” inicial, sendo esta controlada por acções
de compactação.
Quando em serviço, as características do material vão-se alterando, adquirindo
progressivamente maior compacidade, mudando inclusivé as propriedades do próprio
material de balastro. Esta mudança das propriedades são o resultado de :
degradação mecânica, em consequência de trabalhos de construção e
manutenção, bem como das acções cíclicas do tráfego circulante;
degradação química e mecânica como resultado de factores ambientais;
migração de partículas finas a partir da superfície e de camadas inferiores.
Esta alteração das propriedades do balastro dá origem a um fenómeno vulgarmente
designado por contaminação, o qual merece maior desenvolvimento para melhor
compreensão das suas fontes e consequências no comportamento da camada.
Contaminação do balastro
Designa-se por contaminação do balastro a presença neste de partículas com
dimensão inferior a 6mm de diâmetro. Aquando da colocação inicial do balastro na
estrutura, é normal que uma reduzida percentagem (1 a 2%) destas pequenas
partículas esteja já presente no material. No entanto, com a progressiva utilização
da via pela passagem de tráfego, essa percentagem tende a aumentar, em maior ou
menor grau, consoante as condições verificadas no local. A progressão da
contaminação do balastro pode ter várias fontes que actuam isolada ou
conjuntamente. Das cinco fontes de contaminação apresentadas no Quadro 1.3,
aquela que acontece, com maior ou menor intensidade, mesmo nos casos em que
todas as restantes estruturas que compõem a via funcionem de acordo com o
previsto, é a degradação do balastro. A degradação do balastro nem sempre é mais
intensa por baixo das travessas, isto por causa da acção mecânica dos agentes
atmosféricos (gelo/degelo e as altas temperaturas), das acções de manutenção –
tamping - e também porque as partículas finas “contaminantes” migram devido às
acções vibratórias causadas pelo tráfego e circulação de água.
8
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Quadro 1.3 – Fontes de contaminação do balastro (adaptado de Selig e Waters, 1994).
Fonte Origem a) Operações de extracção, transporte, manuseamento e deposição b)Aumento de tensão quando exposto a altas temperaturas (deserto) c)Tensões internas devido ao congelamento de água nos seus poros d)Agentes químicos (incluindo chuvas ácidas) e)Acções de manutenção (“tamping”) f)Acções induzidas pelo tráfego: cargas repetidas, vibrações, acção hidráulica da lama produzida
Degradação do balastro
g) Máquinas de compactação a)Aquando do fornecimento b)Partículas caídas dos comboios c)Trazidas pelo vento e água
Infiltração a partir da superfície do balastro
d)Salpicos de locais molhados adjacentes Travessas Desgaste das travessas
a)A partir de balastro antigo, quando em obras de reabilitação Camadas granulares inferiores b)A partir do sub-balastro, quando este não apresenta a
granulometria adequada à função que desempenha Fundação Infiltração a partir da fundação
Note-se que a contaminação pode por em causa as capacidades de drenagem do
balastro (Quadro 1.4), na medida em que os vazios nele existentes são preenchidos
pelos finos contaminantes, reduzindo assim a sua condutividade hidráulica, bem
como as suas características de resistência. Isto porque os finos, na presença de
água, dão origem a uma lama erosiva que causa a degradação prematura (por
aumento do atrito entre os grãos) das partículas do balastro.
Quadro 1.4 – Índices de contaminação do balastro (adaptado de Selig e Waters,1994).
Classe de contaminação do balastro Índice de contaminação (FI) Condutividade hidráulica do
balastro K(mm/s) Limpo <1 25-50 Moderadamente limpo 1-9 2,5-25 Moderadamente contaminado 10-19 1,5-2,5 Contaminado 20-39 0,005-1,5 Altamente contaminado >39 <0,005
Para além da formação da referida lama erosiva, é importante conhecer a origem dos
finos, isto porque, num estudo realizado por Kalcheff (1974) sobre a influência do
tipo de finos no comportamento mecânico de agregados granulares, mostra-se que a
presença de finos do tipo plástico lubrifica as partículas de maiores dimensões,
traduzindo-se isto em reduções da resistência ao corte (de pico) e aumento da
deformação na rotura para os agregados granulares, conforme se pode observar na
Figura1.3.
9
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
ε1
Plástico
Não Plástico
σ1−σ3
Figura 1.3 - Influência do tipo de finos no comportamento mecânico do balastro (adaptado de Kalcheff,
1974).
Selig e Waters (1994) aconselham a quantificação da contaminação do balastro a
partir da sua curva granulométrica, pelo peso em finos. As curvas granulométricas
estudadas foram resultantes de amostras de balastro recolhidas em vários locais nos
E.U.A.. Com base nesta informação, foram identificados desde balastro limpo a
altamente contaminado, tendo-lhes sido atribuído o índice de contaminação FI
(Fouling Index) a partir do seguinte critério:
FI=P4+P200 (1.3)
em que: P4 é a percentagem de passados no peneiro nº4 (4,75mm) da série ASTM e
P200 é a percentagem de passados no peneiro nº200 (0,075mm), também da mesma
série. As classes de contaminação referidas estão indicadas no Quadro 1.4, onde se
pode também verificar a relção do referido índice de contaminação com a
condutividade hidráulica do balastro.
No que diz respeito à fonte de contaminação proveniente de camadas granulares
inferiores ao balastro, que dada a sua localização se tenderá a chamar de camada de
sub-balastro, há a distinguir dois casos, o caso de obras de reabilitação e o de obras
novas.
No primeiro caso, o de obras de reabilitação, é prática corrente aproveitar o balastro
antigo para fundação da nova via, isto porque esse material pelo facto de ter sido
sujeito às acções do tráfego (cargas repetidas com vibrações) apresenta uma elevada
compacidade, logo uma maior resistência e menor deformabilidade, funcionando
pela posição que ocupa, como camada de sub-balastro para o novo balastro a
utilizar. Todos estes factores contribuem para um melhor desempenho da via, no
10
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
entanto, se não for acautelada uma medida de prevenção quanto à contaminação da
nova camada de balastro por camadas inferiores, como a utilização de geossintéticos
ou solos especificamente graduados para o efeito, pode gerar-se um efeito acelerado
da degradação mecânica do novo balastro.
No segundo caso, em obras novas, é comum utilizar-se uma camada de sub-balastro
que funcione como filtro, com uma granulometria definida em função do solo de
fundação e do balastro. Esta função pode também ser desempenhada por
geossintéticos, por estabilização do solo de fundação ou pela criação de uma camada
impermeável, por exemplo com betão betuminoso.
A quantidade de partículas finas e finos (contaminação) ao nível das operações de
extracção, transporte, manuseamento e deposição, é classificada em categorias na
norma EN 13450 (Quadros 1.5 e 1.6) e que devem ser especificadas pelo produtor no
fornecimento do balastro.
Quadro 1.5 - Categoria “Partículas finas” (EN 13450).
Percentagem máxima que passa, em massa Categoria “Partículas finas” Abertura do
peneiro (mm) A B Declarada C
0,5 0,6 1,0 >1,0 Sem requisitos
Quadro 1.6 - Categoria “Finos” (EN 13450).
Percentagem máxima que passa, em massa Categoria “Conteúdo em finos” Abertura do
peneiro (mm) A B C Declarada D
0,063 0,5 1,0 1,5 >1,5 Sem requisitos
1.4.1.2 Comportamento mecânico do balastro na camada da estrutura
O comportamento mecânico dos materiais granulares e dos solos, quando submetidos
a carregamentos cíclicos, é complexo e depende, entre outros factores, do estado de
tensão e deformação, coeficiente de Poisson, história de tensões, frequência e
amplitude de carregamento, número de ciclos de carregamento, compacidade e tipo
de agregado, anisotropia, sucção e teor em água (Neves, 2001).
O comportamento mecânico dos agregados não ligados das vias férreas deve ser
analisado sob três aspectos: resistência mecânica, rigidez e resistência às
deformações permanentes. Destes aspectos, a resistência mecânica é aparentemente
a menos considerada, visto que numa estrutura ferroviária o material raramente
11
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
rompe sob uma carga monotónica (um único carregamento), mas antes sob a acção
repetida de várias cargas rolantes.
Os aspectos mais estudados têm sido, de facto, a rigidez (comportamento reversível)
e o comportamento do material às deformações permanentes sob a acção das cargas
rolantes, de carácter cíclico, por serem aqueles que são considerados nos métodos de
análise estrutural da via-férrea.
Sob a acção de cargas repetidas, o material granular tem um comportamento não
linear, e muito diferente do mesmo material sob a acção de cargas monotónicas
(Figura 1.4).
Extensão
Tensão
Figura 1.4 – Curva típica do comportamento tensão/extensão de materiais granulares, obtida num ensaio
triaxial convencional (adaptado de Nunes, 1991).
Boyce (1980) considerou que a deformação dum material granular faz intervir o
atrito, o deslizamento e a deformação das partículas nos pontos de contacto, o que
explica o comportamento não linear. No primeiro ciclo de carga desenvolvem-se
rapidamente no balastro deformações que apenas são recuperadas parcialmente após
descarga. Cada ciclo adicional de carga contribui para outro incremento das
deformações plásticas ou permanentes, como se pode observar na Figura 1.5.
12
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Extensão vertical
Densificação
Dim
inui
ção
de v
olum
e 0
0
σ1-σ
3
σ1-σ3
σ3
σ3
Figura 1.5 - Resposta típica do balastro num ensaio triaxial cíclico (adaptado de Selig e Waters, 1994).
A magnitude destes incrementos das deformações plásticas geralmente diminui com
o aumento do número de ciclos, chegando-se a um ponto, com algumas centenas de
ciclos, em que as deformações se tornam quase totalmente recuperadas e tomam a
designação de reversíveis.
Comportamento elástico ou resiliente
Define-se resiliência como a propriedade física de um material, de conseguir
regressar ao seu estado inicial, após deformação, não excedendo o seu limite de
elasticidade.
A diferença entre a extensão sob carga de pico e a extensão permanente, após cada
ciclo de carga, é chamada a extensão resiliente, recuperável ou reversível. Assim
define-se módulo de resiliência como a razão entre a tensão deviatória (σ1-σ3) e a
extensão de resiliência (Figura 1.6).
13
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
σ1-σ3
0ε
Estensão permanente
Extensão resiliente
Er
Figura 1.6 - Comportamento elasto-plástico do balastro em carregamentos cíclicos.
Após carregamentos repetidos, sob a acção de uma mesma carga, longe da rotura, as
extensões resilientes permanecem aproximadamente constantes, e o material
comporta-se elasticamente. Nota-se no entanto que, conforme o ciclo de
carregamento muda (descarga parcial, total, ou reversível), também o módulo de
resiliência muda. Na Figura 1.7 pode ver-se que quando o ciclo de carregamento vai
de descarga parcial a reversível, passando por total, o módulo de resiliência diminui,
mantendo-se durante isto, o valor da tensão de corte constante (Stewart, 1982).
Extensão axial ε1
ReversívelDescarga total
Descarga parcial
Módulo Resiliente Er
deviatória (σ1-σ3)
0
Tensão
Figura 1.7 – Efeito do tipo de descarga no módulo de resiliência (adaptado de Stewart, 1982).
14
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Para o mesmo nível de tensão, o módulo reversível cresce com o aumento do índice
de vazios relativo, com o aumento da angularidade das partículas e da rugosidade das
suas faces e com a diminuição do grau de saturação. Por outro lado, o coeficiente
Poisson é pouco influenciado pelo índice de vazios relativo e geralmente diminui com
o aumento do grau de saturação (Hicks, 1970)
Os balastros de granulometria uniforme com partículas de menores dimensões
apresentam, geralmente, valores do módulo reversível mais baixos. Os balastros com
partículas de maiores dimensões, de granulometria uniforme e contínua têm,
aproximadamente, o mesmo módulo reversível (Raymond e Roney, 1978)
Comportamento plástico
Os trabalhos relativamente às deformações permanentes não são tão abundantes
quanto os relativos ao comportamento reversível. Entre os factores que contribuem
para que assim seja, podem salientar-se os seguintes:
- para o estudo das deformações permanentes é necessário ensaiar um novo provete
para cada trajectória de tensões aplicada, enquanto que o estudo do
comportamento reversível pode ser feito sobre o mesmo provete, aplicando-se
diversas trajectórias de tensão;
- a morosidade dos ensaios para estudo das deformações permanentes por
implicarem a aplicação de um elevado número de ciclos de carregamento;
- o facto de a maior parte dos métodos de análise estrutural utilizarem apenas as
propriedades elásticas dos materiais (Nunes, 1991).
O comportamento do material é não elástico, uma vez que as curvas de carga não
coincidem com as de descarga, dando-se a este fenómeno o nome de histerese do
material.
Note-se que a consideração de modelos elastoplásticos para os materiais de balastro
deverá considerar a forte dependência da resistência destes materiais com o estado
de tensão, como se ilustra na Figura 1.8 (Correia, 2003).
15
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
800
Diferentes tipos de balastros
0
40
0
50
60
400200
Tensão de confinamento (σ'3) em kPa
600
70
( ')
1000
Figura 1.8 – Influência da tensão de confinamento no ângulo de atrito para diferentes tipos de balastros
(adaptado de Correia, 2003).
O valor cumulativo das deformações verticais permanentes é também ele muito
dependente do estado de tensão e do valor da tensão deviatória. Assim, como é
visível na Figura 1.9 (Seed et al., 1967; 1971 e 1972), o valor destas deformações
aumenta com o aumento do número de ciclos de carga aplicado, sendo este agravado
quando a razão (σ1-σ3)/ σ3 aumenta.
1 10 100 1 000 10 000
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Aumento da razão de tensão
Número de ciclos de carga, N
Exte
nsão
(%
)
Figura 1.9 – Efeito da razão tensão deviatória/tensão de confinamento no valor das extensões
permanentes (adaptado de Selig e Waters, 1994).
16
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Relativamente à forma das partículas, materiais com partículas angulares e faces
rugosas resistem melhor às deformações permanentes que os de partículas
arredondadas.
Os balastros de granulometria contínua apresentam melhor comportamento em
termos de deformações permanentes do que os de granulometria uniforme. Este
efeito é mais pronunciado nos agregados de maior dureza quando sujeitos a níveis de
tensão elevados, para os quais se verifica a rotura dos materiais de granulometria
uniforme. Nos de granulometria uniforme, são os constituídos por partículas de
menores dimensões, aqueles que se deformam menos, para níveis de tensão
afastados da rotura (Raymond e Roney, 1978).
1.4.1.3 Modelação do comportamento do balastro
Os ensaios de caracterização do material integral compreendem os ensaios de
identificação (granulometria e compactação) e os ensaios relacionados com o seu
comportamento na camada, quer em termos mecânicos, quer em termos hidráulicos.
Dentro destes ensaios, interessam sobretudo os ensaios que permitem obter relações
tensoriais e não escalares como é o caso dos ensaios de simples caracterização.
Anote-se desde já as dificuldades na obtenção dessas relações tensoriais, em virtude
de estas dependerem de vários factores como sejam a compacidade relativa, o teor
em água e os estados de tensão e deformação.
Ensaios triaxiais cíclicos
Grande parte da informação disponível sobre o comportamento mecânico do material
granular, no qual se inclui o balastro, resulta de ensaios laboratoriais, consequência
dos elevados custos associados aos ensaios de campo, bem como da dificuldade de
controlar, em campo, todas as variáveis existentes. Os resultados destes ensaios
laboratoriais possibilitam o estabelecimento de modelos de comportamento do
material, podendo estes ser posteriormente utilizados na modelação de estruturas e
no seu respectivo dimensionamento.
Os aspectos do comportamento mecânico do material granular têm sido
estabelecidos através de ensaios triaxiais de precisão de cargas cíclicas, os quais
permitem obter parâmetros para a modelação do comportamento não linear do
material e para o dimensionamento da estrutura. Estes ensaios triaxiais apresentam,
contudo, algumas modificações em relação ao ensaio triaxial clássico utilizado para
17
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
obtenção dos parâmetros de resistência ao corte. Estas modificações envolvem a
utilização de medições internas na câmara triaxial, como sejam a força axial e a
pressão lateral ou de confinamento. Além disso, requer sistemas de precisão para
medição das deformações montados directamente na amostra a ensaiar, para leitura
das suas extensões, quer axiais quer radiais, da ordem de 10-6.
O sistema de carregamento deve preferencialmente poder variar, em fase, a tensão
deviatória e a tensão de confinamento, permitindo assim a realização de ensaios a
tensão lateral variável (TLV), mais representativos que os ensaios a tensão lateral
constante (TLC), em que apenas a tensão lateral é variável.
- Comportamento reversível
A modelação do comportamento reversível pode ser feita, na hipótese de
comportamento elástico e linear, recorrendo à lei de Hooke generalizada(1.4):
drddr
ddddrE
333111
131
2)()2)((
σεσσεσσσσ
−++−
= (1.4)
onde:
Er [MPa] Módulo reversível dependente do estado de tensão ε1r [-] Extensão axial reversível ε 3r [-] Extensão radial reversível σ1d [KPa] Amplitude da tensão axial σ3d [KPa] Amplitude da tensão lateral
No caso de se considerar um comportamento plástico não linear, mais realista para
os materiais granulares, poder-se-á utilizar o modelo proposto por Boyce(1980),
considerando o material isotrópico . Este modelo utiliza as seguintes variáveis:
tensão normal média
32 31 σσ +
=p
tensão deviatória
(1.5)
31 σσ −=q (1.6)
18
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
extensão volumétrica
31 2εεε +=v
(1.7)
extensão distorcional
)(32
31 εεε −=q
(1.8)
O modelo de Boyce pode ser expresso em termos do módulo de compressão
volumétrica (K), e do módulo de distorção (G), do seguinte modo:
v
pK
ε= (1.9)
q
qG
ε3= (1.10)
Os valores de K e G, expressos em termos secantes, dependem do estado de tensão
através das seguintes relações:
2
1
6
)1(1 ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−+
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=
−
p
q
G
n
k
p
p
K
aa
n
a (1.11)
n
aa p
pGG
−
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
1
(1.12)
Tais expressões traduzem as relações tensões-extensões seguintes:
19
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−+= −
2
1 6)1(
11
pq
GKn
pp
K a
an
a
n
avε (1.13)
pq
pp
G na
n
aq 13
1−=ε (1.14)
Este modelo foi posteriormente modificado para poder contemplar o comportamento
anisotrópico exibido por alguns materiais (Hornich et al.,1980). Tal modificação
consistiu na introdução de um coeficiente de anisotropia γ, afectando assim as
variáveis:
32 31* σγσ +
=p (1.15)
)( 31* σγσ −=q (1.16)
31* 2εγε
ε +=v (1.17)
)(32
31* εγε
ε −=q (1.18)
As expressões dos módulos secantes virão então:
2
*
*
1*
*
6)1(1 ⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛−+
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=
−
pq
Gn
k
pp
K
aa
n
a (1.19)
20
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
n
aa p
pGG−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
1** (1.20)
Tais equações traduzem as relações tensões-extensões seguintes:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−+= −
2
*
*
1
**
6)1(
11
pq
GKn
pp
K a
an
a
n
avε (1.21)
*
*
1
**
31
pq
pp
G na
n
aq −=ε (1.22)
A consideração da anisotropia do material na modelação, mostrou melhorias
significativas em relação aos resultados do ensaio triaxial com tensão lateral variável
(Correia, 2000).
A validação do modelo anisotrópico foi feita com sucesso na aplicação na modelação
de duas estruturas de pavimento flexível instrumentadas para o efeito (Neves, 2002).
- Comportamento plástico
Para a modelação das deformações permanentes poder-se-á utilizar o modelo
proposto por Paute et al. (1994):
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−=−B
p
NAN
1001)( 1
*1ε (1.23)
onde:
A1 Parâmetro do tipo razão de extensão B Parâmetro ε1p
* Extensão axial permanente, retirando o valor correspondente aos 100 primeiros ciclos
N número de ciclos
21
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
1.4.2 Sub-Balastro
O sub-balastro é a camada que sucede ao balastro, no sentido descendente, e que
contacta directamente com a plataforma/solo de fundação. Esta camada cumpre
funções que se incluem nas da camada de balastro e que são: degradação de cargas
para níveis de tensão compatíveis com a capacidade de carga da fundação, e
fornecer protecção contra os efeitos do gelo/degelo na plataforma. As vantagens da
utilização desta camada para o cumprimento destas funções são de natureza
económica, porque sendo este material mais barato reduz-se a espessura necessária
de balastro. Adicionalmente a estas funções, a presença desta camada torna-se
imperativa no cumprimento de outras funções específicas, não compatíveis com o
material da camada de balastro, e que são:
prevenir a interpenetração do balastro no plataforma (função de separação) e
evitar, na presença de água, o fenómeno de bombeamento de lama, sob a
acção das cargas do tráfego;
prevenir a subida de finos a partir da plataforma (função de filtro);
criação de uma fronteira de menor permeabilidade, com inclinação
transversal, capaz de garantir o escoamento lateral das águas da plataforma.
Como se referiu, esta camada desempenha funções de filtro e de separação ao
mesmo tempo que serve de camada estrutural, contando a sua espessura,
normalmente de 10 cm, para a degradação das cargas do tráfego ferroviário.
Para que esta possa ser considerada uma camada estrutural, deve apresentar as
características de resistência necessárias, nomeadamente um módulo de resiliência
bastante elevado e resistência às deformações permanentes. Estas propriedades
devem ser análogas às estudadas para a camada de balastro.
O tipo de material correntemente utilizado para a camada de sub-balastro é do tipo
AGE (Agregado de Granulometria Extensa) ou, como também é comum designá-lo,
“Tout Venant”. A sua granulometria deve ser contínua, e com as dimensões
adequadas ao desempenho das funções de filtro e separação, normalmente 5/40 mm,
compatibilizando os requisitos das duas camadas com que contacta, o balastro e a
plataforma. No desempenho destas funções, a camada de sub-balastro deve, por um
lado apresentar a permeabilidade suficiente para que não fique saturada e não se
desenvolvam excessos de pressão intersticial por acção das cargas cíclicas; esta
22
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
saturação com desenvolvimento de aumento de pressão intersticial pode ter
consequências gravosas na rápida acumulação das deformações verticais
permanentes, como se pode ver na Figura 1.10, pelos resultados de um estudo
laboratorial sobre materiais granulares que variam desde material de alta qualidade
(G1): rocha britada bem compactada sem finos plásticos; a (G4): cascalho com areia
e finos, submetidos à acção de cargas cíclicas; por outro lado, deve apresentar uma
permeabilidade inferior à da camada de balastro, no sentido de garantir o
escoamento das águas da plataforma para drenos laterais, sem que se dêm
infiltrações para o solo de fundação.
Adição de água
G3
Def
orm
açõe
s pe
rman
ente
s (m
m)
0Número de ciclos de carga
10
20
Adição de água
Remoção de água
G4
G1
G2
Figura 1.10 – Influência da presença de água nas deformações permanentes de materiais granulares
(adaptado de Selig e Waters, 1994).
Adicionalmente, deve isolar a camada de balastro do solo de fundação, garantindo
que não existe interpenetração entre as duas camadas, evitando assim fenómenos de
contaminação e o rápido desenvolvimento de deformações permanentes.
Função de separação
A camada de sub-balastro deve garantir que não exista interpenetração do balastro
na plataforma, ao mesmo tempo que deve prevenir a subida de finos a partir da
fundação. Esta subida de finos pode ocorrer independentemente da humidade da
plataforma, a partir de três fontes:
1. da drenagem do nível freático, transportando partículas de solo,
23
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
2. da bombagem hidráulica da lama resultante do atrito entre o balastro a
plataforma,
3. da bombagem de lama a partir da abertura e fecho de fendas e fissuras na
fundação.
Os critérios utilizados para a função de separação são os seguintes:
D15(filtro) ≤ 5 D85(solo a proteger) (1.24)
D50(filtro) ≤ 25 D50(solo a proteger) (1.25)
em que Dn é a dimensão da abertura do peneiro com n % de passados, em peso.
Estes critérios foram obtidos a partir da experiência, pelos United States Corps of
Engineers. O normal dimensionamento de filtros, apenas contempla critérios
associados ao fluxo de água, ao passo que a situação real é de cargas cíclicas, daí o
peso da experiência e do empirismo, dado a estes critérios.
Função de drenagem
Dado que o balastro tem uma granulometria grosseira e descontínua, e é por isso
auto drenante, a grande maioria da água que chega à plataforma vinda da
superestrutura é imediatamente drenada lateralmente. A restante chega até ao sub-
balastro, que sendo uma camada de menor permeabilidade a deve conduzir ao
escoamento lateral. Para que assim funcione, o sub-balastro deve possuir uma
permeabilidade, no mínimo, com uma ordem de grandeza inferior à do balastro, e
uma superfície regular com pendente no sentido da drenagem lateral para fora da
plataforma.
Os requisitos de permeabilidade serão provavelmente conseguidos com as duas
equações referentes à função de separação. No entanto, um critério adicional surge
na sequência destes dois:
D15(filtro)> 4 ou 5 D15 (solo a drenar) (1.26)
Note-se que na ausência desta camada, é expectável que o esforço de manutenção
seja bastante elevado, a não ser que as funções específicas que lhe estavam
24
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
atribuídas sejam cumpridas por outro material. Alternativamente à camada de sub-
balastro podem utilizar-se soluções como:
estabilização do solo local de fundação com cal, cimento ou betume asfáltico;
camada de betão betuminoso;
geossintéticos.
1.4.3 Plataforma
A plataforma é a última componente da infra-estrutura, onde assentam todos os
outros componentes. A sua base deve ser convenientemente preparada e
regularizada para que apresente as características necessárias ao armamento da via.
A solução utilizada na plataforma será, caso estejamos perante um aterro, a
utilização de materiais do corpo do aterro, naturalmente com um grau de
compactação superior, constituindo então o que é designado por camada de forma.
Caso estejamos em escavação, a solução será adoptada consoante o tipo de terreno
encontrado no local:
- se o terreno natural apresentar as características de resistência exigidas, bastará
uma regularização desse mesmo terreno;
- se o terreno for um solo de má qualidade (com falta de capacidade de carga), este
deve ser estabilizado mecânica (compactação) ou quimicamente (ligantes
hidráulicos); em casos extremos, de elevados custos, pode também ser ponderada a
solução de substituição de uma camada superficial solo por outro de melhores
características.
A plataforma da via é onde surgem muitas vezes os problemas que se traduzem ao
nível da via, como desalinhamentos e assentamentos diferenciais. Isto surge como
consequência deste tipo de infraestrutura ter um desenvolimento linear (à
semelhança da rodovia) e como tal abranger diversas zonas com distintas
características geotécnicas.
A abordagem a esta componente é necessariamente diferente quando se tratam
obras novas ou já existentes. No caso de obras novas, o dimensionamento é função
da tonelagem média diária, carga por eixo, tipo e afastamento das travessas e
espessura das camadas de balastro e de sub-balastro. É então exigida uma análise,
25
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
para dimensionamento, em termos dos seguintes parâmetros: tipo de solo, condições
hidrogeológicas e resistência mecânica. Quando a via já existe e lhe é imposta uma
condição de tráfego diferente (maiores cargas por eixo, maior tonelagem diária,
maiores velocidades de circulação) daquela para a qual foi dimensionada, ou seja,
uma reabilitação, toda a anterior análise feita para novas vias não é realizada, isto
porque a parte inferior do sub-balastro e a parte superior da plataforma se
encontram já com um grau de compactação bastante elevado, devendo somente ser
remexidos em caso de detecção de problemas concretos no terreno.
As funções que a plataforma deve desempenhar para garantir condições de
segurança, comodidade e economia, e baixos custos de manutenção são as seguintes:
- fornecer uma superfície regular, com inclinação transversal, no sentido do
escoamento das águas para o exterior da plataforma;
- oferecer as características de resistência necessárias para suster as cargas que lhe
são impostas;
- sob a acção destas cargas (cíclicas), oferecer resistência às deformações
permanentes.
Quando na presença de um terreno natural deve ser feita uma classificação
geotécnica do solo aí presente, bem como a identificação das suas condições
hidrogeológicas.
Classificação geotécnica dos solos
As classificações geotécnicas usadas, utilizam parâmetros das curvas
granulométricas, limites de Attenberg (limite de liquidez, limite de plasticidade e
limite de contracção), parâmetros de natureza física como os coeficientes de Los
Angeles e de Deval, e ainda parâmetros de resistência mecânica como o CBR
(California Bearing Ratio) e Ev2 (módulo de deformabilidade obtido no segundo
patamar de carga do ensaio de carga em placa).
Condições hidrogeológicas
Deve ser identificada a posição do nível freático garantindo, para que se verifiquem
boas condições de drenagem, cerca de 1m de afastamento, relativamente à base do
balastro, caso contrário, devem ser previstos dispositivos de drenagem lateral que
garantam o efectivo rebaixamento do nível freático.
26
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Adicionalmente, a plataforma e a parte superior do sub-balastro devem garantir uma
pendente transversal de cerca de 3 a 5 %, para o exterior, assegurando a drenagem
das águas para valas de drenagem longitudinal.
1.4.3.1 Classificação da plataforma ferroviária
A classificação da plataforma ferroviária, de acordo com o U.I.C., é feita segundo o
seu comportamento mecânico e pode ser caracterizado macroscopicamente por:
baixos assentamentos e elevada resistência às cargas dos comboios (QS3);
em geral, comportamento aceitável em termos de assentamentos e no
suporte de cargas (QS2);
grandes assentamentos e fraco comportamento no suporte de cargas (QS1);
assentamentos excessivos e mau comportamento no suporte das cargas (QS0).
Os critérios de classificação nas referidas categorias são as condições geotécnicas e
hidrogeológicas. A referida classificação é apresentada de seguida no Quadro 1.7
Quadro 1.7 - Classificação geotécnica dos solos (adaptado da ficha 719R da U.I.C.)
Classsificação Geotécnica dos Solos Condições Hidrológicas
Qualidade da fundação para Via Férrea
Rocha de média variabilidade
Deval(seco)>9 Los Angeles<30 Solo com partículas finas*<5%
- QS3
Rocha de alta variabilidade
6<Deval(seco)<9 30<Los Angeles<33
Boas QS3
Areia com grãos finos uniformes<5%
Solos com grãos finos 5-15% Más QS2
Xistos com IP>7
Areia argilosa com IP>7 Boas QS2
Solos com grãos finos 15-40%
Rocha fracturada com Deval<6 e Los Angeles>33 Más QS1
Argila ligeiramente plastificada
Solos com grãos finos*>40% - QS1
Solos orgânicos - QS0
27
Capítulo 1 Constituição das Linhas-Férreas
Características mecânicas da plataforma
Diversas companhias de caminhos-de-ferro têm desenvolvido ábacos e catálogos de
dimensionamento das espessuras da balastro e sub-balastro, que procuram ter em
conta, não só o efeito da degradação das tensões, mas também as características da
fundação. O departamento de investigação da International Union of Railways (antigo
ORE) determinou, com base em resultados experimentais, os limites de variação dos
parâmetros mecânicos Ev2 e CBR (Figura 1.11) para a classificação dos solos
estabelecida pela UIC, sugerindo a espessura conjunta do sistema balastro e sub-
balastro de acordo com esses valores.
0
100
50D117
SNCFSBB
CBRDB
2 4 106 8 15 20 3040
10 20 30 40 50 100
QS0 QS1 QS2 QS3
Ev2(N/mm2)
CBR(%)
e(cm) balastro+sub-balastro
UIC
Figura 1.11 – Dimensionamento das camadas de balastro e sub-balastro com base nas características
mecânicas da plataforma (adaptado de ORE D117).
São também visíveis, na Figura 1.11, as classificações que outras companhias de
caminhos-de-ferro utilizam.
28
CAPÍTULO 2
GEOSSINTÉTICOS
2.1 INTRODUÇÃO
Os geossintéticos contam já com uma forte presença nas obras de engenharia civil
pelas vantagens técnicas, económicas e pela rapidez de aplicação que apresentam no
desempenho das suas funções relativamente aos materiais ditos tradicionais, ou seja,
os solos. São predominantemente usados em obras de carácter geotécnico e podem
desempenhar, isolada ou simultaneamente, várias funções: separação, filtragem,
controlo da erosão, protecção, reforço e barreira de fluidos.
Neste capítulo serão abordados os processos de fabrico, a estrutura, as funções e por
último a durabilidade dos geossintéticos. Não pretendendo ser exaustivo nesta
abordagem, será dado maior destaque às funções e à durabilidade, no sentido em que,
no enquadramento do presente trabalho se discutem aspectos relacionados com a
eficiência das mesmas. De igual modo, os geossintéticos aqui falados correspondem
àqueles a cuja experiência, no campo das obras ferroviárias, têm ditado serem os mais
adequados, resultando daí a sua maior utilização e com resultados comprovados. Esses
geossintéticos correspondem aos geotêxteis tecidos e não tecidos, às barreiras
geossintéticas e às geogrelhas.
Capítulo 2 Geossintéticos
2.2 PRODUÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS
O termo geossintético é definido, segundo a IGS (Sociedade Internacional de
Geossintéticos, 1998) como um material polimérico (sintético ou natural), usado em
contacto com solo, rocha ou outro material geotécnico em Obras de Engenharia Civil.
A sua diferenciação é tradicionalmente feita com base nas suas características, ao
nível dos constituintes e da estrutura, sendo a sua classificação baseada nesta última.
Uma das classificações adoptada é a que a seguir se apresenta no Quadro 2.1.
Quadro 2.1- Classificação dos geossintéticos de acordo com a sua estrutura (adaptado de Ladeira, 1995).
Geossintéticos
Geotêxteis Barreiras Geossintéticas Produtos
Relacionados Geocompósitos
- Tecidos
- Não tecidos
- Tricotados
- Geomembranas
- Geocompósitos Bentoníticos
- Unidimensionais
- Bidimensionais
- Tridimensionais
- Geotêxtil + Bentonite
- Geotêxtil + Geomembranas
- Outros
A maioria dos geossintéticos é constituída por materiais designados plásticos, mais
concretamente termoplásticos, que endurecem e amolecem por acção do frio e do
calor, respectivamente. Estes materiais plásticos são formados por compostos
poliméricos, estando sempre presentes outras substâncias, designadas por aditivos,
com a finalidade de melhorarem as propriedades finais dos geossintéticos,
nomeadamente a sua estabilização térmica, as propriedades anti-estáticas, a
resistência à oxidação e às radiações ultravioletas (UV), e ainda para facilitar as
operações de transformação.
No processo de fabrico de geossintéticos, três aspectos são importantes: o tipo de
polímero e o tipo de componente utilizados, e a estrutura formada. Cada um destes
aspectos condiciona o comportamento dos geossintéticos, como produto final, pelo
que merece, cada um deles, uma análise isolada.
30
Capítulo 2 Geossintéticos
Polímeros
Os polímeros constituem a matéria-prima a partir da qual o geossintético é fabricado.
A sua produção é geralmente realizada em separado da produção do geossintético
propriamente dito, devido à sua especificidade, de carácter essencialmente químico.
Aos polímeros podem ser adicionados aditivos, que têm como função estabilizar as
propriedades dos geossintéticos e que podem ser adicionados em fase de fabrico dos
polímeros, ou mesmo, em fase de fabrico dos geossintéticos. Normalmente, são
adicionados aquando do fabrico dos geossintéticos, consoante as propriedades que
lhes são exigidas, ou consoante a finalidade que o produtor lhe pretender dar.
Os polímeros mais utilizados estão listados no Quadro 2.2 em função do tipo de
geossintéticos a produzir. A utilização de cada um destes polímeros apresenta
vantagens e desvantagens face aos restantes, nomeadamente em termos de
propriedades mecânicas e durabilidade do produto final.
A opção por um dos polímeros deve ser feita de acordo com as condições específicas
de uso, nomeadamente o tipo de solicitação a que estão sujeitos, o tipo de matéria ou
material com que estão em contacto directo, e o seu grau de exposição a agentes
atmosféricos. No Quadro 2.3 podem ser analisadas, comparativamente, as
propriedades dos 4 tipos de polímeros com maior utilização na indústria dos
geossintéticos. Aí pode ver-se que o polímero com características mais homogéneas,
tanto a nível mecânico como de durabilidade são as poliamidas, não querendo,
contudo, dizer que para determinadas exigências seja o mais adequado.
Quadro 2.2 - Polímeros mais utilizados no fabrico de geossintéticos.
Polímero Tipo de geossintético
Polietileno – PE Geotêxteis, geomembranas, geogrelhas, geotubos,
georedes, geocompósitos
Polipropileno – PP Geotêxteis, geomembranas, geogrelhas,
geocompósitos
Polivinílico de cloro – PVC Geomembranas,geocompósitos, geotubos
Poliester – PET Geotêxteis, geogrelhas
Poliamida – PA Geotêxteis, geocompósitos, geogrelhas
Poliestireno – PS Geocompósitos
31
Capítulo 2 Geossintéticos
Quadro 2. 3 - Propriedades do polímero de base (adaptado de Ladeira, 1995).
Polímeros
Propriedades Poliésteres Poliamidas Polietilenos Polipropilenos
Resistência à tracção 3 2 1 1
Rigidez 3 2 1 1
Deformação na rotura 2 2 3 3
Fluência 1 2 3 3
Densidade relativa 3 2 1 1
Custo 3 2 1 1
Resistência às:
Estabilizado 3 2 3 3
Radiações UV Não
estabilizado 3 2 2 1
Bases 1 3 3 3
Fungos, vermes e insectos 2 2 2 3
Óleo 2 2 1 1
Detergentes 3 3 3 3
3-Elevado 2- Médio 1- Baixo
Após a escolha e produção do(s) polímero(s) mais adequado(s) a utilizar, estes vão ser
convertidos em componentes, para posterior constituição da estrutura do
geossintético.
Componentes
Formulada a mistura adequada de polímeros sob condições de temperatura e pressão
controladas, estes são transformados em componentes. Basicamente existem dois
métodos de produção de componentes, ambos por extrusão, a partir da referida
mistura:
- a produção de um filme contínuo, ou folha, que pode ser posteriormente dividido em
tiras por corte; a mistura em fusão é forçada a atravessar uma fenda, variável em
espessura.
- a produção de filamentos contínuos, obtidos a partir da passagem da mistura numa
placa perfurada; a mistura em fusão é forçada a atravessar uma placa pefurada.
Imediatamente após a produção dos componentes estes são endurecidos e
solidificados, normalmente por reaquecimento e estiramento. O processo de
32
Capítulo 2 Geossintéticos
estiramento reduz a secção dos componentes e causa uma reorientação das
moléculas. O resultado é um aumento da sua resistência à tracção e do seu módulo de
deformabilidade, acarretando no entanto, uma diminuição da elongação na rotura e
em fluência.
Estes componentes podem ser usados separada ou conjuntamente, dando origem, por
exemplo, a fios pelo entrelaçar de filamentos ou a tiras multifilamentos pelo
entrelaçar de tiras. Apresenta-se na Figura 2.1 os principais tipos de componentes de
geossintéticos, e que são: monofilamentos, multifilamentos, fibras (obtidas do corte
dos filamentos), fios, monofilamento reforçado e multifilamento reforçado.
Monofilamento
Multifilamento
Fibras
Fios
Monofilamento reforçado
Multifilamento reforçado
Figura 2.1 – Principais tipos de componentes dos geossintéticos. (adaptado de Koerner, R. 1999).
Após a produção dos componentes, estes são convertidos em geossintéticos. A sua
estrutura define o tipo de geossintético produzido tendo a sua classificação já sido
apresentada no Quadro 2.1.
Existe uma grande variedade de geossintéticos com tecnologias de fabrico específicas.
Não sendo essência deste trabalho essa descrição, apenas vai ser abordado o processo
de fabrico e o tipo de estrutura dos geossintéticos mais frequentemente aplicados em
obras ferroviárias, sendo esses os geotêxteis tecidos e não tecidos, as barreiras
geossintéticas e as geogrelhas.
33
Capítulo 2 Geossintéticos
2.2.1 Geotêxteis Tecidos e Não Tecidos
Os tipos de polímeros que normalmente são utilizados na contituição destes
geossintéticos, nas respectivas proporções, são os seguintes: Polipropileno(≈85%),
Poliéster(≈12%), Polietileno(≈2%), Poliamida(≈1 a 2%).
Os geotêxteis tecidos são formados na sua estrutura por uma distribuição regular de
filamentos, geralmente contínuos, entrelaçados paralela e perpendicularmente, como
se mostra na Figura 2.2 a). Normalmente esse tipo de geotêxtil não sofre qualquer
processo de ligação adicional, sendo esta garantida pelo entrelaçado de filamentos.
a) Geotêxtil tecido b) Geotêxtil não tecido
Figura 2.2 – Estrutura dos geotêxteis (Ingold , 1994).
Nos geotêxteis não tecidos, a estrutura é formada por uma distribuição de filamentos
com carácter aleatório, como se pode ver na Figura 2.2b. Esses filamentos podem ser
do tipo contínuo, ou do tipo fibra (obtida por corte do filamento) com 50 a 100mm de
comprimento. A estrutura sofre um processo de ligação por um, ou mais, de três
existentes: o mecânico, térmico ou o químico.
A ligação térmica é realizada por aquecimento dos componentes, o que permite a sua
ligação nos pontos de contacto entre fibras. O geotêxtil resultante é pouco espesso e
apresenta-se rígido e áspero ao toque. O seu peso por unidade de área é
relativamente baixo, e atendendo a isso, apresenta uma elevada resistência à tracção
e baixa elongação na rotura. Estes geotêxteis não tecidos são vulgarmente designados
por termossoldados.
A ligação química é geralmente conseguida pela adição de resina acrílica, por
impregnação ou pulverização. Tendencialmente, serão produzidos geotêxteis quase
34
Capítulo 2 Geossintéticos
impermeáveis, devido à resina, pelo que, após a adição da resina se força a passagem
de ar para restabelecimento da estrutura dos poros. Os geotêxteis produzidos são mais
espessos do que os anteriores, apresentando o mesmo tipo de características
relativamente ao seu comportamento mecânico. Estes geotêxteis não tecidos são
designados por ligados quimicamente.
Por fim, a ligação mecânica, provavelmente o mais comum dos processos de ligação,
obtido pela passagem de milhares de agulhas rugosas (Figura 2.3b), em movimento
vertical, através de um emaranhado de filamentos, que provoca a sua ligação
mecânica, conforme se encontra esquematizado na Figura 2.3a. Este processo pode
ser repetido numa fase subsequente de agulhagem, conferindo aos geotêxteis
melhores características mecânicas e hidráulicas. De todos os geotêxteis não tecidos
aqui descritos estes são os que apresentam maior espessura, maior peso por unidade
de área, maior elongação na rotura e maior resistência à tracção. São vulgarmente
designados por agulhados.
Manta de Filamentos
Agulhagem
Agulhas
Rolo de Geossintético
Lâminas
a) Fase de agulhagem b) Tipo de agulha utilizada na
ligação mecânica
Figura 2.3 – Ligação mecânica (adapatado de Koerner , 1999).
Conforme se viu, os dois tipos de geotêxteis apresentam grandes diferenças ao nível
da estrutura, o que naturalmente se traduz no seu desempenho em funções que venha
a desempenhar. As grandes diferenças no desempenho traduzem-se, em termos
mecânicos, pelo facto de os valores de resistência à tracção variarem
significativamente consoante a direcção de fabrico no caso do geotêxteis tecidos e o
facto de os valores da elongação na rotura serem bastante mais elevados para os
geotêxteis não tecidos; em termos hidráulicos, verifica-se uma distribuição regular e
homogénea dos poros do geotêxtil tecido, em contraste com a distribuição aleatória
dos poros do geotêxtil não tecido.
35
Capítulo 2 Geossintéticos
2.2.2 Geogrelhas
A matéria-prima, os polímeros, normalmente utilizada na produção das geogrelhas é o
polipropileno, o PEAD (Polietileno de Alta Densidade) e o PVC (Cloreto de Polivinílico).
A sua estrutura pode ser conseguida a partir de folhas ou barras de polímeros. Quando
são utilizadas folhas de polímeros, estas são perfuradas e esticadas numa direcção
(uniaxiais) ou em duas direcções (biaxiais). As barras de polímero são obtidas por
corte da folha de polímero, e posterior estiramento, sendo essas orientadas paralela e
perpendicularmente, com união nos pontos de contacto. A grande diferença em
termos estruturais destes dois processos é que no primeiro, os pontos de intersecção
entre barras é integral, ao passo que no segundo, nos pontos de intersecção é
realizada uma ligação entre as barras, geralmente por ligação térmica, ou por
tecelagem.
As geogrelhas, aplicadas isoladamente, são aptas para o desempenho de uma função:
a de reforço. Devido ao facto de para o reforço ser exigida uma elevada resistência à
tracção com baixa elongação, ou seja, um elevado módulo de deformabilidade,
compreende-se que independentemente do processo de fabrico, este tenha de ter
uma fase de estiramento. Esta fase de estiramento provoca uma orientação das
moléculas que constituem o polímero, dando origem a uma melhoria das suas
propriedades mecânicas.
Tal como já foi referido, podem obter-se geogrelhas orientadas uniaxialmente (Figura
2.4a ou biaxialmente (Figura 2.4b), sendo a opção por uma destas baseada nas
condições específicas de uso, ou seja, se a geogrelha exerce a função de reforço numa
direcção (por ex. no reforço de taludes, ou muros de suporte) ou em duas direcções
(por ex. reforço da base de aterros ou das camadas de sub-base de vias de
comunicação).
36
Capítulo 2 Geossintéticos
a) Geogrelha uniaxial em PEAD b) Geogrelha biaxial em PP
Figura 2.4 – Estrutura das geogrelhas (Ingold, 1994).
O facto de as geogrelhas serem especialmente indicadas para a função de reforço
deve-se à sua eficácia na mobilização de atrito. Estas conseguem mobilizar, para além
do atrito lateral nas faces das barras longitudinais, atrito nas barras transversais das
geogrelhas. Este atrito nas barras transversais é chamado impulso passivo e surge do
movimento relativo entre os grãos de solo localizados nas aberturas das grelhas e a
própria geogrelha. O mecanismo de reforço com geogrelhas será abordado com maior
detalhe quando for feita a descrição da função de reforço.
2.2.3 Barreiras Geossintéticas
Ao longo da presente dissertação, e por uma de simplicidade de linguagem, será
utilizado o termo geomembranas em substituição do termo barreiras geossintéticas.
Os polímeros mais usados para o fabrico das geomembranas são: o polietileno, o
polipropileno e o PVC. Os tipos de aditivos normalmente adicionados são os
antioxidantes, os plastificantes, os fillers, o carvão e os lubrificantes.
Estes polímeros são então convertidos, por fusão, em folhas. Para a sua conversão em
folhas existem três métodos de processamento: extrusão, calandragem e
espalhamento superficial. Nestes dois últimos podem ser incluídos geotêxteis na sua
estrutura, que actuam como reforço.
No processo de extrusão, a massa em fusão é forçada a atravessar uma fenda
horizontal, de espessura variável, dando origem à geomembrana.
O fabrico por calandragem é conseguido através da passagem do material polimérico
num sistema de cilindros de rotação contrária (processo a que se chama
calandragem). Este sistema é de grande versatilidade na medida em que permite um
37
Capítulo 2 Geossintéticos
sistema multicamada, e a possibilidade de inclusão de um geotêxtil, normalmente do
tipo tecido em poliéster ou poliamida, na estrutura.
O espalhamento superficial consiste no espalhamento, em camada fina, da massa em
fusão de polímeros sobre um geotêxtil do tipo tecido ou não tecido. Este processo
pode ser realizado em ambas as faces dos geotêxteis.
Estes materiais são, de todos os geossintéticos, com excepção de alguns
geocompósitos, os que desempenham a função de impermeabilização, pelo que esta
deve ser o objecto do seu dimensionamento. Adicionalmente, e como referido
anteriormente, podem conter um reforço na sua estrutura (com a incorporação de
geotêxteis). Note-se que este reforço deve ser visto como uma garantia do bom
desempenho das geomembranas na função de impermeabilização, e não como na
efectiva função de reforço.
Após esta breve descrição do método de produção e das principais características dos
geossintéticos, passar-se-á a analisar quais as propriedades de maior relevância que
estes devem possuir para que desempenhem correctamente as funções para as quais
são dimensionados.
2.3 PROPRIEDADES
Para que os geossintéticos desempenhem correctamente as funções para as quais
foram dimensionados, é necessário que possuam certas propriedades básicas, ao longo
da sua vida útil na obra em que são incluídos, sendo estas enquadradas em três
classes: físicas, hidráulicas e mecânicas. Dentro das propriedades físicas podemos
considerar o peso específico do polímero, a espessura e a massa por unidade de área
(m.u.a.) do geossintético. Para as propriedades mecânicas temos a resistência à
tracção, o rasgamento e o punçoamento, bem como a sua deformabilidade.
Finalmente, as propriedades hidráulicas englobam a dimensão e distribuição das
aberturas características dos poros do geossintético, a permeabilidade e a
transmissividade.
Existe ainda uma quarta classe de propriedades, as relacionadas com a durabilidade, e
que pretendem garantir que os geossintéticos, mediante as condições do meio a que
estão sujeitos, nomeadamente os agentes atmosféricos, agentes químicos e físicos,
bem como as operações de transporte, manuseamento e colocação, mantenham as
propriedades exigidas em dimensionamento.
38
Capítulo 2 Geossintéticos
Cada uma dessas propriedades é mensurável, sendo objecto de controlo e
certificação. Os geossintéticos são materiais que estão abrangidos pela Directiva
Europeia dos Produtos de Construção (Directiva 89/106/CEE), que transporta para a
legislação nacional pelo Dec. Lei nº113/93, a qual impõe que para todos os
materiais/produtos utilizados nas obras de construção seja obrigatória a marcação CE.
As normas que certificam as propriedades são, em Portugal, enquadradas em classes
diferentes das acima referidas e correspondem a: terminologia, ensaios mecânicos,
hidráulicos e de durabilidade. Assim, podem ver-se no Quadro 2.4 as referências
normativas que certificam tais propriedades.
Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (adaptado de Pinto et al.,2002).
Propriedade Norma
Classe Terminologia
Amostragem e preparação de provetes de geotêxteis EN 963:1995
Determinação da espessura para várias espessuras – Parte I: camadas singulares prEN ISO 9863-1
Determinação da espessura para várias espessuras – Parte I: camadas singulares ou
múltiplas
prEN ISO 9863-2
Determinação da massa por unidade área de (m.u.a.) em geossintéticos prEN ISO 9864
Amostragem e preparação de provetes de geossintéticos prEn ISO 9862
Termos e definições prEN 10318
Identificação em obra NP EN ISO
10320:2003
Determinação da massa por unidade área de (m.u.a.) em GCL’s. prEN 14196
Classe ensaios mecânicos
Resistência à tracção/extensão em tiras largas EN ISO 10319
Resistência ao punçoamento dinâmico EN 918:1996
Resistência ao punçoamento estático (ensaio CBR) EN ISO 12236:2003
Fluência em compressão EN 1897:2001
Fluência em tracção e comportamento na rotura EN ISO 13431:1999
Resistência à tracção das juntas dos geotêxteis EN ISO 10321:1995
Danificação durante a instalação (em materiais granulares) ENV 10722-1:1997
Características de resistência da interface em corte directo prEN ISO 12957-1
Características de resistência da interface em plano inclinado prEN ISO 12957-2
Resistência estrutural interna de juntas em geocélulas EN ISO 13426-
1:2002
Reistência à abrasão (ensaios do bloco deslizante) EN ISO 13427:1998
Resistência à protecção a longo prazo EN 13719:2002
Resistência ao arranque prEN 13738
39
Capítulo 2 Geossintéticos
Quadro 2.4– Certificação CE para as propriedades dos geossintéticos (Continuação)
Classe ensaios hidráulicos Determinação das características de permeabilidade à água normal ao plano, semconfinamento
NP EN ISO11058:2003
Porometria EN ISO 12956:1996 Determinação da capacidade de escoamento no seu plano EN ISO 12958 Resistência à penetração da água (ensaio de pressão hidrostática) EN 13562:2000
Classe ensaios de durabilidade Determinação da resistência ao envelhecimento devido às condições climatéricas ENV 12224:2000 Resistência à degradação biológica EN 12225:2000 Ensaios gerais para a avaliação após os ensaios de durabilidade EN ENV 12226 Resistência à hidrólise em água EN 12447:2001 Métodos de instalação e recolha de amostras in situ para ensaios em laboratório EN ISO 13437:1998 Resistência à oxidação sob elevada pressão de oxigénio prEN ISO 13438 Resistência a líquidos ácidos e alcalinos EN 14030:2001 Resistência química, quando em contacto com aterros de resíduos sólidos, lixiviadose gás
prEN 14414
Resistência a liviados quando utilizados na função barreira de geossintéticos prEN 14415 Resistência à penetração de raízes quando utilizados na função barreira degeossintéticos
prEN 14416
Resistência a ciclos de seco/molhado quando utilizados na função barreira degeossintéticos
prEN 14417
Resistência a ciclos de gelo/degelo quando utilizados na função barreira degeossintéticos
prEN 14418
Resistência aos agentes ambientais quando utilizados na função barreira degeossintéticos
prEN 14576
Guia de durabilidade de geotêxteis e produtos relacionados CR ISO 13434:1998
Dependendo da função que vão desempenhar e das condições específicas nos locais da
aplicação, compreende-se que existam propriedades dos geossintéticos que tenham
maior peso e necessitem de ser verificadas, ou mesmo medidas. Algumas das
aplicações mais correntes dos geossintéticos são também objecto de normalização,
com o cumprimento obrigatório de determinadas propriedades, como é o caso das
linhas-férreas. A norma EN 13250: 2000 – “Geotêxteis e produtos relacionados -
Características exigidas para a utilização em caminhos de ferro.”, especifica,
conforme se pode ver no Quadro 2.5, o grau de relevância de um conjunto de
propriedades a exigir aos geossintéticos, quando aplicados em linhas férreas, e de
acordo com a função que aí venham a desempenhar.
40
Capítulo 2 Geossintéticos
Quadro 2.5 - Propriedades a exigir aos geossintéticos quando usados em linhas-férreas (adaptado de
EN13250).
Função Propriedade Norma Europeia Filtro Separação Reforço
1) Resistência à tracção EN ISO 10319 H H H 2) Elongação para a carga máxima EN ISO 10319 A A H 3) Resistência à tracção das juntas EN ISO 10321 S S S 4) Resistência ao punçoamento estático (CBR) EN ISO 12236 S H H 5) Resistência ao punçoamento dinâmico EN 918 H A H 6) Abrasão EN ISO13427 S S S 7) Resistência ao corte directo prEN ISO 12957–1 S S A 8) Fluência em tracção EN ISO 13431 -- -- S 9) Danificação durante a instalação ENV ISO 10722-1 A A A 10) Distribuição dos poros EN ISO 12956 H A -- 11) Permissividade sem carga EN ISO 11058 H A A 12) Resistência à meteorização ENV 12224 A A A
13) Resistência à degradação química ENV ISO 12960, 12447 ou 13438 S S S
14) Resistência à degradação biológica ENV 12225 S S S Relevância da função: H:Obrigatória A:Relevante para todas as condições de uso S:Relevante para condições específicas de utilização --:Característica não relevante para a função
Seguidamente será feita uma descrição das funções que maior relevância tem nas
obras ferroviárias: a de reforço com geogrelhas, separação, filtragem e drenagem com
geotêxteis.
2.4 FUNÇÕES
Cada geossintético pode desempenhar uma ou várias funções simultaneamente, no
entanto, o seu correcto desempenho só será conseguido se as funções que ele estiver
efectivamente a desempenhar tiverem sido devidamente acauteladas em fase de
dimensionamento.
As funções básicas que os geossintéticos podem desempenhar são, conforme se pode
ver esquematicamente na Figura 2.5, drenagem, filtragem, separação, protecção,
reforço e barreira de fluidos (impermeabilização). Esta última função é exclusiva das
geomembranas e alguns geocómpositos.
41
Capítulo 2 Geossintéticos
Separação Filtragem Drenagem
Protecção Reforço Estanqueidade
Figura 2.5 - Principais funções dos geossintéticos (Paula, 2003)
O dimensionamento consta da especificação das propriedades que os geossintéticos
devem possuir para que cumpram a função que lhes é atribuída, nomeadamente em
termos de propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. Este pode ser feito de acordo
com especificações que existam para uma dada aplicação, como é o caso das EN ou
das AASHTO, sendo obrigatório que as propriedades dos geotêxteis a utilizar cumpram
os requisitos mínimos aí especificados, ou então, para uma dada aplicação, é
identificada a principal função a desempenhar pelo geossintético e calculado o valor
numérico das suas propriedades.
Com base neste último método de dimensionamento, o do cálculo do valor das
propriedades, são atribuídos coeficientes de segurança que podem variar conforme o
tipo de obra e/ou aplicação. Esses coeficientes de segurança definem-se como a razão
entre o valor da propriedade obtido através de ensaios de laboratório e o valor da
mesma exigido em dimensionamento. Isto porque os valores das propriedades obtidos
em laboratório apenas são representativos de condições ideais, logo, não podem ser
utilizados directamente no dimensionamento. Aplicam-se assim coeficientes de
redução ao valor medido da propriedade do ensaio, sendo este valor corrigido
posteriormente e comparado com o exigido em dimensionamento para obtenção do
coeficiente de segurança. Assim:
toensionamen
corrigidoLab
TT
FSdim
.=
(2.1)
O valor a atribuir ao coeficiente de segurança deve ser sempre maior do que 1, e
tanto maior quanto maior for o risco associado à obra onde o geossintético está
aplicado. A sugestão de Koerner (1998) para os coeficientes de redução a adoptar
42
Capítulo 2 Geossintéticos
consoante as funções é a que a seguir se apresenta nos Quadros 2.6 e 2.7. Aí, os
valores unitários aplicam-se quando é possível medir, em laboratório, a propriedade,
e essa é representativa das condições de aplicação "in situ".
Para funções, em que a resistência é essencial, como a de separação e reforço
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
×××=
bqfddi
olaboratóricorrigidolab RRRR
TT .
(2.2)
em que:
Rddi – coef. redução para efeitos de danificação durante a instalação. Rf – coef. redução para fenómenos de fluência. Rb – coef. redução para degradação biológica. Rq – coef. redução para degradação química.
Quadro 2.6 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções com relevância para a
resistência (adaptado de Koerner,1999).
Gama valores aconselhados para adoptar nos coeficientes de redução Área de aplicação Rddi Rf* Rq Rq
Separação 1,1 a 2,5 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 Efeito colchão 1,1 a 2,0 1,2 a 1,5 1,0 a 2,0 1,0 a 1,2 Vias não pavimentadas 1,1 a 2,0 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 Muros 1,1 a 2,0 2,0 a 4,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Aterros 1,1 a 2,0 2,0 a 3,5 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Capacidade de carga 1,1 a 2,0 2,0 a 4,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Estabilização de taludes 1,1 a 1,5 2,0 a 3,0 1,0 a 1,5 1,0 a1,3 Camadas de pavimentos 1,1 a 1,5 1,0 a 2,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 Caminhos de ferro(filtro/separação) 1,5 a 3,0 1,0 a 1,5 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2
Formas flexíveis 1,1 a 1,5 1,5 a 3,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 Barreiras de sedimentos 1,1 a 1,5 1,5 a 2,5 1,0 a 1,5 1,0 a 1,1 *Os valores inferiores referem-se a aplicações com curtos períodos de vida útil e/ou situações em que adeformação por fluência não seja condicionante para o desempenho do sistema.
Para funções relacionadas com fluxo, como a filtragem e drenagem
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
××××=
cbcqbvfCB
olaboratóricorrigidolab RRRRR
qq .
(2.3)
em que:
RCB – coef. redução para efeitos de colmatação e cegueira. Rf – coef. redução para diminuição dos poros por fenómenos de fluência. Rbv – coef. redução para a blocagem de vazios pelo solo. Rcq – coef. redução para colmatação química. Rcb – coef. redução para colmatação biológica.
43
Capítulo 2 Geossintéticos
Quadro 2.7 - Coeficientes de redução a adoptar em dimensionamento para funções de permeabilidade
(adaptado de Koerner,1999).
Gama valores aconselhados para adoptar nos coeficientes de redução Área de aplicação RCB* Rf Rbv Rcq** Rcb
Filtros no tardoz de murosde retenção
2,0 a 4,0 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2 1,0 a 1,2 1,0 a 1,3
Drenagem subterânea 5,0 a 1,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 2,0 a 4,0 Filtros em controlo de erosão 2,0 a 1,0 1,0 a 1,5 1,0 a 1,2 1,0 a 1,2 2,0 a 4,0 Filtros de aterros 5,0 a 1,0 1,5 a 2,0 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 5 a 10*** Drenagem por gravidade 2,0 a 4,0 2,0 a 3,0 1,0 a 1,2 1,2 a 1,5 1,2 a 1,5 Drenagem sob pressão 2,0 a 3,0 2,0 a 3,0 1,0 a 1,2 1,1 a 1,3 1,1 a 1,3 * Caso sejam aplicados à superfície do geotêxtil pedra tipo “rip-rap” ou blocos de betão, devem serutilizados valores mais elevados ou factores de redução adicionais. ** Podem ser utilizados valores mais elevados, especialmente na presença de água freática muito alcalina. *** Podem ser utilizados valores mais elevados para casos de maior turvação ou conteúdos emmicroorganismos maiores que 500mg/l.
Note-se que o autor considera para o dimensionamento a existência de fenómenos que
se traduzem na durabilidade dos geossintéticos, ou seja: em termos de resistência
considera fenómenos de danificação durante a instalação, fluência e degradação
química e biológica; em termos hidráulicos considera fenómenos de compatibilidade a
longo prazo, como a fluência, colmatação, cegueira e blocagem. Não considera no
entanto, pelo menos explicitamente, a diminuição de resistência provocada pelas
operações de transporte, manuseamento e aplicação do geossintéticos em obra.
Analise-se então com maior detalhe a metodologia de dimensionamento de funções
através do cálculo das suas propriedades.
2.4.1 Reforço
Dado que os solos, em particular os granulares, não apresentam resistência a tensões
de tracção, surge como função a desempenhar pelos geossintéticos a função de
reforço, que pretende garantir resistência à tracção ao conjunto solo/geossintético. O
reforço é conseguido através da mobilização de atrito na interface do
solo/geossintético. Adicionalmente, no caso das geogrelhas, é também mobilizada
resistência nas barras transversais das suas aberturas, a que normalmente se chama
impulso passivo.
Na função de reforço, as propriedades a considerar para dimensionamento são:
resistência à tracção
módulo de deformabilidade
resistência ao punçoamento
44
Capítulo 2 Geossintéticos
resistência ao rasgamento
resistência à abrasão (caso seja susceptível de ocorrer)
Destas propriedades, as duas primeiras relacionam-se directamente com a função de
reforço, sendo as últimas três requisitos de durabilidade, que pretendem garantir a
sobrevivência do material durante a sua vida útil.
Na função de reforço, os geossintéticos actuam por 3 mecanismos: acção de
membrana, por corte directo e por arranque.
Acção de membrana: este mecanismo dá-se quando são aplicadas tensões
perpendicularmente ao plano do geotêxtil, conforme se mostra na Figura 2.6. Por
apresentar resistência à tracção, o geotêxtil, absorve as tensões verticais aplicadas.
Este tipo de mecanismo é comum quando o geotêxtil é colocado em solos de grande
deformabilidade e baixa capacidade de suporte.
Figura 2.6 – Acção de membrana (adaptado de Telford, 1996).
Corte directo: surge quando uma das faces do geotêxtil, em contacto com o solo e
sujeito a tensão normal, é obrigada a deslocar-se em relação ao solo. A tendência
para este movimento relativo entre os dois materiais mobiliza atrito na interface
solo/geossintético, conferindo resistência à tracção ao conjunto.
Arranque: o mecanismo é idêntico ao anteriormente descrito, com a diferença de a
mobilização de atrito se dar nas duas faces do geossintético. Assim o geossintético é
solicitado ao arranque relativamente ao solo.
Adicionalmente, no caso das geogrelhas, é ainda mobilizado atrito nas barras
transversais ao sentido da solicitação, sendo este atrito chamado de impulso passivo.
45
Capítulo 2 Geossintéticos
Dado que as geogrelhas são as que maior utilização têm na função de reforço no caso
das obras ferroviárias, opta-se por descrever o seu funcionamento num sistema de
reforço.
2.4.1.1 Reforço com geogrelhas
As geogrelhas são normalmente aplicadas na camada de balastro pretendendo garantir
o seu reforço, pela diminuição dos assentamentos verticais e diferenciais e ainda pela
sua contenção lateral (função tradicionalmente desempenhada pelas ombreiras de
balastro). Dadas as exigências impostas aos deslocamentos verticais nas obras
ferroviárias, as geogrelhas a utilizar devem possuir um elevado módulo de
deformabilidade, para que se mobilizem elevadas resistências mesmo a baixas
deformações. As propriedades que governam a eficiência de uma geogrelha são
diversas, entre as quais se destacam: a razão entre as dimensões do solo confinante e
as aberturas da própria geogrelha, a tensão de confinamento a que está sujeita e o
grau de compacidade do solo.
As geogrelhas, quando utilizadas no reforço de solos, relativamente aos geotêxteis,
são menos extensíveis. Isto traduz-se num maior aumento da resistência do solo
(reforçado) e numa maior mobilização de atrito (resistência) na interface solo-reforço.
Acresce ainda que o contributo dado pelo impulso passivo é de grande peso no que
concerne ao reforço global, o que foi já provado analiticamente por vários autores
(Koerner et al., 1989) a propósito do reforço da capacidade de carga de fundações.
São considerados três tipos de mobilização de atrito no mecanismo de reforço das
geogrelhas, como se pode ver na Figura 2.7. Assim surgem atritos laterais nas barras
longitudinais da geogrelha, atrito do solo-solo nas aberturas (sempre que exista
movimento relativo neste), e ainda o impulso passivo, nas barras transversais, que é
mobilizado progressivamente à medida que o deslocamento relativo do solo-geogrelha
aumenta.
a) Impulso Passivo
b) Atrito lateral
Figura 2.7 – Mecanismos de interacção solo-geogrelha. (adaptado de Jewel et al., 1984).
46
Capítulo 2 Geossintéticos
Estes três tipos de atrito surgem da existência de movimentos relativos entre o solo e
o reforço (atrito lateral e impulso passivo) e de movimentos relativos entre o solo
(atrito solo-solo). Estes movimentos podem ser de dois tipos: de corte directo ou de
arranque. Independentemente do tipo de movimento, sempre que se dá a rotura com
movimento relativo entre o solo e o reforço, significa que foi excedida a resistência da
interface (f). Pode também dar-se o caso de a resistência da interface ser superior à
resistência à tracção do próprio reforço e dar-se a rotura dita, “por tracção”, em que
há a cedência do próprio material de reforço.
Jewell (1996) define resistência ao corte na interface solo-reforço para movimentos
de arranque como:
T=2 W Lσ'nftgφ' (2.4)
em que:
W – largura do reforço na direcção perpendicular à solicitação do reforço; L – comprimento do reforço;
'nσ
- tensão normal efectiva ao nível da interface solo-reforço;
f - coeficiente de interface solo-reforço que varia entre 0 e 1; φ' - ângulo de atrito do solo, para tensões efectivas de pico ou a volume
constante, dependendo da densidade do solo, denso ou solto,respectivamente.
Esta equação é de aplicação geral, no entanto a principal dificuldade na sua aplicação
reside na definição de f.
Para geogrelhas, em movimentos de corte directo, a resistência ao corte é a soma das
duas parcelas: atrito lateral solo-geogrelha (Tl) e atrito solo-solo (Ts/s), que são
definidos, pelo mesmo autor acima citado, através das seguintes relações:
Tl=2 asW Lσ'ntgδ' (2.5)
Ts/s=2(1-as) W Lσ'ntgφ' (2.6)
em que:
as – fracção sólida da área superficial da geogrelha
47
Capítulo 2 Geossintéticos
Igualando a soma destas duas parcelas à definição da resistência ao corte, resulta para
o coeficiente da interface em corte directo:
)1(' sscd atgtgaff −+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
φδ
(2.7)
em que:
δ – ângulo de atrito da interface solo-geogrelha
Para movimentos de arranque, dado que se considera nula a resistência da interface
correspondente ao atrito solo-solo, vem que a resistência da interface é igual à soma
do atrito lateral solo-geogrelha (Tl) com o impulso passivo (Tp), sendo que:
'pbp WBa
SLT σ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
(2.8)
em que:
S
ab
- distância entre as barras transversais da geogrelha;
- fracção da largura, W, da geogrelha disponível para a mobilização da resistência passiva;
B - espessura das barras transversais da geogrelha; 'pσ
- tensão passiva mobilizada em termos de tensões efectivas.
Igualando a soma das duas parcelas à definição da resistência ao corte, resulta para o
coeficiente da interface em arranque:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛== ''
'
21
' φσσ
φδ
tgSBa
tgtgaff b
n
psa (2.9)
NOTAS: -Se na interface ocorrerem ambos os movimentos, de corte directo e
arranque, o coeficiente da interface a considerar será o mínimo dos dois coeficientes
atrás referidos;
-as equações atrás referidas são aplicáveis ao caso de solos soltos, considerando-se a
resistência do solo a volume constante.
48
Capítulo 2 Geossintéticos
2.4.1.2 Factores que influenciam a interacção solo-geogrelha
A interacção solo-geogrelha é influenciada por vários factores, tendo sido já alvo de
inúmeros estudos laboratoriais que confirmam essas mesmas influências. Os factores a
que mais referência se faz na literatura especializada são: a razão dimensão das
partículas de solo/abertura da geogrelha, tensão de confinamento, índice de
compacidade, e o afastamento entre barras transversais. Para cada um destes
parâmetros far-se-á uma síntese do que se considera ser o estado actual do
conhecimento.
a) Influência da razão dimensão das partículas de solo/abertura da geogrelha na
resistência da interface
A dimensão das partículas de solo e da abertura das geogrelhas têm influência
determinante na eficácia do reforço, já que a razão das referidas dimensões
condiciona o valor da resistência passível de ser mobilizada na interface solo-reforço.
Jewell et al. (1984), estudaram a influência das dimensões das partículas de solo na
interacção solo-geogrelha, quando o movimento é de corte directo, concluindo que o
coeficiente de resistência para essa interface é máximo quando a dimensão dos grãos
é idêntica à da abertura das geogrelhas, sendo mínimo quando as dimensões das
partículas de solo tenham dimensões tão grandes que impossibilitem a sua penetração
nas aberturas das geogrelhas, mobilizando-se, nesse caso, somente resistência nos
pontos de contacto solo-geogrelha. Estes mesmos autores aconselham para o reforço
de solos com geogrelhas a razão:
350
≥Dd
(2.10)
onde:
d – menor dimensão da abertura da geogrelha; D50 – Dimensão média das partículas de solo.
No entanto, outros autores (Sarsby et al., 1985), consideram que a máxima eficiência
na transferência de tensões geogrelha-solo se dá para um valor de 3,5 da mesma razão
acima referida.
Na avaliação da mobilização do impulso passivo nas barras transversais de geogrelhas
metálicas, Palmeira e Milligan (1989) mostraram, em ensaios de arranque, que existe
49
Capítulo 2 Geossintéticos
um importante factor de escala (F1) relativo à dimensão média das partículas (D50) e à
espessura das barras transversais (B). Assim, para uma razão B/D50<10, verifica-se um
aumento da transferência de esforços do solo para a geogrelha que pode atingir o
dobro do valor quando B/D50>10. Mostram ainda que o impulso passivo pode ser
aumentado em cerca de 20% quando as barras transversais têm secção rectangular,
comparativamente às de secção circular.
Jewell (1996) reescreveu então a equação que traduz o coeficiente de resistência da
interface para movimentos de arranque considerando F1 como o factor de escala e F2
como o factor de forma das barras transversais. Assim:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛== ''
'
21 21
' φσσ
φδ
tgSBa
FFtgtgaff b
n
psa (2.11)
com
F1= ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
50102
DB
quando B/D50<10
1 quando B/D50>10
F2= 1 para barras circulares
1,2 para barras rectangulares
Estudos mais recentes (Lopes, 1998), também através de ensaios de arranque, mas
utilizando geogrelhas em PEAD (Polietileno de Alta Densidade), confirmam o fenómeno
traduzido pelo factor de escala (F1), no entanto com valores inferiores, em cerca de
metade aos sugeridos por Jewell (1996) na equação anterior. Apesar da existência de
diferentes procedimentos de ensaio, nomeadamente o tipo de geogrelha utilizada, os
resultados de Lopes (1998) sugerem a adopção de novos valores para o factor de
escala F1, quando usadas geogrelhas extensíveis.
b) Tensão de confinamento e Índice de compacidade
Dado que a tensão de confinamento condiciona o ângulo de atrito interno do solo
(pelo impedimento da dilatância) quando solicitado ao corte, será também de esperar
que condicione a resposta da geogrelha como reforço. Diversos estudos têm sido
realizados no sentido de estudar a sua influência.
50
Capítulo 2 Geossintéticos
Lopes e Ladeira (1996) estudaram a influência do índice de compacidade num ensaio
de arranque sobre um geogrelha uniaxial colocada em areia. Os índices de
compacidade variaram de 50 a 86%, tendo-se verificado para o solo mais denso um
aumento de 40% na resistência da interface solo-geogrelha devido a uma maior
resistência do solo e da própria interface. Notou-se ainda uma diminuição do
deslocamento da geogrelha, e consequentemente do comprimento de aderência,
aumentando o módulo de rigidez da interface e a força de arranque.
Lopes (1998) realizou ensaios de arranque com geogrelhas em PEAD em areias com
índices de compacidade (ID) de 50%, a uma tensão de confinamento de 24,5KPa. Nesse
estudo verificou que um aumento de 55% na tensão de confinamento provocou um
acréscimo na resistência ao corte mobilizada na interface e ainda um aumento de
cerca de 11% na resistência da interface solo-geogrelha.
Assim, parece consensual que um aumento da tensão de confinamento e do índice de
compacidade do solo confinante, provoque um aumento da eficiência da mobilização
de resistência na interface solo-reforço.
c) Afastamento entre barras transversais
O afastamento entre barras transversais das geogrelhas influencia a eficácia do
reforço, na medida em que afecta o valor da parcela correspondente ao impulso
passivo mobilizado nestas. Assim, quanto mais afastadas forem as barras transversais,
menor impulso passivo é conseguido, mas por outro lado, se forem muito próximas, a
área de influência de uma sobrepõe-se à da seguinte, perdendo-se a eficácia que cada
uma delas, individualmente, possibilita. Conclui-se então a existência de um
afastamento óptimo entre as barras transversais que conduz à máxima mobilização do
impulso passivo.
Jewell et al. (1984) e Jewell (1990) pressupondo o caso limite correspondente à
resistência da interface solo-geogrelha apenas devida à mobilização do impulso
passivo e a existência de um limite superior para a resistência da interface tal que
permita admitir δ=φ, consideraram que a resistência máxima na interface solo-
geogrelha é conseguida para um geometria óptima da grelha(S/(abB))φ . Assim:
51
Capítulo 2 Geossintéticos
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= ''
'
21φσ
σtgS
Baf b
n
pa (2.12)
e,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛''
'
21
' φσσ
φ tgBaS
n
p
b
(2.13)
para (fa)max=1
Palmeira e Milligan (1989) em ensaios de arranque com geogrelhas metálicas,
concluíram que à medida que a distância entre barras diminui, diminui também a
resistência da interface, denotando um aumento do grau de interferência entre barras
com a redução da distância entre elas. Os autores sugeriram que o conceito de
interferência entre barras da grelha (DI) fosse definido através da razão entre a
resistência passiva efectivamente mobilizada e a máxima possível. Assim:
'
1
φ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−=
BaS
BaS
DI
b
b
(2.14)
,vindo para DI≤1:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= ''
'
21)1(φσ
σtgS
BaDIf b
n
pa (2.15)
Ficou então visto que na função de reforço com geogrelhas, vários factores
influenciam o seu desempenho, devendo todos eles ser ponderados aquando do seu
dimensionamento.
2.4.2 Separação
O objectivo desta função é impedir a mistura/interpenetração de solos com
granulometrias distintas, de modo a que a integridade e funcionamento dos dois
materiais como camadas granulares se mantenha, ou seja inclusivé melhorado. Como
52
Capítulo 2 Geossintéticos
se pode ver esquematicamente na Figura 2.8, existe uma tendência do solo de
granulometria mais grosseira (especialmente se for do tipo angular) penetrar no mais
fino, e de este, por sua vez, também ter tendência a penetrar no de granulometria
mais grosseira. A colocação de um geossintético na interface dessas duas camadas
permite evitar essa mistura.
Figura 2.8 – Função de separação (Koerner, 1999)
As propriedades que normalmente são exigidas ao geossintético no desempenho desta
função são as seguintes:
flexibilidade;
resistência à tracção;
resistência ao punçoamento;
resistência ao rasgamento;
resistência à abrasão (caso seja susceptível de ocorrer);
retenção do solo e permeabilidade aos fluidos (caso acumule funções de filtro).
Esta função é exigida ao geossintético, no caso das linhas-férreas, na interface:
balastro/plataforma, sub-balastro/plataforma ou balastro antigo/balastro novo,
consoante a situação que aí se verifique.
A esta função vêm normalmente associadas outras funções como a filtragem e/ou
drenagem, o que implica que o geossintético, para além de impedir a mistura dos dois
solos adjacentes tenha de ser permeável à passagem da água. Admite-se então que,
sendo o dimensionamento feito em termos de filtragem ou drenagem, esteja já
assegurada a função de separação.
Note-se que o facto de esta função ser normalmente associada às duas outras
referidas não lhe retira importância porque, como já foi dito anteriormente, é esta
função que impede a modificação, normalmente associadas à redução, das
características mecânicas e hidráulicas dos solos com que contacta.
53
Capítulo 2 Geossintéticos
2.4.3 Filtragem
Quando se usam os geossintéticos , a filtragem é uma das funções mais utilizadas. Na
filtragem, o geossintético deve permitir a passagem da água que percola o solo, e em
simultâneo reter as suas partículas. Estes dois mecanismos são, em termos de
propriedades, contraditórios já que, se por um lado os poros têm que ser
suficientemente grandes para permitir a passagem da água sem que se gerem excessos
de pressão intersticial, por outro têm que ser suficientemente apertados para que
consigam reter o solo adjacente.
Um dos factores que influencia o bom desempenho desta função é o tempo, ou seja,
deve ser assegurado que no decorrer da utilização do geossintético este não colmate
como resultado de uma acumulação excessiva de partículas de solo no interior da sua
estrutura.
As propriedades essenciais a exigir ao geossintético no desempenho desta função são:
percentagem de área aberta (aplicável somente a geotêxteis tecidos);
dimensão aparente dos poros;
permissividade;
compressibilidade;
espessura.
Esta função, tradicionalmente desempenhada por filtros granulares, tem vindo a ser
preferida, em algumas utilizações, pela utilização de filtros em geossintéticos. Ambas
as soluções apresentam vantagens e desvantagens, quando comparadas, como se pode
ver no Quadro 2.8.
O dimensionamento de filtros geossintéticos apresenta conceitos semelhantes aos
utilizados nos filtros granulares, baseados nas dimensões dos solos, e todos eles de
carácter empírico. A bibliografia da especialidade é vasta em métodos de
dimensionamento, tendo-lhes associado condições específicas de uso, de acordo com
aquelas que lhe deram origem.
54
Capítulo 2 Geossintéticos
Quadro 2.8 - Vantagens e desvantagens da utilização de filtros granulares/geossintéticos (adaptado de
Lopes, 2003).
Filtros
Granulares Geossintéticos
Propriedades comuns:
Risco de colmatação interna por:
-Partículas do solo a filtrar
-Actividade de bactérias aeróbias (colmatação ocre)
-Precipitação de sais
-Cristais de gelo
Diferenças:
-Espessura -Elevada (>150 mm) -Baixa (<30 mm)
-Porosidade -25-40 % -75-95 %
-Capilaridade -Importante (hc = 500mm) -Baixa (hc = 50mm)
-Resistência à tracção -Não tem -Baixa a elevada
-Compressibilidade -Desprezável -Média a elevada
-Transmissividade sob tensão -Constante -Variável
-Uniformidade -Gradualmente variável -Controlada através da massa por
unidade de área e da espessura
-Durabilidade -Inerte -Sensível às radiações UV
-Instalação -Evitar contaminação pelo solo
envolvente
-Deve ser colocado em contacto
íntimo com o solo a filtrar
-Compactação -A instalação é facilitada pela
costura de juntas
-Risco de danificação -Não tem -Sensível ao rasgamento e ao
punçoamento
Um dos conceitos que aparece subjacente à filtragem é o de permissividade (Ψ), e
que pode ser definido como a facilidade com que o fluxo de água se estabelece
perpendicularmente ao plano do geotêxtil, ou seja, o fluxo de água que atravessa o
geotêxtil. Assim,
tKn=ψ
(2.16)
em que:
Ψ - transmissividade kn – coeficiente de permeabilidade normal ao plano do geotêxtil t – espessura do geotêxtil definido para uma determinada pressão normal (2, 20 e 200 KPa através da norma EN 964-1)
55
Capítulo 2 Geossintéticos
Os geossintéticos utilizados nesta função são os geotêxteis, e a sua eficiência, ou falta
dela, pode dever-se essencialmente a três fenómenos, representados na Figura 2.9, e
que são: (a) cegueira, (b) blocagem e (c) colmatação interna.
a) Cegueira b) Blocagem c) Colmatação interna
Figura 2.9 – Fenómenos susceptíveis de ocorrer na função de filtro (adaptado de Koerner, 1999).
Estes fenómenos ocorrem quando:
Cegueira: o geotêxtil está em contacto com solos internamente instáveis, onde se
verifique a tendência para o movimento de pequenas partículas de solo, que ficam
retidas na fronteira formada pelo geotêxtil e o solo; esta acumulação de pequenas
partículas tende a formar uma camada de baixa permeabilidade, que impede o fluxo
de água de atravessar o geotêxtil, e portanto percolar livremente pelo solo.
Blocagem: as partículas de solo têm dimensões muito semelhantes às dimensões dos
poros dos geotêxteis, e como tal, impedem a passagem da água.
Colmatação interna: existe uma acumulação excessiva de partículas de solo na
estrutura interna (nos poros) do geotêxtil, o que impede a água de o atravessar
livremente. Este impedimento da passagem da água pode dever-se também à
precipitação de substâncias químicas (sais) ou como resultado de actividade
bacteriológica.
Estes três mecanismos mostram que, para o geotêxtil ter um bom desempenho como
filtro, se devem compatibilizar as propriedades físicas do geotêxtil com o solo a
filtrar. Veja-se então quais os principais critérios a considerar no dimensionamento de
filtros.
56
Capítulo 2 Geossintéticos
2.4.3.1 Dimensionamento de filtros
Os critérios para o dimensionamento de filtros assentam basicamente na retenção das
partículas e na permeabilidade. O filtro deve garantir que o fluxo de água em
percolação se dá desimpedidamente, ao mesmo tempo que impede movimentos das
partículas de solo na interface solo/filtro. No caso dos geotêxteis existe ainda um
terceiro factor a considerar, e que consiste na verificação da sua não colmatação a
longo prazo.
Critério de retenção
Os critérios empíricos para a retenção do solo com filtros granulares densos e
uniformemente graduados levam à adopção da expressão clássica:
RRdD
<85
15
(2.17)
em que:
D15 – Dimensão característica do filtro tal que, 15% das partículas têm dimensões inferiores
d85 - Dimensão do solo de base tal que, 85% das partículas têm dimensões inferiores
Bertram (1940) sugeriu o limite de 4 para valor de RR (Razão de Retenção), no sentido
de garantir a compatibilidade entre o filtro e o solo, havendo outros autores como
Terzaghi e Peck (1948) que sugerem o valor de 6. No entanto, o valor recomendado é
de 5, sugerido pelo U.S. Waterways Experiment Station (1948). Note-se que o grau de
compactação da camada de filtro se revela de especial importância, já que se assume
que uma camada densa, não permite, por si só, o movimento das suas partículas mais
finas.
No caso de filtros em geotêxteis, a dimensão a considerar para a compatibilidade
filtro/solo é a dos poros do geotêxtil, condicionada directamente pela sua própria
estrutura. Esta dimensão é definida como a dimensão aparente dos poros (Oi),
determinada laboratorialmente pelo ensaio de porometria, correspondendo aos 90% de
passados da série de peneiro estabelecida na EN ISO 12956. Assim, o critério de
retenção para filtros geotêxteis, pode ser estabelecido como:
57
Capítulo 2 Geossintéticos
RRd
O
i
<90
(2.18)
em que,
O90- Dimensão dos poros do geotêxtil correspondente a 90% de passados di - Dimensão do solo de base tal que, i % das partículas têm dimensões inferiores
Neste caso, o valor de RR varia consoante o tipo de geotêxtil e o tipo de solo, como se
pode ver no Quadro 2.9.
Quadro 2.9 – Valores de RR para geotêxteis (adaptado de Lopes, 2003).
Cu
SOLO
Geotêxteis não tecidos
(t <2mm)
Geotêxteis não tecidos
(t> 2mm)
1<Cu≤3 15090
=dO
4
5090
=dO
3<Cu≤5 35090
=dO
6
5090
=dO
Cu>5(*) 35090
=dO
6
5090
=dO
e/ou e/ou
Cu>5(**) 19090
=dO
8,1
9090
=dO
(*) regime permanente (**) regime transitório NOTAS: a) quando % passados #200(ASTM) > 30% : apenas deve ser utilizada a envolvente granulométrica abaixodo diâmetro 1mm. b) quando % passados #200(ASTM) > 50% :O90≠200µm e O90≠d90
Tanto os filtro granulares como os geotêxteis são dimensionados com base na
experiência, sendo por isso, os métodos de dimensionamento totalmente empíricos.
Dado este empirismo, é de grande importância que seja adequadamente caracterizado
o regime hidráulico e a granulometria do solo de base.
Uma abordagem mais recente, resultado de estudos laboratoriais, baseada na
compatibilização do solo de base com o geotêxtil, pretende ser uma abordagem mais
teórica dos fenómenos de filtragem, ao mesmo tempo que pretende confirmar a
adequação dos métodos empíricos até hoje utilizados. Os ditos estudos utilizam, na
sua maioria, o ensaio com permeâmetro, descrito na norma ASTM-”Test Method for
measuring the System Clogging Pottential by the Gradient Ratio (D510190)”. Este
58
Capítulo 2 Geossintéticos
equipamento permite medir os gradientes hidráulicos no solo e na fronteira
solo/geotêxtil de modo a verificar a compatibilização entre o solo e o geotêxtil, ou
seja, verificar se os gradientes hidráulicos não são muito díspares, e se não são
geradas elevadas forças de percolação que resultem em fenómenos de instabilidade
hidráulica. A quantificação dessa compatibilização é feita através da razão de
gradiente GR (Gradiente Ratio) e que se expressa da seguinte maneira:
sg
s
s
sg
KK
ii
GR ==
(2.19)
onde,
is – gradiente hidráulico medido no solo
isg – gradiente hidráulico medido na fronteira solo/geotêxtil
ks – permeabilidade medida no solo
ksg – permeabilidade medida na fronteira solo/geotêxtil
, sendo o coeficiente de permeabilidade (k) e o gradiente hidráulico (i) definidos por:
iqk =
(2.20)
ahi
∆∆
=
(2.21)
em que,
q – caudal que atravessa a secção em estudo, onde se faz a medição.
i – gradiente hidráulico
∆h – carga hidráulica
∆a – comprimento da zona filtrante
Os resultados obtidos permitiram identificar um valor fronteira que caracteriza dois
graus de compatibilização. Assim, para:
59
Capítulo 2 Geossintéticos
GR<1 algumas das partículas adjacentes ao geotêxtil migram para o interior
deste, ou atravessam-no, o que muitas vezes sugere o desenvolvimento
de filtros estáveis; uma diminuição continuada, pode sugerir
incompatibilidade, com tendência para a ocorrência de fenómenos de
“pipping”.
GR>1 existe um impedimento do livre fluxo de água na zona adjacente ao
geotêxtil; um aumento continuado pode sugerir incompatibilidade, com
tendência para a colmatação.
Os valores aqui apresentados são meramente indicativos, já que dada a relativamente
curta experiência na utilização deste método, não existe ainda consenso total na
definição destes valores de fronteira.
Os estudos de compatibilidade baseados na razão de gradiente GR têm ainda sido
efectuados por diversos autores (Shi, 1994, Fannin et al., 1996, Palmeira et al. 1996,
Gardoni, 2000), na tentativa de reproduzir as condições reais de aplicação, num
permeâmetro modificado, com a possibilidade de aplicação de tensões normais aos
geossintéticos, e fluxos unidireccionais (Figura 2.10 a) e bidireccionais (Figura 2.10 b).
Pistão de carregamento
Porta de leituraBase rígida perfurada
Porta de leituraCélula do permeâmetro
Geotêxtil
Base rígida perfuradaMedição de caudal
Q
Q
Solo
Carga axialLVDT
Base colectora
Bomba
Transdutor de pressão
Medição de caudal
Permeâmetro
Geotêxtil Solo
a)Fluxo unidireccional; b)Fluxo reversível.
Figura 2.10 – Permeâmetro utilizado em ensaios de filtragem sob confinamento (adaptado de Hameiri, 2000).
Critério de Permeabilidade
Para os filtros granulares a condição a verificar , sugerida pelo U.S. Waterways
Experiment Station (1948), é a seguinte:
515
15 ≥dD
(2.22)
60
Capítulo 2 Geossintéticos
Os filtros em geotêxteis, em especial os não tecidos, são geralmente mais permeáveis
que os filtros granulares que tenham a mesma dimensão de poros. Assim, o filtro em
geotêxtil não tecido, deve ser genericamente preferido ao filtro granular nas
aplicações em que a permeabilidade é essencial (Giroud et al.,2002).
O critério de permeabilidade para geotêxteis impõe uma relação entre as
permeabilidades normais do geotêxtil (kg) e do solo (ks), de modo a que não sejam
gerados excessos de pressão intersticial. Assim, a permeabilidade do geotêxtil deve
ser superior à do solo, ainda mais se for verificada a compatibilidade a longo prazo
(critério de colmatação). Essa relação é do tipo:
kg ≥ c ks (2.23)
em que:
c=
10 para solos granulares ou geotêxteis tecidos e não tecidos finos(<2mm)
50 a 100 para silte ou solos coesivos
100 para geotêxteis não tecidos espessos(>2mm)
2.4.4 Drenagem
A função de drenagem é muito semelhante à de filtragem, na medida em que o
geossintético deve reter as partículas de solo e permitir a passagem da água que
percola no solo. No entanto, a água que tenderia a atravessar o geossintético, deve
ser drenada ao longo dos seus planos, pelo interior da sua estrutura. Nesta função,
assume especial importância a espessura do geossintético, que como se sabe é maior
nos geotêxteis não tecidos e em alguns geocompósitos.
As propriedades essenciais a exigir ao geossintético no desempenho desta função são:
percentagem de área aberta (aplicável somente a geotêxteis tecidos);
dimensão aparente dos poros;
transmissividade;
compressibilidade;
espessura.
O conceito que surge associado à drenagem é o da transmissividade e que, à
semelhança da permissividade, pode ser definido como a facilidade com que o fluxo
61
Capítulo 2 Geossintéticos
de água se estabelece ao longo dos planos do geossintético, ou seja, o fluxo de água
que é drenado pelo geossintético. Assim:
tk p *=θ (2.24)
em que:
θ - permissividade
kp – Coeficiente de permeabilidade no plano do geotêxtil
t – espessura do geotêxtil definida para uma determinada pressão normal (2, 20 e 200 kPa através da norma EN 964-1)
Os critérios de retenção do solo e compatibilidade a longo prazo são semelhantes aos
descritos para a filtragem.
Em grande parte das utilizações correntes dos geossintéticos, como elementos de
filtro e/ou dreno, existem tensões normais aplicadas aos geossintéticos com ordens de
grandeza que variam sensivelmente entre 100 e 1000 kPa, em obras correntes e em
grandes aterros, respectivamente. No presente caso, das obras ferroviárias, a ordem
de grandeza das tensões ao nível da base da camada de balastro situa-se em cerca de
100-200 kPa. Os geossintéticos, quando colocados sob tensão, sofrem uma redução da
sua espessura, acarretando uma diminuição da capacidade de transporte de água, e
logo uma diminuição da eficiência das suas propriedades hidráulicas.
Opta-se então por apresentar um estudo relativo à influência das tensões normais
aplicadas ao geossintético, na sua espessura e coeficientes de permeabilidade normal
e ao longo do plano. Os resultados destes estudos (Palmeira e Gardoni, 2000)
mostram, como se pode ver na Figura 2.11, a variação da espessura e dos coeficientes
de permeabilidade de um geotêxtil não tecido agulhado, com o nível de tensão
aplicado e o grau de impregnação por partículas de solo (λ).
62
Capítulo 2 Geossintéticos
a) Espessura do geotêxtil versus tensão normal b) Permeabilidade normal (Kn); Permeabilidade no
plano versus tensão normal. NOTAS: λ - factor definido como a razão entre a massa de partículas de solo presas no geotêxtil Ms e a massa dasfibras do geotêxtil Mfnef – porosidade efectiva Propriedades do geotêxtil: 600g/m2; t = 4,6mm; n = 0,89 (porosidade); O95=0,060mm; df=0,0250mm(diâmetro da fibra do geotêxtil) (Gardoni, 2000)
Figura 2.11 – Influência das tensões normais. aplicadas aos geossintéticos (adaptado de Palmeira e
Gardoni, 2000).
É importante notar que a presença de partículas de solo na estrutura do geotêxtil,
embora reduzindo a sua permeabilidade, pode não ser prejudicial para a sua
transmissividade, já que a rigidez das partículas de solo conferem alguma rigidez ao
geotêxtil, reduzindo a sua compressibilidade (Palmeira e Gardoni, 2000).
Quando várias funções em simultâneo têm que ser conjugadas para um geossintético,
como é na estabilização do solo de fundação em linhas-férreas, duas propriedades
governam a sua capacidade de filtragem: a dimensão aparente dos poros e a
permeabilidade. A dimensão aparente dos poros (AOS- “Aparent Opening Size”)
controla a capacidade do geossintético na retenção das partículas de solo. A
permeabilidade mede a facilidade com que se estabelece o fluxo de água, quer ao
longo do plano do geossintético (transmissividade), quer através do geossintético
(permissividade).
O Quadro 2.10 mostra uma classificação das propriedades hidráulicas para aplicações
em estabilização de solos de fundação, segundo Lawson 1995. Este quadro encontra-se
dividido em três grandes grupos, de acordo com o regime de filtragem: filtragem
negligenciável; filtragem laminar; filtragem dinâmica. Os valores apresentados foram
63
Capítulo 2 Geossintéticos
obtidos a partir de uma compilação de dados de projectos, considerados de boa
prática corrente nos Estados Unidos.
Quadro 2.10 – Classificação das propriedades hidráulicas para estabilização de solos de fundação
(adaptado de Lawson, 1995).
Abertura dos poros Permeabilidade
Categoria AOS1
O95
Permissividade2
ψ(s-1)
Transmissividade3
Q50(L.m-2.s-1)
1) A separação é a principal função e a
filtragem é negligenciável. O95≤0,5mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5
2) A separação e filtragem são relevantes
e o regime é laminar:
a) o solo a filtrar é
predominantemente granular; O95≤ d854 ψ≥ 0,5 Q50≥ 25
b) o solo a filtrar é
predominantemente siltoso; O95≤ 2d854 ψ≥ 0,5 Q50≥ 25
c) o solo a filtrar é
predominantemente coesivo. O95≤ 0,15mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5
3) As funções de filtragem e separação
são relevantes, e é necessária a
prevenção do fenómeno”pumping”.
O95≤ 0,085mm ψ≥ 0,1 Q50≥ 5
Notas: 1 Medida de acordo com ASTM D 4751; 2 Medida de acordo com ASTM D 4491; 3 Medida de acordo com ASTM D 4491, com uma carga hidráulica de 50mm; 4 d85 - Dimensão do solo de base tal que, 85% das partículas têm dimensões inferiores.
Quando a função de filtragem é negligenciável, admitem-se poros bem abertos,
baseados no valor de AOS e, em simultâneo, são usados valores de permeabilidade
baixos. Quando a filtragem é laminar, o geossintético comporta-se de maneira
idêntica a um filtro granular, e aplicam-se critérios hidráulicos idênticos de acordo
com o tipo de solo a ser filtrado. Quando são susceptíveis de ocorrer fenómenos de
bombeamento por acção de cargas de carácter cíclico, a prática corrente é limitar
tanto o valor de AOS como a permeabilidade do geossintético (Cope, 1993).
2.5 DURABILIDADE DOS GEOSSINTÉTICOS
A questão da durabilidade dos geossintéticos é a mais abordada quanto ao cepticismo
que ainda se coloca relativamente à utilização de geossintéticos em obras de grande
envergadura e responsabilidade. De facto, a utilização com carácter sistemático dos
geossintéticos remonta ainda aos anos 70 do séc XX, o que, comparativamente aos
64
Capítulo 2 Geossintéticos
materiais tradicionais, os solos, é ainda muito recente. No entanto, as provas dadas
até à data mostram que os geossintéticos, quando correctamente dimensionados, não
comprometem a vida útil da obra.
Desde a existência dos geossintéticos que se tem apostado em estudar quais as causas
que levam a que, em algumas obras, a degradação destes seja mais acelerada do que
o previsto. Assim, tem vindo a atribuir-se estas degradações aceleradas a três tipos de
acções:
transporte, manuseamento e colocação em obra inadequados;
evolução da própria matéria que constitui o geossintético;
acção de agentes mecânicos (fluência e relaxação), químicos, físicos e
biológicos.
Transporte, manuseamento e colocação em obra inadequados
No que toca às acções referidas, existem já procedimentos laboratoriais (ensaio de
danificação durante a instalação) que permitem estimar a perda de resistência sofrida
pelos geossintéticos, em função do material e equipamento de compactação a utilizar.
Uma vez que este tipo de danificação pode comprometer as funções que o
geossintético vai desempenhar, e mesmo o seu comportamento mecânico de curto e
longo prazo, é de primordial importância que realize este tipo de ensaio, adequando-o
às condições verificadas “in situ”.
As operações de remoção, preparação da superfície, manuseamento e colocação do
geossintético, espalhamento e colocação do solo não são suaves e, na maioria dos
casos, são realizados por trabalhadores pouco sensíveis à delicadeza destas operações
(Greenwood, 1998). No sentido de promover uma correcta forma de instalação do
material em obra, existem procedimentos, considerados adequados, que procuram
minorar as danificações nos geossintéticos.
De acordo com a GMA (Geosynthetic Material Association), a forma correcta de
proceder à instalação de geossintéticos em obras de Vias de Comunicação,
desempenhando estes funções de separação, estabilização e reforço de fundações é a
seguinte:
- preparar a base ou superfície onde vai ser colocado o geossintético, removendo
objectos cortantes pontiagudos, ou pedras de grandes dimensões;
65
Capítulo 2 Geossintéticos
- desenrolar o geossintético sobre essa superfície, mantendo-o na correcta posição
com a ajuda de pinos, solo ou pedras colocados nas extremidades do geossintético;
- os geossintéticos adjacentes devem ser sobrepostos aos anteriormente colocados e,
se necessário, dependendo da resistência do solo de fundação, cosidos; assim, são
aconselhadas as sobreposições indicadas no Quadro 2.11, em função da resistência do
solo de fundação (CBR):
Quadro 2.11– Sobreposições aconselhadas de acordo com a resistência do solo de fundação (adaptado de
G.M.A.).
Resistência do solo
de fundação (CBR)
Sobreposição directa
(cm)
Costura da
sobreposição (cm)
<1 - 23
1-2 97 20
2-3 76 8
>3 60 -
- a deposição do material granular sobre o geossintético pode ser feita por descarga
directa a partir de camiões e depois espalhada, no caso de solos de fundação firmes;
para solos com baixa capacidade de suporte, a descarga deve ser feita sobre o
material granular previamente descarregado e só posteriormente espalhado sobre o
geossintético;
- nas operações de compactação, em especial com cilindros vibratórios, deve ser
garantida uma espessura mínima de agregados de 30 cm sobre o geossintético.
Evolução da própria matéria que constitui o geossintético
Quanto à evolução da matéria, pode dizer-se que sendo os polímeros (matéria-prima
dos geossintéticos) sintéticos é considerado que a duração de vida destes não é posta
em causa, no entanto, podem sofrer alterações ao nível da sua estrutura interna, sem
que isso implique, "à priori", degradação do geossintético.
Acção de agentes mecânicos (fluência e relaxação), químicos, físicos e biológicos.
As acções externas do tipo mecânico que podem comprometer a durabilidade dos
geossintéticos a longo prazo são fundamentalmente a fluência e a relaxação que
correspondem, respectivamente, ao aumento da deformação sob tensão constante e à
66
Capítulo 2 Geossintéticos
diminuição da tensão para uma taxa de deformação constante. Este tipo de
fenómenos ocorre pelo facto de os polímeros constituintes dos geossintéticos exibirem
um comportamento elasto-visco-plástico, dependentes do tempo, carga e
temperatura.
A fluência, embora causada por acções externas, normalmente do tipo estático, deve-
se a factores internos, ao nível do polímero, por deslizamentos entre cadeias
poliméricas. A razão destes deslocamentos relativos é função dos agentes exteriores
(força aplicada e temperatura do meio), da estrutura molecular que constitui o
filamento, da intensidade das forças coesivas intermoleculares e ainda da estrutura do
próprio geossintético. A relaxação é normalmente motivada por solicitações
alternadas ou do tipo cíclico, e deve-se essencialmente ao tipo de estrutura do
geossintético e do seu processo de fabrico.
Hoedt (1986), através de ensaios de fluência sobre geossintéticos realizados para
níveis de tensão de cerca de 20 e 60% da sua resistência à tracção, verificou a
sensibilidade dos 4 tipos de polímeros mais utilizados a fenómenos de fluência. Assim,
constatou a maior sensibilidade do polietileno, seguida do polipropileno, poliamida e
do poliéster.
Nas acções físico-químicas estão incluídas: as degradações fotoquímicas (radiações
solares UV) que provocam a quebra das ligações químicas nas macromoléculas dos
polímeros, reduzindo a resistência do geossintético, e as degradações térmicas
(fundamentalmente aumentos de temperatura) que aceleram a velocidade das
reacções químicas e consequentemente a degradação dos polímeros. Associada à
degradação térmica está muitas vezes presente o elemento oxigénio, pelo que a
reacção passa a ser do tipo termo-oxidativa. Este tipo de acções é geralmente
provocado pelos agentes atmosféricos e o maior grau de exposição a estes agentes
ocorre numa fase prévia à instalação dos geossintéticos em obra, em que os
geossintéticos são armazenados em estaleiro.
Relativamente às degradações fotoquímicas (radiações UV) assume especial relevância
o tipo de polímero constituinte do geossintético e o tipo de ligação dos componentes.
Estudos de Lopes et al. (2001) durante 30 semanas de exposição sobre 5 tipos de
geotêxteis, 4 em polipropileno e 1 em poliéster, mostram que o polipropileno é mais
sensível à acção dos raios UV e que os geotêxteis não tecidos com filamentos curtos
termoligados são muito mais sensíveis que os geotêxteis não tecidos agulhados.
67
Capítulo 2 Geossintéticos
Mostram ainda que a adição de aditivos anti UV nos materiais em polipropileno é
determinante na melhoria do seu comportamento em termos de resistência, chegando
mesmo a ser comparável aos em poliéster.
O aumento da temperatura, como é sabido, acelera a velocidade com que se dão as
reacções químicas, favorecendo assim a degradação dos polímeros. Naturalmente que
existem polímeros mais sensíveis aos fenómenos de degradação térmica. Assim,
segundo Pilarczyk (2000), os polímeros mais sensíveis às degradações térmicas são o
polietileno e o polipropileno, sendo o poliester e a poliamida menos sensíveis, como
se pode ver na Figura 2.12.
0
50
100
150
-20 0 20 40 60 80 100t (ºC)
%da
Res
istê
ncia
àT
racç
ãoa
20 ºC
PolietilenoPoliamidaPoliésterPolipropileno
0
50
100
150
-20 0 20 40 60 80 100t (ºC)
%da
Res
istê
ncia
àT
racç
ãoa
20 ºC
PolietilenoPoliamidaPoliésterPolipropileno
Figura 2.12 – Efeito da temperatura na resistência à tracção dos polímeros constituintes (adaptado de Pilarczyk, 2000).
Tal como com a temperatura, também o aumento da quantidade de oxigénio presente
no meio acelera a degradação dos geossintéticos (Figura 2.13).
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20
40
60
80
100
120
140
70ºC,8%O2
80ºC,8%O2
70ºC,21%O290ºC,8%O280ºC,21%O2
90ºC,21%O2
Exposição (dias)
Res
istê
ncia
retid
a (%
)
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20
40
60
80
100
120
140
70ºC,8%O2
80ºC,8%O2
70ºC,21%O290ºC,8%O280ºC,21%O2
90ºC,21%O2
Exposição (dias)
Res
istê
ncia
retid
a (%
)
Figura 2.13 – Influência da quantidade de oxigénio presente na degradação dos geossintéticos (adaptado
de Salman et al., 1998).
68
Capítulo 2 Geossintéticos
Santos et al. (2002) estudou laboratorialmente as degradações termo-oxidativas em
geossintéticos constituídos por polipropileno e poliéster, tendo constatado que existe
sensibilidade dos polímeros a esta degradação, mas que não é muito significativa,
tendo-se verificado (Figura 2.14) uma perda de resistência à tracção de cerca de 2%
para o poliéster e cerca de 9% para o polipropileno.
ReferênciaDanificada
6
10
12
8
Res
istê
ncia
à tra
cção
(kN
/m)
PET PP
16,015,7
14,012,8
a)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PP
73 7580
68
b)
14
16
ReferênciaDanificadaReferênciaDanificada
6
10
12
8
Res
istê
ncia
à tra
cção
(kN
/m)
PET PP
16,015,7
14,012,8
a)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PP
73 7580
68
b)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PP
73 7580
68
b)
14
16
Figura 2.14 – Degradação termo-oxidativa em geotêxteis não tecidos em polipropileno e em poliéster
(adaptado de Santos et al., 2002).
As acções químicas e bacteriológicas surgem maioritariamente como resultado do
contacto do geossintético com o solo envolvente, quando colocado em obra. Assim, as
acções químicas surgem quando o polímero constituinte do geossintético apresenta
reactividade ao oxigénio, iões metálicos, ácidos, bases, solventes e água. Essa
reactividade traduz-se numa quebra de ligações químicas com a consequente
diminuição do comprimento das cadeias moleculares e alteração química das cadeias
pela exclusão ou inclusão de novas moléculas. A susceptibilidade dos geossintéticos a
estas acções depende, naturalmente, do tipo de polímero que constitui o
geossintético.
Estudos laboratoriais de Santos et al. (2002) sobre geotêxteis não tecidos em poliéster
e polipropileno em soluções ácidas e alcalinas mostram pouca sensibilidade dos
materiais a soluções ácidas (Figura 2.15) e uma importante sensibilidade dos materiais
a soluções alcalinas (Figura 2.16).
69
Capítulo 2 Geossintéticos
ReferênciaDanificada
6
10
12
8R
esis
tênc
iaà
tracç
ão(k
N/m
)
PET PPa)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PPb)
14
16
7776
8286
15,014,6
12,012,2
ReferênciaDanificada
6
10
12
8R
esis
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tracç
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N/m
)
PET PPa)
90
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807060
Def
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ação
(%)
PET PPb)
14
16
7776
8286
8286
15,014,6
15,014,6
12,012,212,012,2
Figura 2.15 – Efeito de soluções ácidas em geotêxteis não tecidos em PP e PET (adaptado de Santos et
al., 2002).
ReferênciaDanificada
6
10
12
8
Res
istê
ncia
à tra
cção
(kN
/m)
PET PPa)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PPb)
14
16
10
Rig
idez
(kN
/m2 )
PET PPc)
12
14
16
18
20
22
82 82
15,0
12,0 11,9
20,5
11,014,6 14,5
73 72
7,9
ReferênciaDanificada
6
10
12
8
Res
istê
ncia
à tra
cção
(kN
/m)
PET PPa)
90
5040
807060
Def
orm
ação
(%)
PET PPb)
14
16
10
Rig
idez
(kN
/m2 )
PET PPc)
12
14
16
18
20
22
82 82
15,0
12,0 11,9
20,5
11,014,6 14,5
73 7273 72
7,97,9
Figura 2.16 – Efeito de soluções alcalinas em geotêxteis não tecidos em PP e PET (adaptado de Santos et
al., 2002).
As acções de carácter biológico são consequência da presença de micro-organismos no
meio onde está colocado o geossintético. Estes micro-organismos podem atacar os
polímeros ou mesmo até os aditivos, deixando os geossintéticos vulneráveis à
degradação. Podem ainda, na referida decomposição, dar origem ao desenvolvimento
de produtos nocivos aos constituintes poliméricos. No entanto, estudos realizados até
ao momento apontam para uma boa resistência biológica dos polímeros mais comuns
no fabrico de geossintéticos. Como justificação desta constatação experimental
aponta-se o facto de os micro-organismos consumirem somente as fracções
poliméricas de muito baixo peso molecular, o que faz com que as propriedades dos
plásticos não sejam praticamente afectadas (Lopes, 1992).
70
CAPÍTULO 3
APLICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS EM LINHAS-FÉRREAS
3.1 INTRODUÇÃO
As linhas-férreas têm sido em Portugal, e um pouco por toda a Europa, alvo de
importantes mudanças nos últimos anos. Isto tem-se traduzido na reabilitação de
muitas linhas e na construção de novas linhas. Tal como nas obras rodoviárias,
também nas obras ferroviárias a aplicação de geossintéticos se tem mostrado uma
solução técnica e economicamente atractiva, especialmente no caso de reabilitação
de linhas.
A aplicação de geossintéticos em linhas-férreas é já feita com com bastante sucesso
noutros países tal como os Estados Unidos, França e Inglaterra desde os anos 70. No
entanto, em Portugal esta aplicação tem um carácter ainda relativamente recente, o
que leva a que o conhecimento nesta área não seja ainda grandemente sustentado.
Surge então a necessidade de aprendizagem do conhecimento adquirido noutros
países, verificando o potencial de aplicação ao caso Português.
As vantagens de aplicação de geossintéticos às linhas-férreas que reunem o maior
consenso entre a literatura da especialidade são as seguintes:
permitir aumentar os intervalos de manutenção do material da camada de
balastro;
controlar o fenómeno de contaminação do balastro;
permitir reduzir os deslocamentos horizontais e transversais da camada de
balastro;
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
reduzir os asssentamentos diferenciais na camada de balastro;
minorar o impacto ambiental, associado à exploração de pedreiras;
reduzir os custos iniciais e de exploração;
maior disponibilidade de materiais e maior facilidade e rapidez de aplicação.
Considera-se aplicação de geossintéticos em linhas-férreas a inclusão destes ao nível
da superestrutura da ferrovia (conforme Capítulo 1), ainda que estes possam, como
muitas vezes o são, ser utilizados no corpo dos aterros que suportam a estrutura.
Ao longo deste capítulo será analisado o comportamento de diversos geossintéticos
no desempenho de determinada função, quando aplicados em linhas-férreas.
Seguidamente à análise do desempenho dos geossintéticos nas suas funções serão
analisados os estudos laboratoriais existentes, relativos aos fenómenos de
danificação em estudo na presente dissertação: a abrasão e a danificação durante a
instalação dos geossintéticos aplicados na estrutura ferroviária.
3.2 DESEMPENHO DE GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS FERROVIÁRIAS
A aplicação de geossintéticos em obras ferroviárias apresenta algumas
especificidades quando comparado com outras aplicações. Estas especificidades
resultam do carácter cíclico que as solicitações apresentam, da granulometria e
forma do material que contacta directamente com os geossintéticos (balastro) e do
carácter abrasivo a que o geossintético está sujeito. Os estudos que até agora têm
sido realizados dividem-se em estudos laboratoriais a pequena escala, a escala real,
e em estudos realizados "in situ". Entendeu-se que seria de interesse mostrar uma
panorâmica relativamente aos estudos realizados para esta aplicação, e dentro
desta, para cada função especificamente.
3.2.1 Desempenho de Geotêxteis em Separação e Filtragem/Drenagem
O tipo de geossintéticos usados no desempenho desta função são essencialmente os
geotêxteis. Dentro destes, é analisada a influência do tipo de estrutura face ao solo
de fundação e o seu comportamento a longo prazo (colmatação dos poros).
Um dos factores de grande relevância no estudo do desempenho dos geotêxteis em
obras ferroviárias na função de filtragem /drenagem é o carácter dinâmico (cíclico)
que as cargas apesentam.
72
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
3.2.1.1 Estudos laboratoriais em pequena escala
Os estudos de pequena escala tentam essencialmente “isolar” a influência de vários
parâmetros no desempenho dos geotêxteis, como a frequência, o grau de colmatação
do geotêxtil, o tipo de solo de fundação e o tipo de geotêxtil .
Bell et al. (1982) avaliou a capacidade de separação de vários geotêxteis colocados
entre agregados de 20mm e siltes compactos de baixa plasticidade, sujeitos a
carregamentos cíclicos com 5Hz de frequência numa gama de tensões de 25-75KPa. A
duração dos carregamentos foi de 24h, o que corresponde a cerca de 432 000 ciclos
de carga. Os autores concluíram que a contaminação dos agregados e a colmatação
do geotêxtil estavam relacionadas com a razão entre as dimensões das partículas de
solo D85 e a dimensão característica dos poros do geotêxtil O95. Os seus resultados
confirmaram um dos critérios de retenção utilizados (O95 <D85), já que quando tal se
verificava, o nível de contaminação era mínimo. Adicionalmente, foram realizadas
medições de pressões intersticiais, indicando que associados a elevadas taxas de
dissipação das pressões intersticiais estavam elevados níveis de colmatação. Por fim,
os seus resultados mostraram que os finos presos na estrutura do geotêxtil não tecido
se concentravam por baixo dos pontos de contacto com os agregados.
Esta última observação, da maior concentração de finos por baixo dos pontos de
contacto dos agregados, foi já confirmada por vários autores (Lafleur et al., 1990),
que a justificam pela mudança na estrutura do geotêxtil sob tensão. Estes mesmos
autores, realizando ensaios com geotêxteis não tecidos, sujeitos a cargas cíclicas
numa célula de consolidação (Figura 3.1) com agregados de 2 e 6mm, observaram
uma mudança na distância entre fibras da estrutura do geotêxtil sob tensão,
conforme este se encontre por baixo ou entre partículas de agregado. Assim,
seguindo a técnica desenvolvida por Masounave et al. (1980) para análise da referida
distância entre fibras foi feita a impregnação da amostra de geotêxtil com resina e
posterior análise da sua microfotografia. Os resultados desse estudo permitiram
retiras as seguintes conclusões: sendo a distância entre pontos de contacto na
superfície do geotêxtil sensivelmente idêntica ao diâmetro das partículas do
agregado, vem que as tensões induzidas pelo agregado de 6mm são nove vezes
superiores às do de 2mm, já que os pontos de contacto por área unitária de
superfície são nove vezes inferiores. Assim, a modificação da estrutura do geotêxtil é
directamente proporcional à razão entre a dimensão média dos agregados e a
espessura do geotêxtil.
73
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Solo de fundação
Geossintético
Nível de águaSub-base
Pistão de carregamento
Figura 3.1 – Célula de consolidação (adaptado de Lafleur et al.,1990)
Tendo as partículas de balastro dimensões da ordem dos 31,5-63mm, pode dizer-se
que a relação entre a área de contacto das partículas e o geotêxtil, face à área entre
pontos de contacto, é muito baixa, o que significa que a mudança da estrutura do
geotêxtil é também muito baixa, logo poderá considerar-se desprezável a mudança
de estrutura do geotêxtil.
Hoare (1982) realizou ensaios para avaliar o comportamento de três geotêxteis na
separação de agregados de 20mm e o solo de fundação (argila plástica), com níveis
de tensão de 10-30 e 25-75kPa e frequências na gama 0,5-10Hz. O número de ciclos
variou entre 13500 a 216000. As conclusões do autor foram que a contaminação é
função do nível de tensão, aumentando logaritmicamente com o número de ciclos
(ainda em progressão ao fim de 216000 ciclos); a gama de frequências estudada não
mostrou grande influência ao nível da contaminação .
Estudos relativos à influência da frequência no grau de contaminação (Lafleur et al.,
1990) mostram a variação do coeficiente de permeabilidade em função da frequência
(1-10Hz), para diferentes tipos de solos de fundação S1 e C3, corespondendo estes
respectivamente a um silte não plástico e a uma argila plástica. O geotêxtil utilizado
era um não tecido agulhado com as seguintes características: massa por unidade de
área (m.u.a.)-180g/m2; O90-180mm; t –1,9 µm. Nos resultados da Figura 3.2 pode
ver-se que a variação da frequência não produz efeitos significativos na
permeabilidade do geotêxtil (nível de contaminação), sendo esta última muito mais
influenciada pelo tipo de solo de fundação utilizado. As conclusões relativas à
influência da frequência vão de encontro às obtidas por Hoare (1982).
74
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Frequência(Hz)1 5 10
0.1
Geotêxtil virgem
Geotêxtil colmatado
S1
C3
15mm
6mm
C3
Perm
eabi
lidad
e do
geo
têxt
il (1
0^-3
m/s
)
S1
0.2
0.3
0.4
0.5
1
2
3
6mm
2mm
Figura 3.2 – Decréscimo de permeabilidade versus Frequência (adaptado de Lafleur et al.,1990).
Lafleur (1990), utilizando os mesmos materiais do estudo anterior, analisou a
influência do tipo de solo de fundação no grau de contaminação do geotêxtil, tendo
concluído, como se pode ver na Figura 3.3, que a redução mais acentuada na
permeabilidade do geotêxtil se verificou para o solo C3. O maior grau de colmatação
provocado pelo solo C3 deve-se, segundo o autor, à maior área específica das
partículas de argila, que oferecem maior resistência ao fluxo de água.
Massa por unidade de área de partículas no interior do geotêxtil(g/m2)
0 200 400 600 800
0.3
0.40.5
1
2
3
Perm
eabi
lidad
e do
geo
têxt
il(10
^-3
m/s
)
C3
S1
S1
C3
Figura 3. 3 – Permeabiblidade versus nível de contaminação (adaptado de Lafleur et al.,1990).
Estudos que pretendem dar a conhecer a influência do grau de compactação do solo
de fundação realizados por Loubinoux et al.(1982) e Faure et al.(1984) mostram que
no caso de materiais granulares, sem coesão, sujeitos a solicitações dinâmicas de
compactação, o principal parâmetro a considerar para assegurar a retenção do solo
75
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas pelo geossintético é a dimensão do agregado. Assim, se a abertura de filtragem do
geossintético for inferior a duas vezes a dimensão do agregado O90<2D85, forma-se
uma estrutura granular estável em contacto com o filtro mesmo em condições
dinâmicas. No entanto, para solos finos, com coesão, a simples comparação da
abertura característica do geossintético com a dimensão do agregado não é
suficiente, já que a coesão e o grau de compactação do solo desempenham um
importante papel.
Faure e Imbert (1996) mostraram a influência da compacidade do solo de fundação,
da estrutura do geossintético e do grau de saturação da camada granular no
comportamento da estrutura ferroviária. A análise foi feita em termos de grau de
contaminação do balastro. Neste sentido importa, talvez, conhecer com mais detalhe
o estudo realizado.
Os ensaios foram realizados em argilas compactas e em argilas moles com vários
geotêxteis e com um grau de saturação variável do solo de fundação:
- argilas compactas
O equipamento utilizado pelos autores consistia num pistão acoplado a motores com
rodas excêntricas, que aplicava cargas a uma amostra contida num recipiente. Este
equipamento (Figura 3.4) é capaz de aplicar na amostra tensões até 200kPa à
frequência de 25 ou 50Hz.
Motores de rodas excêntricas
Transdutor de cargaTransdutor de deslocamento
Argila
Figura 3.4 – Equipamento utilizado em argilas compactas (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
A amostra era constituída por 2 camadas que podiam, ou não, ser separadas por um
geossintético. As duas camadas pretendiam ser representativas do solo de fundação e
da camada granular que constitui o balastro/sub-balastro. As suas composições eram:
76
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
- camada granular 0/20, 100% britada e limpa de impurezas, de basalto, sobre
- camada de argila ocre (80%>40µm) da classe A2 (de acordo com a norma Francesa
NF Para 11300), representativa de grande parte do solos argilosos encontrados em
França.
A espessura destas 2 camadas era de cerca de 120mm, na altura de colocação. Em
todos os ensaios a argila apresentava um grau de compactação superior a 90%, e a
duração dos ensaios era de 48h. O agregado apresentava um teor em água de 8 a
10%.
Os geotêxteis ensaiados eram não-tecidos, um agulhado (340g/m2 e O90=90µm) e
outro termoligado (280g/m2 e O90=40µm). Os resultados dos ensaios podem ver-se na
Figura 3.5, dos quais se conclui relativamente à altura a que sobem os finos que:
- a aplicação de geotêxteis reduz, efectivamente a altura a que sobem os finos;
- o agulhado mostra ser o mais eficaz, com uma redução de 2/3 relativamente ao
termoligado.
γd NOP
Altura da subida de finos(mm)
Peso específico da argila(KN/m3)
10 12 14 16 18 200
5
10
15
20
25
30
35
40
Termoligado
Agulhado
Sem geotêxtil
Figura 3.5 – Influência dos geotêxteis na subida de finos (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
Um segundo estudo no mesmo equipamento foi efectuado com uma amostra
saturada, estado representativo de um sistema de drenagem deficiente da estrutura,
tendo-se verificado que, independentemente do solo de fundação ser
adequadamente compactado, grandes quantidades de argila contaminam o balastro,
não havendo praticamente melhorias de comportamento pela colocação de
geotêxteis.
77
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas - argilas moles
Nestes ensaios, o geotêxtil mostrou desempenhar um papel muito importante,
especialmente para os solos com grau de compactação insuficiente e elevado teor em
água. Os geotêxteis utilizados foram os que a seguir se apresentam no Quadro 3.1.
Quadro 3.1- Propriedades dos geotêxteis utilizados (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
Geotêxtil Descrição M.u.a (g/m2)
Dimensão característica dos
poros (peneiração
hidrodinâmica)
PF(150,125) Não tecido agulhado 150 125
PF(220,90) Não tecido agulhado 220 90
PF(320,75) Não tecido agulhado 320 75
TP(136,20) Não tecido termoligado 136 20
TP(200,70) Não tecido termoligado 200 70
tPT(48,120) Tecido monofilamento 48 120
AM(230,105) Fita tecida 230 105
O equipamento utilizado foi um odómetro, semelhante ao apresentado na Figura 3.1,
tendo os geotêxteis sido colocados entre uma camada de 0,10m de argila, a mesma
utilizada nos ensaios anteriores, e uma camada de esferas de vidro de 10mm. O uso
de esferas de vidro permite uma fácil recolha do material que atravessa o geotêxtil.
A amostra foi comprimida simetricamente por dois pistões e aplicada uma carga
cíclica de 100kPa a uma frequência de 1Hz durante 40 000 ciclos. A argila era
saturada e ligeiramente consolidada, apresentando as seguintes propriedades:
- γd=11KN/m3
- W=48%
- Wl=53%
As principais conclusões retiradas foram as seguintes:
- relativamente à massa de solo movimentada (soma da massa presa na estrutura do
geotêxtil com a que o atravessa), pode ver-se na Figura 3.6 que, abaixo dos 10 000
ciclos, os termoligados funcionam melhor a conter a argila que os agulhados, isto
para geotêxteis com a mesma m.u.a. e dimensão característica dos poros; para além
dos 10 000 ciclos, os termoligados são menos eficientes e os movimentos de solo
aumentam;
78
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Número de ciclos1000
010000 100000
Não tecido termoligado
Não tecido agulhado
TP(200,70)
TP(68,330)
PF(320,75)
PF(220,90)
PF(150,125)
TP(136,120)
Massa de solo movimentada/(n.Of.Tg)(106kg/m4)
5
10
15
20
25
30
35
40
Figura 3.6 – Variação da massa de solo movimentada com o número de ciclos (n: porosidade;
Tg:espessura; Of: Dimensão aparente dos poros do geotêxtil). (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
- a massa de solo que atravessa os agulhados parece ser proporcional ao número de
ciclos, em escala logarítmica (Figura 3.7); quanto aos termoligados, e outros
geotêxteis, a taxa de solo que os atravessa aumenta consideravelmente entre os
5 000 e os 10 000 ciclos, sendo esse aumento mais significativo para os termoligados
(o autor considera necessário realizar ensaios para um maior número de ciclos para
que se possa confirmar a referida tendência); a massa de solo que atravessa o
geotêxtil é, no fundo, o que condiciona o comportamento a longo prazo da camada
granular (representativa do balastro), visto que constitui a fonte de contaminação,
logo, potencialmente, os agulhados revelam alguma vantagem no comportamento a
longo prazo.
Número de ciclos1000
010000 100000
TP(200,70)
PF(320,75)
PF(220,90)
PF(150,125)
Massa de solo que atravessa o geotêxtil (kg/m2)
0,5
1
1,5
2
tPT(48,120)
tTP(48,120)
TP(136,120)
SC(150,90)
AM(230,105)
79
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Figura 3.7 – Influência do tipo de estrutura na massa de solo que atravessa o geotêxtil. (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
- relativamente à quantidade de solo presa no interior da estrutura dos geotêxteis, os
agulhados revelam maior capacidade (Figura 3.8); isto é consequência da sua maior
espessura para a mesma m.u.a., comparativamente aos outros tipos de geotêxteis.;
por outro lado, no que respeita à evolução da taxa de poluição, definida na Figura
3.9 através da relação massa de solo/(n.Tg) - em que (n.Tg) representa o volume de
vazios- os agulhados apresentam melhor comportamento a longo prazo do que os
termoligados, revelando os termoligados tendência para a colmatação com a
formação de uma barreira impermeável.
Número de ciclos1000
010000 100000
TP(200,70)
PF(320,75)
PF(220,90)
PF(150,125)
Massa de solo presa na estrutura do geotêxtil (kg/m2)
TP(136,120)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Agulhado
Termoligado
TP(68,330)
Figura 3.8 – Quantidade de solo presa no interior da estrutura do geotêxtil (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
Número de ciclos
PF(150,125)
PF(220,90)
PF(320,75)
TP(68,330)
TP(200,70)
TP(138,120)
1000 10000 1000000.0
0.1
0.2
0.3
0.5
0.6
0.7
0.4
0.8
0.9
Termoligado
Agulhado
Massa de solo presa/n.Tg (10-3 kg/m3)
Figura 3.9 – Evolução da taxa de poluição com o número de ciclos (adaptado de Faure e Imbert, 1996).
80
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
3.2.1.2 Estudos Laboratoriais em escala real
Um dos equipamentos utilizados neste tipo de estudos, e do qual mais
frequentemente se faz referência na bibliografia é o “Vibrogir”, representado
esquematicamente na Figura 3.10. Este equipamento é utilizado pela companhia
ferroviária Francesa SNCF (Société Nationale dês Chemins de fer Français) para
simulação das cargas resultantes do tráfego ferroviário. Assim, a uma travessa de via
férrea é aplicada uma carga de 20 toneladas a uma frequência de 50Hz.
Pode considerar-se que 10 horas de solicitações no “Vibrogir” corresponde
aproximadamente a um tráfego diário de 100 000 toneladas (Nancey e Imbert, 2002).
Figura 3.10 - Esquema representativo do equipamento em escala real “Vibrogir” (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).
Estudos realizados neste equipamento por Faure e Imbert (1996), na sequência de
estudos em pequena escala (já referidos anteriormente), sobre os mesmos tipos de
geotêxteis, colocados entre o solo de fundação e o sub-balastro, com uma m.u.a
variável entre os 280 e as 420g/m2, mostram conclusões de interesse, e que passam a
apresentar-se:
- os geotêxteis tecidos mostram zonas danificadas com corte de fibras;
- os três geotêxteis não tecidos termoligados ensaiados mostram-se praticamente
impermeáveis nos testes com solicitações dinâmicas (à semelhança dos ensaios em
pequena escala);
- todos os geotêxteis não tecidos agulhados mantiveram a mesma permissividade,
independentemente do tipo de solo de fundação ensaiado, que variou entre argila,
81
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas argilo-arenoso e margas; todos os solos apresentavam um grau de compactação de
95%;
- após 200 horas de utilização do equipamento, o nível de contaminação do sub-
balastro estava limitado à altura de 3-4cm para os geotêxteis não-tecidos agulhados;
com recurso a ensaios de azul de metileno para determinação da percentagem de
partículas contaminantes no sub-balastro, constatou-se que nos agulhados de 320 e
400g/m2 a percentagem de partículas contaminantes eram de 18 e 10%,
respectivamente; os valores verificados para os termoligados são inferiores, de 4 a
8%, no entanto são uma consequência da sua total colmatação, transformando-se
numa barreira impermeável.
Estudos de Nancey e Imbert (2002) realizados no mesmo equipamento sobre
geotêxteis com especificações, de acordo com as de Raymond (1999) para caminhos
de ferro Norte Americanos, no contexto dos caminhos de ferro Franceses e Europeus,
consideraram uma duração de carregamento, que variou entre 20h (em condições
secas e saturadas), e 80,120, e 200h para condições secas. As principais conclusões
do estudo foram as seguintes:
- por observação visual, nas 20h para condições saturadas, foi vista uma grande
quantidade de finos (esta conclusão está de acordo com a de Faure e Imbert, 1996);
- relativamente à permissividade dos geotêxteis, verificou-se um ligeiro decréscimo,
para a níveis aceitáveis (Figura 3.11), não se tendo verificado a ocorrência de
colmatação;
Perm
issi
vida
de (
mm
/s)
0
2
4
6
12
8
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Duração do carregamento no "Vibrogir"
14
Figura 3.11– Evolução da permissividade (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).
82
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
- a transmissividade do geotêxtil sofreu um pequeno decréscimo inicial (Figura 3.12),
mantendo-se na restante duração do carregamento com um valor sensivelmente
constante.
0
20kPa 200kPa
(10-
6m2/
s)
0
2
4
6
8
10
12
20 40 60 80 100 140120 160 180 200 220Duração do carregamento no "Vibrogir"
Figura 3.12 – Evolução da transmissividade (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).
3.2.1.3 Estudos realizados “in situ”
Numerosos estudos "in situ" têm vindo a ser realizados nos caminhos de ferro Norte
Americanos desde os anos 80, com o objectivo de promover a reabilitação das zonas
mais problemáticas das suas linhas-férreas. Esta investigação tem sido levada a cabo
pela Universidade de Queen's (liderada por G.P.Raymond) para a C.N.R.(Canada
National Rail), C.P.R.(Canada Pacific Rail) e T.C.(Transport Canada). Vários
documentos, Raymond et al. (1981), Raymond e Gerry (1982), Raymond (1984),
Raymond (1985) e Raymond (1999), com recomendações, têm vindo a ser elaborados
com as propriedades a exigir aos geossintéticos para aplicação aos caminhos de ferro.
Raymond, G.(1999) exumou vários tipos de geotêxteis tecidos, não tecidos finos
termoligados, não tecidos agulhados com filamentos contínuos e descontínuos, todos
eles com m.u.a. inferior a 475g/m2. Os resultados mostraram que em sítios com
graves deficiências do sistema de drenagem todos os geotêxteis falharam na função
de separação e filtragem/drenagem, ao ponto de permitirem o bombeamento de
finos. Tal como constatado em Raymond (1984) os geotêxteis tecidos e os não tecidos
finos termoligados colmataram, agindo como impermeáveis, criando-se por baixo
destes uma fina película de lodo plástico (com finos<75µm). A análise à superfície do
solo de fundação indica que o geotêxtil indicado para esta utilização deve ser do tipo
não tecido agulhado com m.u.a superior a 500g/m2.
83
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Ashpiz et al.(2002) apresentam um estudo realizado na reabilitação da linha-férrea
St.Petersburg-Moskow que involveu a aplicação de geotêxteis com posterior
exumação ao fim de 1 e 5 anos de utilização. Nesta reabilitação, foram removidos 40
a 50cm do antigo balastro e colocado o geotêxtil sobre o balastro antigo
remanescente. O tipo de geotêxtil utilizado foi um não tecido termoligado com
m.u.a. 300g/m2. Adicionalmente à colocação do geotêxtil, foram colocadas na sua
interface camadas protectoras de areia.
As conclusões do referido estudo foram que a presença da camada de areia, para
além de camada protectora do geotêxtil, funciona como filtro, diminuindo a
quantidade de solo presa no geotêxtil. Ao fim de 5 anos de utilização, foi verificada
alguma contaminação do geotêxtil, tendo a permeabilidade de toda a estrutura
baixado cerca de 1,5 vezes. A contaminação verificada foi identificada como
proveniente da própria camada de balastro e algumas impurezas trazidas pelas águas
da chuva. Na base do balastro novo, a contaminação não mostrou ter significado,
provando assim a eficácia do geotêxtil.
3.2.1.4 Conclusões
Da análise dos estudos apresentados relativamente ao desempenho de geotêxteis em
separação e filtragem/drenagem algumas conclusões podem ser retiradas:
1. os níveis de contaminação, para solos de fundação granulares, estão
relacionados com a razão dimensão das partículas de solo/dimensão
característica dos poros do geotêxtil;
2. a elevadas taxas de dissipação de pressões intersticiais estão associados
elevados níveis de contaminação;
3. os solos de fundação com coesão e elevada percentagem de finos apresentam
maior potencial para a contaminação das camadas sobrejacentes;
4. os geotêxteis não tecidos agulhados são, daqueles aqui analisados, os que
melhor desempenho a longo prazo apresentam em funções de controlo da
contaminação;
5. uma maior m.u.a. e espessura dos geotêxteis não tecidos garante um melhor
desempenho no controlo do fenómeno de contaminação do balastro e
sobrevivência a fenómenos de danificação;
84
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
6. condições deficientes de drenagem têm, inevitavelmente, associadas elevados
níveis de contaminação;
7. as aplicações "in situ" confirmam a eficiência efectiva dos geotêxteis no
desempenho destas funções.
3.2.2 O Uso de Geomembranas na Impermeabilização da Plataforma Ferroviária
A solução de impermeabilização da plataforma ferroviária surge quando se está em
presença de solos sensíveis à acção da água, os quais, na presença desta tendem a
tornar-se plásticos, com diminuição das suas características resistentes, facilitando a
penetração do balastro. Esta solução é implementada, no pressuposto de que a água
que chega à plataforma é somente a da chuva, e que esta é drenada lateralmente,
ou seja, em condições eficientes de drenagem. Noutras situações, em que o nível
freático está próximo da superfície, especial atenção deve ser dada às condições de
drenagem, caso contrário, a solução será ainda pior que a situação inicial, visto que
permite a acumulação de água por baixo da impermeabilização, sem hipótese de ser
escoada no sentido ascendente, dando-se o amolecimento da fundação.
Assim, a primeira condição a verificar serão as condições hidráulicas e
hidrogeológicas do local. Se estas forem julgadas boas, pode fazer-se a aplicação
desta solução. O critério da S.N.C.F. para o nível freático, é que este esteja pelo
menos 2m abaixo da camada de balastro, podendo esta distância ser diminuída para
1m se o nível freático for rebaixado por um sistema de drenagem efectivo e sujeito a
boas condições de manutenção.
Para a impermeabilização da fundação, a solução que mais correntemente se utiliza
é a da aplicação de geomembranas. Esta solução para além de impermeabilizar o solo
de fundação também permite travar o fenómeno de contaminação do balastro
proveniente das camadas inferiores. A experiência com geomembranas tem-se
mostrado vantajosa técnica e economicamente.
3.2.2.1 Estudos laboratoriais
No sentido de conhecer qual o tipo de geomembrana que melhor desempenho
apresenta neste tipo de aplicação, têm vindo a ser realizados ensaios laboratoriais
em escala real. Na S.N.C.F., utilizando o “Vibrogir” já anteriormente apresentado,
foram realizados ensaios (Imbert et al., 1996) que simularam a passagem de tráfego
85
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas ferroviário correspondente a mais de 20 anos de utilização numa linha com grande
frequência de cargas pesadas. Diferentes tipos de geomembranas foram aplicados,
reagindo cada um desses tipos de maneira diferente. Umas são perfuradas
provocando fugas, outras deformam-se e cedem, formando depressões onde se
acumula a água da chuva. Os melhores resultados foram obtidos com geomembranas
betuminosas reforçadas, com mais de 5 mm de espessura. Estas geomembranas
betuminosas são obtidas pelo espalhamento de betume sobre um geotêxtil.
As conclusões do estudo foram que a geomembrana betuminosa permite às partículas
de balastro ficarem incrustadas na sua superfície, como se pode ver na Figura 3.13,
sem que estas deixem de ser impermeáveis. Consegue simultaneamente incrementar
o seu ângulo de atrito superficial, favorecendo a sua própria ligação à camada de
balastro. Para além de impermeabilizar o solo de fundação e favorecer a aderência à
camada de balastro, as geomembranas permitem travar o fenómeno da contaminação
da camada de balastro proveniente das camadas inferiores.
Figura 3.13 – Geomembrana betuminosa incrustada de partículas de balastro (adaptado de Imbert et al. 1996).
Estudos laboratoriais realizados por Tebay et al.(2002), num equipamento
desenvolvido pela Universidade de Leeds (Reino Unido) conforme se apresenta na
Figura 3.14, com dimensões próximas das reais, permitem simular o tráfego de
diferentes tipos de comboios. Como se pode ver na Figura 3.15, o equipamento
permite simular o tráfego de comboios de carga, passageiros e alta velocidade,
mediante a aplicação de diferentes cargas (até 120kN) com três actuadores
hidráulicos, a diferentes frequências (até 10Hz) durante 1 000 000 de ciclos.
86
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Figura 3.14 – Equipamento para simulação de tráfego ferroviário (Tebay et al. 2002).
Índice de tempo
Índice de carga
0
20
60
40
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
a)Comboio de carga
Índice de carga
80
200
0
40
60
1Índice de tempo
0,2 0,4 0,80,6
100
b)Comboio de passageiros
Índice de carga
80
20
00
40
60
100
1Índice de tempo
0,2 0,4 0,80,6
c) Comboio de alta velocidade
Figura 3.15 – Perfil de carregamento das travessas (adaptado de Tebay et al. 2002).
Os ensaios foram realizados com uma camada de 800mm de balastro e outra de
500mm de argila separadas por uma geomembrana ou um geotêxtil. Em todos foi
adicionada água nos primeiros 200 000 ciclos simulando condições deficientes de
drenagem. Uma das principais conclusões do estudo foi que a inclusão da
geomembrana na interface balastro-fundação (solo argiloso) é extremamente eficaz
a manter o módulo de deformabilidade do solo de fundação, sendo este, ao fim de
1 000 000 de ciclos, 10 vezes superior quando comparado com a solução sem
geossintéticos. Outra conclusão de relevo é que a aplicação exclusiva de um geotêxtil
não é eficaz no comportamento a longo prazo, já que os finos acabam por ser
bombeados para a camada de balastro acabando por contaminá-la. Esta conlusão
vem confirmar a de Raymond (1999) para condições deficientes de drenagem.
3.2.2.2 Estudos realizados “in situ”
Uma das primeiras utilizações de geomembranas em caminhos-de-ferro é a descrita
num trabalho de Imbert et al. (1996) e data de 1973. Nesta aplicação foram
produzidos 40 000m2 de geomembrana “in situ”, pelo espalhamento de betume Shell
Mexphalte 100/40 à taxa de 10Kg/m2 sobre um geotêxtil. A sua colocação foi feita na
87
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas interface solo de fundação/sub-balastro. O sucesso desta e outras aplicações resultou
na produção deste tipo de geomembranas, em fábrica, a partir de 1974.
A S.N.C.F. fez uma aplicação deste produto na zona de Limoges (França),
directamente por baixo da camada de balastro, tendo a obra sido monitorizada
regularmente. Segundo a S.N.C.F., à data de publicação do trabalho (1996), a
geomembrana contava já com 20 anos de utilização e com um desempenho
considerado satisfatório.
Uma aplicação mais recente, descrita num estudo de Selig et al.(2002), de uma
geomembrana betuminosa reforçada – Coletanche NTP4 - confirma a sua eficácia na
resolução do problema de "amolecimento" do solo de fundação causado pela entrada
de água na plataforma. Maior detalhe relativamente a esta aplicação pode ser
consultado no referido estudo.
3.2.2.3 Conclusões
Do apresentado, podem retirar-se as seguintes conclusões principais:
1. o uso de geomembranas sobre solos de fundação sensíveis à água é eficaz a
manter o seu módulo de deformabilidade quando a água é proveniente das
camadas superiores;
2. as geomembranas betuminosas com espessura superior a 5mm permitem a
incrustação das partículas de balastro, sem deixarem de se manterem
impermeáveis, favorecendo a sua ligação à camada de balastro pelo aumento
do ângulo de artito superficial;
3. as geomembranas permitem travar o fenómeno da contaminação do balastro,
proveniente das camadas inferiores;
4. zonas com níveis freáticos considerados elevados, a distâncias inferiores a 2m
da camada de balastro, com condições de drenagem profunda deficientes
desaconselham o uso de geomembranas, podendo o uso destas comprometer o
funcionamento da estrutura.
3.2.3 Desempenho de Geogrelhas em Reforço
Actualmente, a superestrutura da via, isto é, os carris, o tipo e afastamento das
travessas, o sistema de aperto, etc., estão já num estado de desenvolvimento
considerado óptimo, e qualquer melhoria só poderia reduzir marginalmente (4 a 6 %)
88
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
o nível de tensões na plataforma. No entanto, as tensões ao nível da plataforma
podem ser drasticamente reduzidas com melhorias ao nível das camadas que
constituem a infraestrutra (Jain, V. e Keshav, K., 1999).
As geogrelhas são usadas para reforço da camada de balastro no sentido de diminuir
as deformações verticais permanentes que esta sofre durante a aplicação de cargas
cíclicas, controlar os assentamentos diferenciais que possam surgir no
desenvolvimento longitudinal da obra e ainda provocar um maior confinamento do
balastro, restringindo os seus movimentos laterais. As deformações plásticas e os
assentamentos diferenciais pioram o comportamento da estrutura da via, dando
origem a deformações sucessivamente maiores, pondo em causa a segurança e a
eficiência da via. Este fenómeno é chamado de deterioração da via e tem como
consequência a redução da velocidade de circulação, ou mesmo, a total restrição de
circulação.
A utilização de geogrelhas, para além de melhorar o comportamento do balastro,
permite que os intervalos de manutenção desse sejam mais alargados, reduzindo
portanto os custos e as perturbações do tráfego.
A monitorização das obras previamente à intervenção, é necessária no sentido de
identificar a causa e origem dos assentamentos. A necessidade de reforço com
geogrelhas pode ser devida à falta de capacidade de carga da fundação (em que são
verificados elevados assentamentos verticais, com a penetração das camadas
granulares na base da plataforma) ou a um inadequado dimensionamento da
espessura das camadas de balastro e sub-balastro (podem verificar-se elevados
assentamentos verticais mas não a penetração do balastro na base da plataforma, a
menos que os níveis de degradação sejam tão avançados que os níveis de tensão
sejam demasiado elevados face à capacidade de carga da base da plataforma). A
eficácia das geogrelhas no reforço da camada de balastro é afectada por diversos
factores, como a geometria das aberturas das geogrelhas, conforme se verificou no
Capítulo 2, o número, níveis, afastamento e profundidade de colocação dos reforços.
Os estudos laboratoriais e "in situ" têm abordado estas questões, com resultados que
se consideram de interesse.
89
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
90
3.2.3.1 Estudos laboratoriais
Raymond e Walters (1999) realizaram um estudo em pequena escala num
equipamento semelhante ao da Figura 3.16, com a colocação de um nível de reforço
em geogrelhas a várias profundidades. Algumas das principais conclusões do estudo
foram que a colocação de reforços no balastro reduz eficazmente as suas
deformações plásticas, sendo a profundidade óptima de colocação desse mesmo
reforço cerca de 6 e 12 % da largura da base de carregamento, o que para a típica
largura de via de 2m corresponde aproximadamente a uma profundidade de 120 a
240mm.
a) Equipamento utilizado
b) Esquema de colocação dos materiais
Figura 3.16 - Determinação laboratorial da eficiência do reforço com geogrelhas (adaptado de
Raymond, 2002).
Ensaios em escala real, realizados por Jain e Kesheav (1999) num equipamento de
dimensões 13x3,75m com carregamentos de 20 a 32 ton aplicados a frequências de 2-
5 Hz mostram a eficácia da aplicação de 1 e 2 níveis de geogrelhas biaxiais,
colocadas no interior da camada de sub-balastro. As amostras são constituídas por
uma camada de balastro com 0,3m de espessura, outra de sub-balastro com 0,6m e o
solo de fundação com 2m. Os resultados desse mesmo estudo, segundo Montanelli e
Recalcati (2003), podem ver-se no Quadro 3.2 e correspondem somente às
solicitações dinâmicas. Estas solicitações dinâmicas são obtidas a partir das totais,
medidas à profundidade de 0,9m da base das travessas, deduzidas da carga estática,
correspondente ao peso das camadas de balastro e sub-balastro. Como se pode ver, a
introdução de 1 nível de geogrelhas reduz as solicitações dinâmicas entre 20 e 40%,
aumentando essa redução para 30 a 60% com dois níveis de reforço.
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Quadro 3.2– Influência da aplicação de reforços na redução das cargas dinâmicas medido 0,9m abaixo das travessas (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).
Sem reforço Um nível de reforço Dois níveis de reforço Carga/eixo
(ton)
Tensões
dinâmicas
(KPa)
Tensões
dinâmicas
(KPa)
Redução(%)
Tensões
dinâmicas
(KPa)
Redução(%)
16,00 18,79 10,94 42 7,51 60
20,32 24,84 16,99 32 13,07 57
22,10 27,34 19,49 29 15,56 43
25,00 31,40 23,55 25 19,63 37
30,00 38,41 30,56 20 16,64 31
No estudo inicial de Jain e Kesheav (1999), a principal conclusão extraída foi que a
camada de 1m de espessura medida a partir da base das travessas é que realmente
governa a capacidade de carga da infraestrutura ferroviária, visto que é aqui onde se
processa a maioria das degradações de tensões; a partir deste ponto um aumento das
cargas de tráfego conduz apenas a aumento marginal das tensões no solo, conforme
se pode ver na Figura 3.17. Isto significa que intervenções na infraestrutura para o
aumento da capacidade de carga podem ser limitadas ao 1m de solo superficial, ou
seja, dentro das camadas que constituem a infraestrutura ferroviária.
Legenda:20,32 ton/eixo22,10 ton/eixo23,50 ton/eixo25,00 ton/eixo30,00 ton/eixo
Tensão(Kg/cm2)
Prof
undi
dade
aba
ixo
das
trav
essa
s(cm
)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
40
80
120
160
200
240
Figura 3.17 – Variação das tensões induzidas em profundidade (adaptado de Jain e Kesheav,1999).
Raymond (2002) realizou ensaios laboratoriais em pequena escala, sobre o efeito da
colocação de geogrelhas em balastro de via-férrea. O estudo usou o equipamento
apresentado na Figura 3.16, com uma largura da placa de carregamento de
B=300mm, uma largura de reforço Br=375mm e uma camada de agregado H=50mm. A
geogrelha foi colocada à profundidade Dr=20mm. Inferiormente a estas camadas foi
colocada uma camada de material elastómero, que permite simular diferentes
91
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas valores para a rigidez da fundação (fundação rígida, fundação de média rigidez com
Em=4,4MN/m2 e fundação compressível com Em=0,0625MN/m2).
Os valores da largura da placa de carregamento e da camada granular permitem
obter uma razão H/B=0,167, semelhante à utilizada nas estruturas reais. A
profundidade de colocação da geogrelha foi escolhida de forma a que nas estruturas
reais essa profundidade correspondesse à profundidade das operações de
manutenção e atacamento do balastro, ou seja, sensivelmente uma razão de
Dr/B=0,067.
Este estudo pretendeu avaliar fundamentalmente 3 efeitos:
- o do reforço no valor das deformações plásticas, sob a acção de cargas cíclicas;
- o da rigidez do solo de fundação, sob a acção de cargas cíclicas;
- o da rigidez da fundação na quebra das partículas de balastro.
Ensaios sobre agregados angulares compactos com tensões de Wr=100 kPa mostraram
que o reforço conduziu a uma redução nos assentamentos plásticos de 30% (fundação
rígida) e a 37% (fundação compressível) após 10 000 ciclos de carga. O efeito de
reforço mostrou-se ainda de maior eficácia para os agregados em condições soltas. O
autor concluiu que a utilização de reforços nas estruturas ferroviárias reduz
efectivamente os assentamentos plásticos nos materiais granulares angulares.
No que toca à quebra de partículas, o autor verificou que a maior quebra se deu para
o solo de fundação de maior compressibilidade. A introdução do reforço reduz a
quebra de partículas em 30,2 a 36,7%. O autor afirma que o reforço do balastro é
benéfico na redução da quebra de partículas, aumentando a longevidade do balastro.
3.2.3.2 Estudos realizados "in situ"
A monitorização de obras "in situ" com a aplicação de geogrelhas não é ainda muito
frequente e detalhada, sendo os resultados até à data apresentados em termos de
extensões medidas à profundidade de colocação dos elementos de reforço. Assim,
somente serão comparados os resultados obtidos com alguns valores já medidos
noutras monitorizações, consideradas de referência.
Como valores de referência para as extensões podem considerar-se os obtidos por
monitorização num troço experimental no Colorado (FAST) e apresentados por Selig e
Waters (1994). Estes valores permitem distinguir as extensões ao nível das camadas
92
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
de balastro e sub-balastro. Para estas camadas, podem considerar-se como valores
médios de extensão ao fim de 3x107 ton de tráfego cerca de 0,035 para o balastro e
sub-balastro.
Um dos casos de aplicação de geogrelhas, conjuntamente com um geotêxtil na
função de filtragem, é o da reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola (Itália) que
apresentava problemas de assentamentos totais e diferenciais. O material que
compunha o aterro era do tipo siltoso, chegando os valores de assentamentos totais a
atingir, em alguns pontos, os 13mm pelo que uma rápida intervenção se impunha. A
solução a adoptar para a secção foi baseada numa análise de elementos finitos e é a
que se apresenta na Figura 3.18, sendo constituída por uma camada de balastro com
0,5m de espessura e outra de sub-balastro com 0,7m. Foram então instalados dois
níveis de geogrelhas (cujas principais características se apresentam no Quadro 3.3)
na camada de sub-balastro, instrumentados com células de leitura, acoplados a um
sistema automático de aquisição capaz de realizar leituras à frequência de 1Hz.
6,5m
0,5m
1m
12345678
Células de leitura
Nível superior da geogrelha instrumentada
Nível inferior da geogrelha instrumentada
Figura 3.18 – Secção adoptada para reabilitação da linha-férrea Foligno-Terontola (adaptado de Montanelli e Recalcati, 2003).
Quadro 3.3 – Principais propriedades da geogrelha aplicada.
Propriedade Valores obtidos
Resistência à tracção 30 x 30 KN/m
Elongação na rotura 11 x 11 %
Resistência à tracção a 2% de elongação 10,5 x 10,5 KN/m
Resistência à tracção a 5% de elongação 21 x 21 KN/m
Massa por unidade de área 560 g/m2
Dimensão das aberturas da geogrelha 40 x 27 mm
Dimensão aparente dos poros do geotêxtil 0,08 – 0,13 mm
93
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas A monitorização desta estrutura é reportada por Montanelli e Recalcati (2003), com
leituras feitas no nível superior das geogrelhas, na vertical dos carris, 0,3m abaixo da
camada de balastro, mostrando valores de extensão vertical de 0,0014 sobre a
locomotiva e 0,0008 sobre as carruagens. Estes valores de extensão vertical,
comparativamente aos de Selig e Waters (1994), mostram a eficiência da geogrelha
como reforço da camada de sub-balastro, assegurando uma eficaz degradação de
tensões em profundidade, e maior homogeneidade no comportamento de toda a
estrutura, reduzindo a probabilidade de ocorrência de assentamentos diferenciais.
Outras medições feitas a 1m da vertical dos carris, no sentido exterior, mostram
extensões verticais da ordem de 0,0003, provando que a aplicação de geogrelhas
actua simultaneamente na degradação das tensões lateralmente, pela resistência à
tracção dada ao material granular, garantindo com isto o confinamento lateral do
balastro. Maior detalhe relativamente à monitorização desta estrutura pode ser
consultada em Buonanno et al.(1999) e Montanelli e Recalcati (2003).
Uma outra aplicação de geogrelhas com posterior monitorização foi a realizada em
Celje-Eslovénia (1996), com o mesmo tipo de geogrelhas utilizadas no caso
apresentado anteriormente e um geotêxtil como filtro. O solo de fundação era do
tipo siltoso e com fraca capacidade de carga (E<10MPa), pelo que se optou pelo seu
reforço. A solução adoptada foi uma camada de balastro com 0,3m de espessura e
uma de sub-balastro com 0,6m. A geogrelha foi aplicada na base do sub-balastro,
juntamente com células de leitura, tendo estas registado extensões da ordem dos
0,0002, o que comparativamente aos valores de Selig e Waters (1994) de 0,035,
revela a eficácia do reforço com geogrelhas para solos com baixa capacidade de
carga.
3.2.3.3 A aplicação de geogrelhas em balastro reciclado
Dada a escassez de materiais granulares que cada vez mais se verifica para as obras,
não só pela efectiva falta desses, mas também pelo impacte ambiental associado à
exploração de pedreiras, surge a reciclagem de balastro. A reciclagem do balastro
consiste na recolha do balastro usado em linhas-férreas e sua posterior peneiração. A
granulometria do material reciclado a utilizar deve ser idêntica à de um novo
balastro. Apesar de a granulometria ser idêntica, o seu comportamento não será
idêntico.
94
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Assim, o balastro reciclado, devido às microfissuras nas suas partículas e à quebra de
partículas sofrida nos ciclos de carregamento anteriores, tende a adquirir uma forma
mais rolada, o que se traduz naturalmente numa menor resistência friccional e
ângulo de atrito. As consequências relativamente ao seu comportamento na estrutura
ferroviária será a existência de maiores assentamentos verticais e laterais, quando
comparado com o balastro novo. No entanto, o comportamento do balastro reciclado
pode ser melhorado pela inclusão de geossintéticos, em particular geogrelhas.
Indraratna et al. 2002, em estudos realizados na University of Wollongong (Austrália),
para modelar o comportamento do balastro sob a acção de cargas cíclicas utilizaram
uma célula triaxial de grandes dimensões (800x600x600mm), desenvolvida na mesma
Universidade, conforme se pode ver na Figura 3.19. As cargas verticais foram
aplicadas através de actuador hidráulico a uma travessa de madeira, com uma
intensidade máxima de 75kN, capaz de produzir um nível de tensões, ao nível da
interface travessa/balastro, semelhante ao verificado para uma carga por eixo de
25ton. A frequência de aplicação de cargas foi de 15Hz durante 500 000 ciclos de
carga. As tensões laterais aplicadas às amostras, para simulação das condições reais,
foram σ2=10kPa (sentido longitudinal da via) e σ3=7kPa (sentido lateral da via).
Figura 3.19 – Célula triaxial de grandes dimensões (Indraratna et al. 2002).
Os provetes ensaiados eram constituídos por 4 camadas granulares: uma camada de
50mm de argila compacta (solo de fundação), 100mm de uma mistura de areia com
gravilha (sub-balastro), 300mm de balastro novo e reciclado e uma camada de
150mm de balastro (novo e reciclado) colocado entre as travessas e as paredes da
célula. Os geossintéticos foram colocados na interface balastro/sub-balastro no
sentido de optimizar o desempenho do balastro reciclado.
95
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Os geossintéticos utilizados foram uma geogrelha biaxial aplicada isoladamente e,
seguidamente, em conjunto com um geotêxtil não tecido em polipropileno. As
propriedades dos geossintéticos podem ver-se no Quadro 3.4
Quadro 3.4 - Propriedades dos geossintéticos utilizados por Indraratna et al. (2002).
Propriedade Geogrelha Geogrelha+Geotêxtil
Resistência à tracção 30 x 30KN/m 30KN/m
Elongação na rotura 11 x 10 % 11%
Resistência à tracção a 2% de elongação 10,5 x 10,5KN/m -
Resistência à tracção a 5% de elongação 21 x 21KN/m -
Massa por unidade de área 420g/m2 560g/m2
Dimensão das aberturas da geogrelha 40 x 40mm 40 x 40mm
Foram colocadas células de leitura na base das travessas e do balastro para medir
deformações verticais, assim como nas paredes verticais da célula para medir as
deformações horizontais.
Segundo os autores, e como se pode ver na Figura 3.20, no que respeita aos
assentamentos medidos na base das travessas, as principais conclusões são:
Balastro novo (seco)Balastro recilcado (seco)Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)
25 ton/eixo a 15 HzRápido incremento dos assentamentos
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 0
5
10
15
20
25
Asse
ntam
ento
das
tra
vess
as(m
m)
Nº de ciclos
Estabilização
Figura 3.20 - Assentamento da travessa versus número de ciclos de carga (adaptado de Indraratna et al., 2002).
- o balastro novo e o reciclado apresentam comportamento não-linear, podendo este
ser representado por uma recta em escala logarítmica;
- em todos os ensaios, independentemente do tipo de reforço utilizado e do grau de
saturação, foi verificado que a taxa de assentamentos tende a estabilizar ao fim de
100 000 ciclos de carga, passando esta taxa a ser aproximadamente constante;
96
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
- o balastro reciclado apresenta maiores assentamentos comparativamento ao novo,
vindo estes diminuídos pela inclusão de geossintéticos;
- a inclusão do geocompósito geogrelha+geotêxtil no balastro reciclado seco melhora
o seu comportamento, em termos de assentamentos, tornando-o próximo do balastro
novo seco;
- a inclusão de uma geogrelha no balastro reciclado seco melhora moderadamente o
seu comportamento, mas não tanto como o geocompósito;
- segundo os autores, a conclusão anterior resulta de a abertura das geogrelhas
utilizadas (40mm) ser maior que a dimensão média das partículas do balastro
(D50=35mm), sendo de esperar melhores resultados nos assentamentos para aberturas
inferiores das geogrelhas (note-se que esta justificação não é concordante com a de
Jewell (1996), uma vez que este sugere para a função de reforço que a razão óptima
entre a dimensão das aberturas da geogrelha e a dimensão média D50 o solo a
reforçar seja pelo menos 3);
-o balastro reciclado saturado, como seria de esperar, apresenta assentamentos
bastante superiores comparativamente ao seu estado seco, independentemente do
tipo de reforço;
-o balastro reciclado estabilizado com o geocompósito, quando saturado, não revela
grande aumento nos assentamentos, sendo a melhoria de comportamento, em
relação ao caso anterior, provavelmente devida à acção de filtro do geotêxtil;
Relativamente à evolução da extensão principal ε1 (vertical) com o número de ciclos
de carregamento, apresentada na Figura 3.21, obtida por leituras efectuadas na base
das travessas e na base do balastro, os autores extraíram as seguintes conclusões:
97
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Balastro novo (seco)Balastro reciclado (seco)Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)
0
2
4
6
8
10
Exte
nsão
pri
ncip
al ε
1(%)
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
ε1(+)
ε2(+)
Nº de ciclos
Figura 3.21 - Variação da extensão principal máxima ε1 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).
- como esperado, ε1 é maior no caso do balastro reciclado seco, comparativamente
ao balastro novo seco; a inclusão do geocompósito no balastro é mais eficaz a reduzir
as extensões verticais do que a geogrelha utilizada isoladamente;
- a saturação do balastro reciclado reforçado com geogrelha aumenta
significativamente a taxa das extensões verticais sofridas; em contraste, esse
aumento não é verificado quando se utiliza o geocompósito, daí que se conclua que o
geocompósito funcione melhor em condições deficientes de drenagem;
- o comportamento do balastro, em termos de extensões verticais, e
independentemente do tipo de reforço utilizado pode ser traduzido por uma relação
do tipo linear, em escala logarítmica.
As inclinações das rectas que traduzem a tendência de comportamento do balastro
parecem indicar que, apesar de a extensão sofrida inicialmente ser bastante
superior para o balastro reciclado este evolui a uma taxa mais lenta com o aumento
do número de ciclos aplicados.
As extensões laterais ε2 e ε3, apresentadas nas Figuras 3.22 e 3.23, foram calculadas
a partir da média dos deslocamentos laterais das paredes verticais e das dimensões
iniciais dos provetes. A extensão ε2 (extensão principal intermédia) é correspondente
à direcção perpendicular à orientação das travessas, ou seja, o alinhamento
longitudinal da linha-férrea, e ε3 (extensão principal mínima) corresponde à direcção
de orientação das travessas.
98
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Relativamente à extensão principal intermédia ε2, as conclusões foram as seguintes:
Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil (seco)
Balastro reciclado/geogrelha (seco)Balastro reciclado/geogrelha (saturado)
Balastro reciclado (seco)Balastro novo (seco)
ε2(+)
ε1(+)-0,8
-0,4
0,0
-1,2
-1,6
Nº de ciclos
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Exte
nsão
inte
rméd
ia ε
2(%)
Figura 3.22 - Variação da extensão principal intermédia ε2 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).
- as extensões horizontais ε2 iniciais para o balastro reciclado são bastante superiores
às do balastro novo, devido à perda das características friccionais do balastro;
- a inclusão do geocompósito no balastro reciclado seco reduz significativamente as
suas extensões, chegando estas, com o decorrer do número de ciclos, a ser inferiores
às do balastro novo (isto mantém-se válido para condições de saturação do balastro);
- em contraste, a inclusão da geogrelha isoladamente no balastro reciclado reduz
apenas marginalmente as extensões sofridas por este, provavelmente por a dimensão
das aberturas das geogrelhas ser superior à dimensão média das partículas do
balastro;
Para a extensão principal mínima ε3, apresentada na Figura 3.23, as conclusões são
semelhantes às referidas para ε2.
99
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Balastro novo(seco)Balastro reciclado(seco)Balastro reciclado/geogrelha(seco)Balastro reciclado/geogrelha(saturado)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil(seco)Balastro reciclado/geogrelha-geotêxtil(saturado)
ε1(+)
ε2(+)
ε3(+)Exte
nsão
mín
ima ε3
(%)
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
Nº de ciclos
Figura 3.23 - Variação da menor extensão principal mínima ε3 com o número de ciclos (adaptado de Indraratna et al., 2002).
Note-se a eficiência que a aplicação deste tipo de reforço tem na contenção lateral
do balastro, diminuíndo, ou mesmo eliminando, a necessidade da existência de
ombreiras de balastro.
Finalmente, o estudo incidiu sobre as características de degradação das partículas do
balastro, tendo sido aplicado o método de Marsal (1973), que permite avaliar a
variação da granulometria (antes e após ensaio) para cada fracção granulométrica. As
conclusões do estudo, baseado no referido método, foram que:
- as partículas de balastro novo mais susceptíveis a quebra, são as de granulometria
45-60mm, sendo no balastro reciclado as de 30-50mm;
- as partículas de balastro reciclado sofrem 97% mais de quebra do que as partículas
de balastro novo nas mesmas condições de solicitção, devido à presença de
microfissuras no balastro reciclado resultantes dos anteriores ciclos de
carregamento;
- a inclusão de uma geogrelha no balastro reciclado reduz a percentagem de quebra
em 42%, e em 48% no caso de utilização do geocompósito.
Este estudo mostra que a aplicação de geogrelhas em balastro reciclado potencia o
seu reaproveitamento em estruturas ferroviárias. Apesar dos estudos nesta área não
serem ainda em grande número, e por isso as suas conclusões não poderem ser
aceites sem contestação, julga-se que será de interesse o seu aprofundamento, pelas
vantagens que a aplicação de balastro reciclado apresenta relativamente ao novo,
em especial vantagens económicas e ambientais.
100
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
3.2.3.4 Conclusões
Do apresentado pode concluir-se que os estudos laboratoriais e "in situ" são unânimes
quanto à vantagem da aplicação de geogrelhas na infraestrutura da ferrovia. Como
principais conclusões dos estudos apresentados realça-se que a aplicação de
geogrelhas permite:
- reduzir eficazmente as deformações verticais das camadas de balastro e sub-
balastro, chegando essa redução a atingir os 60%;
- reduzir as deformações laterais do balastro, garantindo o seu confinamento lateral
e reduzindo a necessidade de utilização das ombreiras de balastro;
- reduzir a quebra de partículas da camada de balastro, aumentar a longevidade das
suas características resistentes e reduzir os ciclos de manutenção;
- garantir uma estrutura mais homogénea, em termos de comportamento mecânico,
reduzindo a probabilidade de ocorrência de assentamentos diferenciais;
- potenciar a reaplicação de balastro reciclado em estruturas ferroviárias.
Da expriência relatada na bibliografia, podem apontar-se as propriedades das
geogrelhas que maior influência têm no bom desempenho, neste tipo de aplicação:
Elevada resistência à tracção: >30 kN/m
Elevado módulo de deformabilidade inicial: >10 kN/m (2% elongação)
>20 kN/m (5% elongação)
Baixa elongação na rotura: <12-14%
Elevada resistência à abrasão e danificação durante instalação.
3.3 DANIFICAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS
A aplicação de geotêxteis a obras ferroviárias é uma das mais exigentes aplicações,
em termos mecânicos, a que um geotêxtil pode ser sujeito, quer seja pelo facto de
este estar em contacto directo com partículas de grandes dimensões e do tipo
angular, quer seja pela natureza cíclica e intensidade das cargas aplicadas, quer
ainda pelo tipo de máquinas utilizadas durante a construção e manutenção da
estrutura. Todos estes factores têm forte influência nas capacidades resistentes de
um geotêxtil, vindo assim diminuídas as suas resistências à tracção, rasgamento e
101
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas punçoamento. Também as características hidráulicas do geossintético são,
obviamente, alteradas, isto porque as acções mecânicas que o solicitam tendem a
provocar perfurações, cortes e processos de abrasão que alteram a sua dimensão
aparente dos poros, permissividade e transmissividade.
Neste ponto serão abordados os processos de danificação provocados por abrasão e
danificação durante a instalação. No que respeita à abrasão, a bibliografia é ainda
muito incipiente, pelo que se fará uma exposição da evolução dos equipamentos para
simulação da abrasão e apresentação dos resultados disponíveis. A danificação
durante a instalação é um fenómeno já amplamente estudado, no entanto, para a
presente aplicação, ainda pouco desenvolvida no que toca à granulometria dos
materiais utilizados.
3.3.1 Abrasão de Geossintéticos
De acordo com a ISO 13427 (1998), define-se abrasão como o desgaste de qualquer
parte de um material por fricção com outra superfície. Nas aplicações ferroviárias, o
geossintético sofre desgaste maioritariamente provocado pelas partículas de balastro
com que contacta, que por acção das cargas cíclicas tende a ter pequenos mas
continuados deslocamentos. Este fenómeno vem já sendo constatado desde os anos
80, pelo que desde essa altura se têm vindo a desenvolver equipamentos
laboratoriais que simulem esse fenómeno. Os resultados da bibliografia
relativamente aos fenómenos de abrasão dizem respeito somente à perda de
resistência à tracção dos geossintéticos, não sendo feita qualquer referência à
alteração das suas propriedades hidráulicas.
Um dos estudos laboratoriais desenvolvidos neste âmbito, segundo Raymond et al.
(1982), efectuado sobre onze tipos de geotêxteis, descreve os processos de abrasão
observados, por inspecção visual e ao microscópio, sendo os que mais
frequentemente se obtêm apresentados no Quadro 3.5.
102
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Quadro 3.5– Descrição dos processos de abrasão (adaptado de Raymond et al., 1982).
Processo de abrasão Descrição do fenómeno
Alihamento Filamentos de geotêxteis, previamente não alinhados, tendem a ficar
alinhados numa direcção preferencial.
Nódulos Filamentos individuais são parcialmente desagregados da estrutura ,
formando pequenos nódulos.
Corte Filamentos individuais são primeiramente quebrados e depois cortados
na direcção transversal do filamento.
Achatamento A espessura de filamentos individuais é reduzida, enquanto a sua largura
é aumentada, produzindo achatamento.
Desagregação superficial Os filamentos superficiais são total, ou parcialmente, desagregados da
estrutura que compõe o geotêxtil.
Perfuração Filamentos individuais sofrem desgaste por vários processos,
desenvolvendo-se uma abertura no geotêxtil.
Separação Filamentos individuais separam-se da estrutura. Limitado a geotêxteis
não tecidos.
Um dos primeiros equipamentos utilizados foi o "Rotary platform (ASTM D1175)",
apresentado na Figura 3.24a, inicialmente desenvolvido para a industria têxtil, e
posteriormente tentada a sua adaptação para simulação da abrasão de geotêxteis em
aplicações ferroviárias. O ensaio consiste na rotação de duas rodas abrasivas (Figura
3.24b) com um peso de 1000 gramas à velocidade de 70 r.p.m. sobre um geotêxtil,
sendo este posteriormente ensaiado à tracção. O valor obtido é comparado com o de
um provete "intacto", e avaliada a perda de resistência mecânica.
a) Equipamento no ensaio "Rotary platform" b) Rodas abrasivas sobre o geotêxtil
Figura 3.24 – Ensaio para simulação da abrasão em geotêxteis (ASTM D 1175).
103
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Os processos de abrasão que este ensaio tende a provocar é uma desagregação
superficial, total ou parcial, dos filamentos dos geotêxteis, e o alinhamento dos
filamentos numa direcção preferencial (Raymond et al. 1982). Este equipamento
acabou por se revelar inadequado para este estudo, já que foi desenvolvido para
geotêxteis com baixa resistência à tracção, provocando um tipo de abrasão que não é
representativo das condições verificadas nas estruturas ferroviárias (Hausman et al.
1990).
Estudos de Nancey e Imbert (2002) realizados no “Vibrogir”, a que já foi feita
referência, mostram a resistência à abrasão de geotêxteis (impregnados com 20%, em
peso, de resina acrílica de baixo módulo) em função da duração do carregamento. A
norma seguida para simulação da abrasão foi a ASTM D-3884, que utiliza o
equipamento "Rotary platform", já apresentado na Figura 3.24a, onde o geotêxtil é
submetido a um certo número de rotações, até que seja atingida a sua destruição; o
número de rotações até à rotura constitui o resultado do ensaio.
Os resultados obtidos podem ver-se no gráfico da Figura 3.25. É possível observar que
o número de rotações diminui com o aumento da duração do carregamento. Segundo
os autores, estima-se que uma duração de carregamento no Vibrogir de 250h
corresponda, potencialmente, a um período de vida útil de 25 a 30 anos na estrutura
ferroviária.
0
1000
3000
2000
5000
6000
4000
Número de rotações
500 100 150 200 250 300
Figura 3.25 - Evolução da resistência à abrasão segundo ASTM D 3884 (adaptado de Nancey e Imbert, 2002).
Pese embora o tipo de equipamento para simulação da abrasão não ser adequado ao
tipo de abrasão verificada nas estruturas ferroviáras, constata-se que os resultados
são condizentes com os obtidos "in situ" por Hausmann et al. (1990), na medida em
104
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
que o grau de abrasão dos geotêxteis aumenta com o volume de tráfego circulante
ou, neste caso o número de rotações.
Outro equipamento usado para simular o fenómeno de abrasão foi adaptado do
ensaio de carga em placa, sendo descrito no trabalho de Raymond et al. (1982). É
constituído por um molde em alumínio de 250mm de diâmetro, 2 camadas de
balastro nº4 compactado (de acordo com especificações da A.R.E.A.), separado por
um geotêxtil, e uma camada de areia "Ottawa". Uma placa rígida com 50mm de
diâmetro solicita verticalmente a amostra durante 100 000 ciclos. Os geotêxteis
utilizados no estudo eram tecidos e não tecidos com m.u.a. variável de 137 a 730
g/m2.
As conclusões do estudo mostraram que o desgaste por abrasão é realisticamente
simulado ao fim dos 100 000 ciclos de carga. Os processos de abrasão que se
verificaram foram de desagregação superficial, separação e corte para os geotêxteis
tecidos; para os geotêxteis não tecidos os processos de abrasão verificados foram de
desagregação superficial, achatamento, e corte. Os geotêxteis de menor espessura e
menor m.u.a. mostraram menor resistência à abrasão.
Hausmann et al.(1990) ensaiou 17 geotêxteis à tracção, antes e após abrasão, num
equipamento de Deval modificado. O ensaio de Deval (BS 812) é vulgarmente
utilizado para avaliar a abrasão do balastro, encontrando-se o seu equipamento
(Figura 3.26a) com facilidade em diversos laboratórios de geotecnia, razão que
justificou a escolha de tal equipamento para abrasão dos geotêxteis. Assim, o
geotêxtil é aplicado no interior do tambor rotativo através de borrachas, sendo
adicionado o material abrasivo (balastro de 37,5mm) e submetido a 10000 rotações.
A abrasão que se obtém com este equipamento segue o padrão que se pode observar
na Figura 3.26b, pelo que os provetes a ensaiar à tracção são obtidos a partir dessa
zona.
105
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Motor
Eixo de rotaçãoCilindros
Contador de rotações
a) representação esquemática da máquina de Deval b) padrão de abrasão
Figura 3.26 – Ensaio de Deval segundo BS 812 (adaptado de Hausmann et al. 1990).
Os resultados dos ensaios de tracção podem ver-se na Figura 3.27a e Figura 3.27b,
correspondentes aos provetes intactos e após abrasão. Aí é visível que os
geocompósitos são os que menor perda de resistência sofrem, vindo inclusivé a sua
resistência aumentada. Isto é justificado pela protecção que os geotêxteis não
tecidos, colocados superiormente, oferecem aos geotêxteis tecidos, e pela maior
proximidade e interacção que estes dois materiais tendem a ter. Esta maior
proximidade e interacção surge em consequência do impacto provocado pelas
partículas de balastro na face do geocompósito. Também é visível que os geotêxteis
de maior m.u.a. são os que menor perda de resistência sofrem.
0 200 400 600 800 1000 1200 14000
1000
2000
Tecido
Não-tecido
Combinação
Massa por unidade de área g/m2
Carg
a de
rot
ura
(N)
1400
Tecido
1000800
Combinação
Não-tecido
1200
200
400200
100
00Re
sist
ênci
a re
tida
apó
s ab
rasã
o (%
)
600
Massa por unidade de área g/m2
a) Resistência à tracção provete "intacto" b) Resistência retida após 10000 rotações no
ensaio de Deval
Figura 3.27 – Resultados de geotêxteis ensaiados à tracção pelo método da tira (adaptado de Hausmann et al. 1990).
De seguida, apresentam-se alguns dos resultados (Figura 3.28) de um estudo
realizado por Hausmann et al.(1990), que envolveu a exumação de vários geotêxteis
com m.u.a. variável de 180 a 415g/m2, após estarem submetidos à passagem 25-40
106
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
milhões de toneladas de tráfego ferroviário, colocados a profundidades do balastro
de 270 a 440mm. Todos os geotêxteis estiveram em contacto directo com as
partículas de balastro, sem colocação de qualquer camada protectora.
Figura 3.28 – Perdas de resistência à tracção de geotêxteis não tecidos avaliadas pelo método da tira após exumação (adaptado de Hausmann et al. 1990).
As conclusões do estudo, mediante os resultados de ensaios à tracção e inspecção
visual dos geotêxteis, e do local de recolha desses, foram que a perda de resistência
do geotêxtil parece estar relacionada com a m.u.a. do material e com o volume de
tráfego circulante na linha, variando essa perda de 15 a 73% relativamente aos
valores obtidos com um provete intacto. Alguns dos geotêxteis mostraram
perfurações, o que levou a que algum material fino das camadas inferiores migrasse
para a camada de balastro, no entanto foi observado que mantiveram a sua função
de separação a um nível considerado satisfatório.
Por último, será também de mencionar que estes valores de perda de resistência à
tracção foram comparados aos dos ensaios laboratoriais realizados na máquina de
Deval modificada, mostrando considerável paralelismo (Hausmann et al., 1990).
Um dos factores que mais influencia a abrasão que um geotêxtil sofre, para além dos
expostos, é a profundidade da sua colocação. Com efeito, quanto maior for a sua
profundidade de colocação, menores serão as tensões a que este estará sujeito, logo
potencialmente será sujeito a menor danificação por abrasão. Koerner (1999) refere
um estudo realizado por Raymond, onde este exumou um grande número de
geotêxteis, e quantificou (Figura 3.29) o desgaste verificado em função da sua
profundidade de colocação abaixo da base das travessas. Assim, segundo o autor,
para que seja evitada a perfuração do geotêxtil durante a sua instalação e abrasão
em serviço será necessário colocar o geotêxtil a uma profundidade superior a 41cm,
107
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
108
ou em alternativa, utilizar um geotêxtil com tratamento especial (do tipo resina)
para resistir a abrasão.
Pior danificação verificada em provetes de 300 x 300 mm
Profundidade de colocação do getêxtil medida por exumação(mm)
Qun
tifi
caçã
o da
dan
ific
ação
(áre
a ab
rasa
da)%
2.5
0 250 500
5.0
Figura 3.29 – Danificação do geotêxtil versus profundidade de colocação (adaptado de Koerner R. 1999).
O equipamento actualmente especificado para simulação da abrasão em geotêxteis
em aplicações ferroviárias é apresentado na Norma Europeia EN ISO 13427(1998),
adaptada da ASTM 4886, e cuja apresentação se faz na Figura 3.30. Este
equipamento simula a abrasão através do movimento linear entre uma película
abrasiva (parte móvel) e o geotêxtil (parte fixa).
1 24
36
5
1 - Placa metálica deslizante
2 - Placa metálica calibrada estacionária
3 – Pesos de calibração
4 – Movimento
5 – Motor com contador de ciclos
6 – Excentricidade de 12.5mm
Figura 3.30 – Equipamento para simulação da abrasão sofrida pelos geotêxteis em aplicações ferroviárias (EN ISO 13427 - 1998).
Relativamente a este ensaio não são ainda conhecidos resultados na bibliografia, no
entanto, no Capítulo 4 desenvolver-se-á um estudo laboratorial num equipamento
deste tipo.
3.3.2 Danificação Durante a Instalação
A danificação durante a instalação (DDI) de geossintéticos resulta das operações de
transporte, manuseamento e colocação em obra. A colocação dos geossintéticos em
obra envolve o espalhamento e compactação do material granular que lhe vai ficar
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
sobrejacente, com o auxílio de equipamento pesado. Isto, naturalmente que altera
as propriedades iniciais dos geossintéticos, podendo o desempenho das suas funções
em serviço ser comprometidas. Assim, será conveniente que o dimensionamento dos
geossintéticos contemple já a perda de propriedades resultantes da sua aplicação em
obra.
A DDI tem vindo a ser constatada pela exumação de geossintéticos, após aplicação
em obra, e inspecção visual da sua superfície. A primeira impressão é geralmente de
poeira e sujidade e abrasão superficial da estrutura do material. Se a dimensão das
partículas do solo for grande (≥ 5mm) há áreas do geossintético que ficam
perturbadas, sendo o mesmo esperado se o subsolo for mole (Greenwood, 1998).
Os estudos realizados até ao momento indicam que o grau de danificação nos
geossintéticos depende de vários factores, sendo os mais relevantes: o tipo de
geossintético, a granulometria e angulosidade do material granular de aterro, a
espessura das camadas de aterro e o tipo e peso do equipamento de espalhamento e
compactação utilizado. No caso das aplicações ferroviárias, o geossintético fica
geralmente em contacto com balastro, ou seja, em contacto com partículas de
grandes dimensões (31,5-63mm) e do tipo angular. Isto evidencia desde logo uma
elevada tendência para a danificação, em particular para perfurações e cortes.
Koerner e Koerner (1990) realizaram um estudo sobre geotêxteis tecidos e não-
tecidos exumados de 55 obras nos E.U.A., em que registaram o número e tamanho
das perfurações sofridas por acção da DDI. De seguida ensaiaram provetes desses
mesmos geossintéticos, correlacionando o número de perfurações por metro
quadrado com a resistência à tracção retida, como se pode ver na Figura 3.31.
40
20
60
80
100
10
30
50
70
80
00 20 40 60 80 100 120
Número de Perfurações por m
Res
istê
ncia
retid
a em
% Limite Superior
Limite Inferior
2
Figura 3.31 – Número de perfurações versus resistência retida (adaptado de Koerner e Koerner, 1990).
109
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas As perfurações e cortes são danificações que prejudicam gravemente as propriedades
hidráulicas dos geossintéticos, já que aumentam a dimensão característica da
abertura dos poros do geossintético, e as propriedades mecânicas, visto que causam
pontos de descontinuidade e fragilidade no geossintético. Dependendo da função que
o geossintético esteja a desempenhar, a consequência da sua danificação e alteração
das propriedades pode ser mais ou menos condicionante ao seu desempenho. Assim,
veja-se qual a influência a considerar nas propriedades dos geossintéticos no caso de
estes desempenharem funções de filtro/separação e reforço.
Função de Filtragem/Separação
A danificação mais gravosa para as funções de filtragem/separfação é aquela que
altera a dimensão característica dos poros do geossintético, ou seja, os cortes e as
perfurações. Neste sentido, uma das características que maior relevo tem para esta
danificação é a forma do material granular que lhe vai ficar sobrejacente, isto é, do
tipo angular ou rolado. Acresce, obviamente, a espessura da camada de material
sobrejacente e o equipamento de compactação a utilizar.
Uma das abordagens utilizadas neste contexto, é a contemplada no regulamento
Alemão, e que define, mediante as condições locais verificadas, as propriedades
mínimas a exigir aos geotêxteis. Segundo Braϋ (1998), define-se inicialmente a forma
e tipo de material granular a aplicar, enquadrando-se este numa das 5 classes AS
definidas (ver Quadro 3.6). De seguida, define-se o tipo de compactação a utilizar AB
(ver Quadro 3.7). Finalmente, enquadra-se a situação numa das calsses de robustez
apresentadas no Quadro 3.8, sendo-lhe atribuídas as propriedades apresentadas no
Quadro 3.9.
Quadro 3.6 – Forma e tipo de material granular a aplicar (adaptado de Braϋ, 1998).
Características do solo adjacente
Partículas não angulosas Partículas angulosas
AS1 As acções do solo e dos processos de instalação não afectam o geotêxtil
AS2 Areia grossa sem seixo ---
AS3 Areia grossa com menos de 40% de seixo Areia grossa sem seixo
AS4 Areia grossa com mais de 40% de seixo Areia grossa com menos de 40% de seixo
AS5 --- Areia grossa com mais de 40% de seixo
110
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Quadro 3.7 – Condições de aplicação (adaptado de Braϋ, 1998).
AB1 Instalação manual e pressões de compactação desprezáveis
AB2 Instalação mecânica e pressões de compactação desprezáveis
AB3 Instalação mecânica e pressões de compactação significativas(5 a 15 cm solo sobrejacente)
AB4 Instalação mecânica e pressões de compactação significativas(mais de 15 cm solo sobrejacente)
Quadro 3.8 – Classes de robustez do geotêxtil (adaptado de Braϋ, 1998).
Condições de aplicação Casos de aplicação
AB1 AB2 AB3 AB4
AS1 GRK2 --- --- ---
AS2 GRK2 GRK2 GRK3 GRK4
AS3 GRK3 GRK3 GRK4 GRK5
AS4 GRK4 GRK4 GRK5 *
AS5 GRK5 GRK5 * *
* para estas aplicações devem ser realizados ensaios in situ ou, em alternativa a altura de solo sobrejacente deve ser aumentada.
Quadro 3.9 – Propriedades mínimas a exigir aos geotêxteis (adaptado de Braϋ, 1998).
Classes de robustez do geotêxtil Geotêxtil Propriedade
GRK1 GRK2 GRK3 GRK4 GRK5
Resistência ao punçoamento
estático(kN) ≥0.5 ≥1.0 ≥1.5 ≥2.5 ≥3.5
Não –tecido
M.u.a.(g/m2) ≥80 ≥100 ≥150 ≥250 ≥300
Resistência à tracção(KN/m) ≥20 ≥30 ≥35 ≥45 ≥50 Tecido em PP e PET(*)
m.u.a.(g/m2) ≥100 ≥160 ≥180 ≥220 ≥250
Resistência à tracção(KN/m) ≥60 ≥90 ≥150 ≥180 ≥250 Tecido em PET(**)
m.u.a.(g/m2) ≥230 ≥280 ≥320 ≥400 ≥550
(*) em monofilamentos ou tiras (**)em multifilamentos; resistência à tracção na direcção transversal > 50kN/m
Note-se que a colocação de um material granular com características menos
agressivas, do tipo rolado, ou não angular, diminui drasticamente a danificação
sofrida pelo geotêxtil, logo ser-lhe-ão exigidos menores valores das suas
propriedades. No presente caso de aplicação de geossintéticos em linhas-férreas
significa que a colocação de uma camada de areia adjacente ao geossintético como
função de protecção pode reduzir a sua danificação pelas partículas de balastro. Este
111
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas tipo de medida protectora foi inclusivé já confirmado por vários autores (Ashpiz et
al. 2002) após exumação de amostras "in situ" na linha-férrea St. Petersburg-
Moscovo, com um e cinco anos de utilização. Neste caso, tratava-se de uma obra de
reabilitação, em que o geossintético (geotêxtil não-tecido termoligado com m.u.a.
290g/m2) era aplicado entre duas camadas de balastro, uma nova e a já existente. Os
resultados mostraram que a camada de areia melhora o desempenho do geotêxtil,
sendo que ao fim do primeiro ano de utilização foram verificadas pequenas
perfurações no geotêxtil com 1-2mm, representando estas apenas cerca de 0,2% da
área do geotêxtil. Os resultados ao fim de cinco anos mostraram que a área
danificada do geotêxtil corresponde a cerca de 0,3%.
Função de reforço
Na função de reforço, tanto a abrasão superficial como os cortes e perfurações
podem afectar a capacidade resistente dos geossintéticos. Assim, para além das
carcaterísticas referidas anteriormente para a função de filtragem/separação,
também assume especial importância a dimensão das partículas. Quanto maior for
esta, maior será a danificação que potencialmente se gera no geossintético. A grande
maioria das abordagens para estimar o coeficiente de redução de resistência à
tracção a aplicar aos geossintéticos basea-se no diâmetro médio D50 das partículas de
solo que contactam directamente com estes.
Veja-se, no Quadro 3.10, a abordagem que a AASHTO (American Association os State
Highway and Transportation Officials) faz relativamente aos coeficientes de redução
a adoptar, tendo em consideração o tipo de material de aterro e o tipo de
geossintético. Para materiais de aterro diferentes dos aí apresentados, pode fazer-se
uma interpolação linear dos valores dos coeficientes, baseada no diâmetro médio D50
das partículas do material de aterro. Os coeficientes de redução são definidos, tal
como no Capítulo 2, como a razão entre o valor da propriedade de referência e o
valor dessa mesma propriedade após danificação.
Os valores apresentados têm-se mostrado conservativos, em especial para novos
materiais, quando aplicados em aterros de obras rodoviárias. Wayne e Barrows (1994)
e Zornberg et al. (1995), baseados em ensaios de campo, constataram que os valores
apresentados no Quadro 3.10 podem conduzir a sobredimensionamentos da ordem
dos 20 a 45%. As aplicações ferroviárias, são um pouco mais exigentes no que
respeita a danificação, no entanto não são ainda conhecidos muitos estudos para
estas aplicações.
112
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Quadro 3.10 – Coeficientes de redução a adoptar para ter em conta a DDI (adaptado de AASHTO, 1997).
Coeficiente de redução
Nº Geossintético Material de aterro tipo I Máx. Dimensão 102mm D50 na ordem dos 30mm
Material de aterro tipo II Máx. Dimensão 20mm
D50 na ordem dos 0,7mm
1 Geogrelha uniaxial em PEAD 1,20 – 1,45 1,10 – 1,20
2 Geogrelha biaxial em PP 1,20– 1,45 1,10 – 1,20
3 Geogrelha em PVC revestido com PET 1,30 – 1,85 1,10 – 1,30
4 Geogrelha em acrílico revestido com
PET 1,30 – 1,45 1,10 – 1,40
5 Geotêxtil tecido(PP&PET)(1) 1,40 – 2,20 1,10 – 1,40
6 Geotêxtil não tecido(PP&PET)(1) 1,40 – 2,50 1,10 – 1,40
7 Geotêxtil tecido: tiras em PP(1) 1,60 – 3,00 1,10 – 2,00
(1) m.u.a. ≥ 270 g/m2
Um dos poucos estudos realizados em aplicações ferroviárias foi o de Ashpiz et al.
(2002), já referido a propósito da função de filtragem/separação, onde foram
verificadas perdas de resistência à tracção no geotêxtil ensaiado de cerca de 16% ao
fim de um ano de utilização e de 18% ao fim de cinco anos de utilização. Os valores
da resistência ao punçoamento não se alteraram. Estes valores indicam, claramente,
que a maioria da danificação ocorre devido a fenómenos de DDI, no entanto não
podem ser encarados como conclusivos e generalizáveis.
A DDI a que um geossintético fica exposto "in situ", pode ser simulada
laboratorialmente, adequando as condições em laboratório às que se irão verificar no
local de aplicação. O equipamento laboratorial actualmente utilizado para simulação
da DDI a nível Europeu é descrito na EN ISO 10722-1(Geotextiles and related products
– Procedure for simulating damage during installation – Part1 : installation in granular
materials).
O equipamento laboratorial descrito na EN ISO 10722-1 consiste numa caixa metálica
onde são depositadas duas camadas de material granular com 75mm de espessura
cada. Estas duas camadas são separadas pelo geossintético que se pretende submeter
à DDI. A DDI é simulada pela aplicação de 200 ciclos de uma carga vertical a uma
placa, transmitindo esta pressões que variam de 5 a 900kPa ao material granular. O
material granular deve ser sintético, em óxido de alumínio, com dimensões
compreendidas entre os 5 e os 10mm.
113
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Khay et al. (1998) realizaram um estudo neste equipamento sobre dois geotêxteis
não tecidos e um geotêxtil tecido a fim de avaliar a influência que o número de
ciclos e a pressão têm na danificação das amostras. As conclusões desse estudo foram
que a resistência à tracção retida nos geotêxteis variou entre 50 e 100%, e que o
factor que mais influencia a danificação é a pressão aplicada pela placa de
carregamento. O aumento desta pressão leva a um decréscimo da resistência à
tracção retida. Foi ainda notório que os geotêxteis não tecidos agulhados são os mais
sensíveis à danificação.
Lopes e Lopes (2001) e Paula (2003) realizaram um estudo comparativo entre a
danificação verificada "in situ" e a simulação laboratorial, utilizando diferentes tipos
de solos, naturais e sintéticos, diferentes energias de compactação "in situ", e
diferentes tipos de geossintéticos.
No estudo de Lopes e Lopes (2001) foram danificados "in situ" geotêxteis tecidos,
geogrelhas tecidas biaxiais e geogrelhas extrudidas biaxiais, com energias de
compactação de 90 e 98%, e com os Solos 1 (tipo "tout-venant") e 2 (residual do
granito), apresentados na Figura 3.32. Estes mesmos geossintéticos foram também
danificados em laboratório, com o material sintético (Corundum) prescrito na EN ISO
10722-1.
Dimensões das particulas (mm)
% P
assa
dos
60
10
Silte
00,05
Fina
0,1
20
30
40
50
MédiaAreia
0,5
Grossa
1
80
70
90
100
Fino
5
SeixoMédio
10
CalhauGrosso
50 100
Solo 1Solo 2
Granítico (lab.)
Calcário (lab.)
Dimensões das particulas (mm)
% P
assa
dos
60
10
Silte
00,05
Fina
0,1
20
30
40
50
MédiaAreia
0,5
Grossa
1
80
70
90
100
Fino
5
SeixoMédio
10
CalhauGrosso
50 100
Solo 1Solo 2
Granítico (lab.)
Calcário (lab.)
Figura 3.32 – Curvas granulométricas dos solos utilizados nos ensaios de danificação de campo e de laboratório (adaptado de Paula, 2003).
Paula (2003), utilizando os mesmos geossintéticos do estudo anterior, simulou
laboratorialmente a sua danificação com dois tipos de solos naturais, um calcário e
outro granítico, cujas curvas se apresentam também na Figura 3.32
114
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
Os resultados destes estudos apresentam-se na Figura 3.33. Relativamente ao
geotêxtil tecido, os autores extraíram como conclusão que os resultados dos ensaios
laboratoriais fornecem valores conservativos (em cerca de 20%) quando o solo
utilizado "in situ" é o Solo 2. Isto é explicado pela menor agressividade das partículas
de menores dimensões do Solo 2, cerca de 5mm, comparativamente às dos restantes
solos. Quando o material de aterro apresenta uma percentagem significativa de
partículas grossas, como o Solo 1, a fiabilidade dos ensaios laboratoriais na previsão
da danificação causada no geotêxtil pelo "tout-venant" tem a ver com grau de
compactação. Com efeito, para o grau de compactação de 90%, a danificação
induzida "in situ" ao geotêxtil situa-se entre os valores obtidos em laboratório com o
material granular sintético (cerca de 30% do lado da segurança) e com o solo
granítico (cerca de 15% do lado da insegurança). Quando o grau de compactação é de
98%, os resultados laboratoriais fornecem valores optimistas relativamente à
danificação induzida pelo "tout-venant", sendo o valor mais próximo o obtido com
material sintético (cerca de 25% do lado da insegurança).
Para a geogrelha extrudida biaxial, verifica-se que os resultados laboratoriais são
optimistas, e tanto mais quanto maior for o grau de compactação aplicado. Assim, os
valores laboratoriais mais próximos dos verificados "in situ" são os obtidos com o solo
granítico, cerca de 5 e 25% do lado da insegurança, respectivamente para graus de
compactação de 90 e 98%.
56,1
90,6
62,6
34,2
76,0
55,1
89,3
77,5
90,3
74,7 74,9
43,2
101,3
59,964,7
95,1
88,7
75,2
99,1 98,8
Geotêxtil Tecido Geogrelha Extrudida Biaxial Geogrelha Tecida Biaxial
in situ_Solo 1_ 90%
in situ_Solo 1_ 98%
in situ_Solo 2_ 90%
in situ_Solo 2_ 98%
laboratório_Material sintético
laboratório_Solo granítico
laboratório_Solo calcário
56,1
90,6
62,6
34,2
76,0
55,1
89,3
77,5
90,3
74,7 74,9
43,2
101,3
59,964,7
95,1
88,7
75,2
99,1 98,8
Geotêxtil Tecido Geogrelha Extrudida Biaxial Geogrelha Tecida Biaxial
in situ_Solo 1_ 90%in situ_Solo 1_ 90%
in situ_Solo 1_ 98%in situ_Solo 1_ 98%
in situ_Solo 2_ 90%
in situ_Solo 2_ 98%
in situ_Solo 2_ 90%
in situ_Solo 2_ 98%
laboratório_Material sintéticolaboratório_Material sintético
laboratório_Solo graníticolaboratório_Solo granítico
laboratório_Solo calcário
Figura 3.33 – Resistência retida (em %) dos geossintéticos danificados no campo e em laboratório. (adaptado de Paula, 2003).
115
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas Por último, para a geogrelha tecida biaxial, verificou-se que a utilização laboratorial
dos solos graníticos e calcários conduz a resultados muito optimistas. No entanto, a
utilização do material sintético conduz a resultados muito semelhantes aos obtidos
com o "tout-venant", cerca de 4,5% (do lado da segurança) e 9% (pelo lado da
insegurança) para graus de compactação de 90 e 98%, respectivamente.
Não são ainda conhecidos resultados, neste equipamento, com partículas de
dimensões semelhantes às do balastro. No Capítulo 4, será efectuado um estudo
neste equipamento, utilizando partículas de balastro em contacto directo com o
geossintético.
3.4 CONCLUSÕES
Ao longo deste capítulo foi apresentada uma síntese dos factores que mais
directamente influenciam o desempenho dos geossintéticos quando aplicados em
linhas-férreas, tanto em termos de funções como de durabilidade. Nesse sentido,
foram apresentados os equipamentos laboratoriais que suportam os resultados
apresentados, e por fim, quando possível, os resultados obtidos pela exumação de
amostras "in situ".
Julgou-se de interesse a introdução deste capítulo por esta aplicação de
geossintéticos, comparativamente à aplicação em rodovia, ser bastante mais
exigente, quer pelas características do material granular utilizado, magnitude e
frequência das cargas aplicadas, quer ainda pelas exigências de deformações
verticais que estas infraestruturas apresentam.
Ficou claro que na função de separação/filtragem os geotêxteis, em especial os não
tecidos agulhados, melhoram significativamente o desempenho da estrutura travando
fenómenos de contaminação do balastro. Esta solução será eficiente desde que as
condições de drenagem também o sejam, caso contrário, verificar-se-ão fenómenos
de contaminação.
Para a impermeabilização da plataforma ferroviária, foi visto que as geomembranas
impregnadas com betume são uma solução eficaz que permite travar o fenómeno de
contaminação. No entanto, esta solução só deverá ser implementada desde que as
condições de drenagem profunda sejam garantidas efectivamente, caso contrário
poderá a ser uma solução inclusivé pior que a sua não colocação.
116
Capítulo 3 Aplicação de Geossintéticos em Linhas-Férreas
As geogrelhas aplicadas como reforço na camada de balastro permitem reduzir os
assentamentos verticais e diferenciais desta, ao mesmo tempo que permitem reduzir
os ciclos de manutenção do balastro e consequentemente os custos de manutenção.
Também foi visto que potenciam a utilização de balastro reciclado em linhas-férreas.
Por último, verifica-se que em termos de durabilidade os fenómenos de abrasão e DDI
podem comprometer o desempenho dos geossintéticos, no sentido em que as suas
propriedades mecânicas e hidráulicas são afectadas. Conclui-se contudo, que os
resultados da bibliografia para esta aplicação são ainda muito incipientes.
117
CAPÍTULO 4
ESTUDO LABORATORIAL DOS FENÓMENOS DE DANIFICAÇÃO DURANTE A INSTALAÇÃO E ABRASÃO
4.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo far-se-á uma apresentação da parte experimental desenvolvida no
âmbito da presente dissertação, seus resultados e sua posterior discussão. Este
estudo laboratorial pretende ser um contributo para o conhecimento da influência
dos fenómenos da abrasão e danificação durante a instalação, nas propriedades
mecânicas e hidráulicas dos geossintéticos. Estes dois fenómenos de danificação
mecânica são aqueles que se julga de maior importância, no que respeita à
durabilidade dos geossintéticos, para aplicações ferroviárias.
O estudo do fenómeno da abrasão envolveu o desenvolvimento de um equipamento
laboratorial, de acordo com as exigências que a norma que certifica a simulação
desse fenómeno define. Note-se contudo que não se encontram ainda publicados
resultados obtidos em equipamentos idênticos a este, com as mesmas especificações,
pelo que, os resultados aqui obtidos apenas podem servir para análise dos fenómenos
observados, devendo ser encarados com cautela e comparados com espírito crítico a
outros obtidos, quer em equipamentos semelhantes quer da recolha de amostras "in
situ".
O estudo da danificação durante a instalação (D.D.I.) foi realizado num equipamento
já existente no Laboratório de Geossintéticos (LGS) da Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto (F.E.U.P.), onde se têm vindo a desenvolver estudos sobre a
influência de diversos parâmetros como a granulometria e origem do solo utilizado, o
número de ciclos de carga aplicados ou mesmo a energia de compactação. Para
efeitos do presente estudo, não existem ainda resultados relativos ao material de
balastro, nem em outro com granulometria semelhante. Assim, os resultados aqui
obtidos devem também ser analisados com espírito crítico, à luz dos já existentes.
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
4.2 APRESENTAÇÃO DO EQUIPAMENTO LABORATORIAL DESENVOLVIDO
O equipamento laboratorial para simulação da abrasão foi desenvolvido pelo
Laboratório de Geossintéticos da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,
de acordo com as especificações da EN ISO 13427 (1998):"Geotextiles and geotextile-
related products – Abrasion damage simulation". O desenvolvimento de tal
equipamento justificou-se, no contexto das aplicações ferroviárias, pelo facto de a
prEN 13250 (1999): "Geotextiles and related products – Characteristics required for
use in the construction of railways.", exigir que todos os geossintéticos aplicados em
obras ferroviárias, em contacto directo com a camada de balastro, devam ser
ensaiados à abrasão, com excepção das geomembranas.
O equipamento é apresentado esquematicamente na Figura 4.1, conforme a EN ISO
13427 (1998). Na Figura 4.2 pode ver-se a versão final do equipamento desenvolvido.
1 24
36
5
1 - Placa metálica deslizante
2 - Placa metálica calibrada estacionária
3 – Pesos de calibração
4 – Movimento
5 – Motor com contador de ciclos
6 – Excentricidade de 12,5mm
Figura 4.1– Representação esquemática do equipamento de simulação da abrasão (EN ISO 13427, 1998).
A EN ISO 13427 prevê que os provetes ensaiados à abrasão sejam posteriormente
ensaiados à tracção pelo método da tira (prEN ISO 13934-1), pelo que a placa
deslizante tem dimensões previstas de 50x200mm. No entanto, visto ser de interesse
comparar os resultados obtidos com os de outros autores adaptou-se a dimensão da
placa do equipamento desenvolvido à da dos provetes para ensaio da resistência à
tracção segundo a EN ISO 10319 (200x200mm). Assim, adoptaram-se as dimensões de
220x300mm para a placa superior.
120
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
121
Figura 4.2 – Equipamento laboratorial desenvolvido para simulação da abrasão de acordo com a EN ISO
13427 (1998).
As duas placas metálicas do equipamento estão colocadas paralelamente, em posição
horizontal. A placa inferior, deslizante, onde é fixa a película abrasiva permite
movimentos horizontais com curso de 25±1mm. Este movimento deslizante deve ser
realizado sem que exista atrito na sua base de deslizamento, de modo a que o único
atrito existente seja o da película abrasiva com o geossintético. Para que o atrito na
base seja eliminado, foi colocado entre cada um dos 4 apoios da placa deslizante
uma régua com esferas de baixo atrito, conforme se pode ver na Figura 4.3.
Figura 4.3 – Régua de deslizamento sem atrito da placa inferior.
A placa superior onde é fixado o provete de geossintético fica estacionária, em
posição horizontal, garantindo uma pressão de 6 kPa sobre o geossintético. Esta placa
é guiada por um duplo conjunto de suporte, que permite o movimento livre na
direcção vertical, perpendicular ao movimento da placa deslizante.
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Ambas as placas são dotadas de garras nas extremidades para segurar quer o
geossintético quer a película abrasiva. Estas garras possuem rugosidade para evitar o
escorregamento do provete e da película abrasiva durante o ensaio de abrasão. A
Figura 4.4 apresenta o tipo de garras adoptadas para o equipamento desenvolvido.
Figura 4.4 – Garras de fixação da película abrasiva/provete de geossintético à placa.
Na placa superior, onde é fixado o provete de geossintético a ensaiar, foi constatado
que a simples fixação do provete com as garras não seria suficiente, visto que
existiria sempre uma folga, mais notória em geossintéticos de maior espessura, como
consequência de o provete ter de se adaptar aos contornos laterais da placa. Assim,
foi feita uma adaptação à placa superior de um esticador (Figura 4.5) que permite,
após fixação do provete de geossintético, eliminar as referidas folgas. Note-se que a
existência de folgas entre o provete de geossintético e a placa reduz, ou em alguns
casos elimina, a acção abrasiva da película, visto que permite à placa superior
deslocar-se relativamente ao geossintético, enquanto este adere à película abrasiva.
Figura 4.5 – Esticador utilizado para eliminação de folgas entre o geossintético e a placa.
Após fixação do provete de geossintético e da película abrasiva às placas superiores e
inferiores, respectivamente, são fixados os pesos (Figura 4.6) na placa superior de
modo a que a pressão sobre o geossintético seja de 6kPa. Assim, dadas as dimensões
122
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
da placa superior de 220x300mm, face às previstas na EN ISO 13427, adoptou-se o
peso de 39,6 kg para o conjunto da placa com os três níveis de pesos.
Figura 4.6 – Pesos aplicados à placa superior para garantir a pressão de 6 kPa sobre o geossintético.
A simulação da abrasão dá-se pelo movimento relativo entre o geossintético e a
película abrasiva, estando estes aplicados à placa superior e à placa inferior,
respectivamente. Como já foi referido, somente a placa inferior tem movimento, o
qual lhe é transmitido por meio de um veio de transmissão (Figura 4.7a), ligado a um
motor (Figura 4.7b) com 0,25KW de potência, e que permite um movimento de 90
ciclos por minuto. Na ligação do veio de transmissão ao motor, encontra-se uma
célula de leitura (Figura 4.8a) que faz a contagem dos ciclos efectuados ao longo do
ensaio. Esta célula de leitura está associada a uma caixa de aquisição, apresentada
na Figura 4.8b, onde é possível definir o número de ciclos pretendido para cada
ensaio, e acompanhar o andamento do mesmo. Uma vez completados os ciclos
definidos inicialmente, o equipamento automaticamente termina o ensaio. É ainda
possível interromper o andamento do ensaio manualmente, opção que terá de ser
accionada caso o provete atinja a rotura antes do número de ciclos se completar.
a) Veio de transmissão b) Motor Figura 4.7 – Equipamento para simulação da abrasão.
123
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
a) Célula de leitura
b) Caixa de aquisição Figura 4.8 – Leitura do número de ciclos do ensaio de abrasão.
Feita a apresentação do equipamento desenvolvido segue-se a descrição das
características dos materiais utilizados no estudo e os procedimentos dos ensaios
realizados.
4.3 MATERIAIS E PROCEDIMENTOS UTILIZADOS
O programa de ensaios definido neste estudo foi realizado sobre dois geotêxteis não
tecidos distintos cujas características, de acordo com as especificações do
fabricante, se apresentam no Quadro 4.1. A escolha deste tipo de geotêxteis foi feita
de acordo com o sugerido na bibliografia da especialidade para funções de filtragem,
drenagem e separação, onde estes se revelam com melhor comportamento a longo
prazo.
Como se pode ver, foram escolhidos dois geotêxteis não tecidos com m.u.a.
diferente. O GT2 tem, segundo o fabricante, a m.u.a. mínima admissível para poder
ser aplicado em obras ferroviárias, daí que se tenha optado por ensaiar um
geossintético com esta m.u.a.. A opção pelo GT1 foi feita por ser um geossintético
com uma elevada m.u.a., e por isso mais adequado no uso em obras ferroviárias, e
sobre o qual já se dispõem de diversos resultados, obtidos no LGS da F.E.U.P.,
havendo neste sentido todo o interesse em complementar essa base de dados.
124
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Quadro 4.1 – Propriedades dos geotêxteis não-tecidos utilizados no estudo.
Propriedade
GT1
Geotêxtil não-tecido agulhado, filamento
contínuo, 100% em PP com aditivo UV
GT2
Geotêxtil não-tecido agulhado, filamento
contínuo, 100% em PP com aditivo UV
Massa por unidade de área
(EN 965) (g/m2) 700 285
Espessura (2KPa)
(EN 964-1) (mm) 5,3 2,5
Resistência à tracção
(EN ISO 10319) (KN/m)
42 ± 10% (D.F.*)
42 ± 10% (D.P.F.**)
21,5 ± 10% (D.F.*)
21,5 ± 10% (D.P.F.**)
Elongação na carga máxima
(EN ISO 10319) (%)
95 ± 23% (D.F.*)
80 ± 23% (D.P.F.**)
100 ± 30% (D.F.*)
40 ± 30% (D.P.F.**)
Resistência ao punçoamento
(EN ISO 12236) KN 7,2 ± 10% 3,3 ± 10%
Dimensão aparente dos poros (O90)
(EN ISO 12956) µm - 95 ± 30%
Permissividade (∆h=50mm)
(EN ISO 11058) l/m2.s - 70 ± 30%
Transmissividade (20 KPa)
(EN ISO 12958) m2/s 80x10-7 6,8x10-6
*Direcção de Fabrico **Direcção Perpendicular à de Fabrico
O programa de ensaios da parte experimental, apresentado no Quadro 4.2, consistiu
na realização de 4 tipos de ensaios: tracção/elongação, porometria, danificação
durante a instalação (D.D.I.) e abrasão. Os dois primeiros tipos de ensaios foram
utilizados como ensaios de controlo, em que o valor das propriedades que estes
medem, a resistência à tracção/elongação e a dimensão aparente dos poros,
respectivamente, serve como medida para aferir qual a variação que cada um dos
agentes de danificação considerados, isolada ou conjuntamente, provoca nessa
propriedades.
125
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Quadro 4.2 – Programa de ensaios realizados na parte experimental.
Nº de ensaios realizados Identificação Após D.D.I. Após abrasão Após D.D.I. e
abrasão Ensaio
GT2 GT1 GT2 GT1 GT2 GT1 GT2 GT1 D.F. 6 6 6 6 6 6 6 6 Tracção/Elongação
(EN ISO 10319) D.P.F. 6 6 6 6 6 6 6 6 Porometria 5 5 5 5 5 5 5 5 D.D.I. (EN ISO 10722-1) 17 17 - - - - - - Abrasão (EN ISO 13427) 17 17 - - - - - -
Assim, submeteram-se os provetes de cada um dos geotêxteis aos ensaios de D.D.I. e
abrasão isoladamente, sendo controladas as variações que estes sofreram nas
propriedades mecânicas e hidráulicas, nos ensaios de tracção/elongação e
porometria. Numa 2ª fase, submeteram-se provetes de geotêxteis intactos aos
ensaios de D.D.I. e sucessivamente ao de abrasão, verificando-se a influência que
estes dois fenómenos, cumulativamente, tiveram nas referidas propriedades.
Este programa de ensaios pretende simular realisticamente as condições a que os
geotêxteis ficam submetidos durante as fases de construção (D.D.I.) e utilização
(abrasão) nas estruturas ferroviárias, especialmente nas obras de reabilitação, em
que o geossintético é directamente aplicado em contacto com o balastro. Assim,
procura-se quantificar a variação que tais fenómenos induzem nas propriedades
mecânicas e hidráulicas dos geotêxteis.
Todos os ensaios foram realizados em equipamentos desenvolvidos no LGS. da
F.E.U.P., descrevendo-se em seguida os procedimentos de maior relevância seguidos
em cada um desses ensaios.
4.3.1 Procedimento do Ensaio de Tracção
Os procedimentos do ensaio de tracção encontram-se descritos com pormenor na EN
ISO 10319. Neste ensaio mede-se a elongação sofrida pelo geotêxtil em função da
carga aplicada, determinando-se a sua resistência máxima à tracção quando este
atinge a rotura. Este valor é utilizado no dimensionamento para funções de reforço.
Os provetes de geotêxteis devem ser cortados, de acordo com as especificações da
EN 963, com as dimensões de 200x200mm, segundo a direcção de fabrico e na
direcção perpendicular à de fabrico. Desse provete, apenas a área de 100x200mm
será efectivamente submetida à tracção, sendo a restante área colocada entre as
garras que lhe aplicam a força de tracção, de acordo com a representação
esquemática da Figura 4.9
126
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Área a traccionar
50mm
100mm
50mm
200mm
Figura 4.9 – Dimensões dos provetes a utilizar no ensaio de tracção de acordo com a EN ISO 10319.
A escolha das garras para aplicação da tracção envolveu a realização de inúmeros
ensaios, motivada pela elevada resistência à tracção exibida pelo GT1. A elevada
resistência à tracção provocava o escorregamento do provete nas garras, sendo este
escorregamento mais gravoso nos provetes previamente submetidos ao ensaio de
abrasão. As garras escolhidas, apresentadas na Figura 4.10b, foram as de cunha, com
base aderente em borracha de modo a minimizar o escorregamento do geossintético.
Uma vez cortados os provetes e apertadas as cunhas, com o provete no seu interior,
estas são colocadas paralelamente uma à outra no suporte (Figura 4.10a) que se
encontra ligado a uma célula de carga.
a) Suporte das garras em cunha
b) Base aderente das garras em borracha
Figura 4.10 – Garras utilizadas no ensaio de tracção/elongação.
A célula de carga faz parte do braço da máquina de tracção que realiza o movimento
solicitante no provete. Este movimento, de acordo com a EN ISO 10319, é de
(20±5)%/minuto sendo continuamente registados, através da célula de carga, os
valores da relação força-extensão. O registo é feito num computador que se encontra
127
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
ligado à máquina de tracção. O ensaio termina quando se atinge a rotura do provete,
ou quando os valores da sua extensão excedem um limite previamente definido,
normalmente de 100%. Com os dados recolhidos pelo computador é então possível
traçar um gráfico com a relação força-extensão, através do qual é possível definir os
módulos de rigidez do geossintético.
Este procedimento deve ser repetido em 5 provetes para a direcção de fabrico e em
mais 5 para a direcção perpendicular à de fabrico, sendo registados os valores
médios, os coeficientes de variação e os desvios padrão.
4.3.2 Procedimento do Ensaio de Porometria
Os procedimentos do ensaio de porometria encontram-se descritos
pormenorizadamente na prEN ISO 12956. O objectivo do presente ensaio consiste em
determinar a dimensão aparente dos poros O90 do geotêxtil, utilizada no
dimensionamento para funções de filtragem.
O procedimento do ensaio inicia-se com o corte dos provetes de forma circular a
partir do rolo de geotêxtil, de acordo com as especificações da EN 963, com diâmetro
de 200mm, sendo em seguida feitos os furos para o encaixe no suporte do peneiro
que se mostra na Figura 4.11a. O valor do peso seco do provete é registado, e este é
posto a saturar em água durante, pelo menos, 12 horas à temperatura ambiente.
Após saturação, o provete é colocado horizontalmente e sem tensão no suporte do
peneiro, conforme se mostra na Figura 4.11b.
a)Suporte do peneiro
b)Colocação do provete no suporte do peneiro
Figura 4. 11 – Suporte do peneiro utilizado no ensaio de porometria.
Após colocação do provete de geotêxtil no referido suporte, é-lhe fixado
superiormente um peneiro com malha quadrangular de 10mm de lado, conforme se
128
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
apresenta na Figura 4.12a. Na zona de encaixe do peneiro, é aplicada fita teflon de
maneira a que no decorrer do ensaio não ocorram fugas de água. Sobre o geotêxtil é
espalhado uniformemente um solo granular sem coesão, com as características
especificadas na prEN ISO 12956, e com a curva granulométrica apresentada na
Figura 4.13, de forma a obter uma massa por unidade de área de (7±0,1)kg/m2.
a)Colocação do peneiro sob o geotêxtil
b)Espalhamento do solo sobre o geotêxtil
Figura 4.12 – Preparação do provete para o ensaio de porometria.
Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria
0
20
40
60
80
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Diâmetro equivalente das partículas (mm)
% pa
ssad
os a
cum
ulad
a
Figura 4.13 - Curva granulométrica do solo utilizado no ensaio de porometria.
Este provete é colocado num equipamento de peneiração automática (Figura 4.14a)
com uma amplitude definida de 1,5mm, sobre um colector (Figura 4.14b) que
acumula a água e partículas de solo que atravessam o geotêxtil durante o ensaio. No
decorrer do ensaio é pulverizada superficialmente água sobre o solo, garantindo que
todas as suas partículas são molhadas mas sem que o nível da água ultrapasse o nível
superior da camada de solo. Para tal, é controlado o caudal e a pressão da rede, com
auxílio de um medidor de caudal (Figura 4.15) e de uma válvula reguladora, ligados
à rede de abastecimento de água, garantindo um valor de caudal de 0,5l/minuto e
uma pressão de 300kPa na rede.
129
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
a)Equipamento de peneiração automática
b)Pulverização superficial de água sobre o provete
Figura 4.14 – Ensaio de porometria: peneiração por via húmida (prEN ISO 12956).
O ensaio decorre durante 600 segundos, findos os quais devem ser desligados o
equipamento de peneiração e o abastecimento de água. O material que atravessa o
geotêxtil é recolhido num recipiente, sendo o provete retirado do equipamento e
colocado num recipiente separado. Estes dois recipientes são colocados em estufa a
uma temperatura de 60ºC, até que seja evaporada toda a água do material granular e
até que o provete do geotêxtil esteja seco.
Figura 4.15 – Medidor de caudal aplicado na rede de abastecimento de água.
São então pesados o material granular retido sobre o geotêxtil, o geotêxtil com o
material granular retido e o material granular passado através do geotêxtil. O
material passado é peneirado nos peneiros da série ISO 565/R20 e é traçada a curva
granulométrica desse material. Determina-se a dimensão das partículas do solo O90,
correspondente ao valor de 90% das partículas passadas.
130
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Este procedimento é repetido para 3 provetes sendo que, se a massa de passados se
desviar mais de 25% da média, devem ser ensaiados mais 2 provetes.
4.3.3 Procedimento do Ensaio de Danificação Durante a Instalação
Os procedimentos para simulação laboratorial da danificação durante a instalação de
geossintéticos encontram-se descritos na EN ISO 10722-1. Com este ensaio pretende-
se avaliar a redução de resistência que o geotêxtil sofre devido essencialmente às
operações de manuseamento, colocação e compactação do material de aterro junto
ao geotêxtil.
O procedimento é iniciado pelo corte de 12 provetes de geossintético, de acordo com
as especificações da EN 963, com as dimensões de 500x250mm, sendo 6 alinhados
com a direcção de fabrico e outros 6 pela direcção perpendicular à de fabrico.
O equipamento utilizado na realização dos ensaios de danificação é apresentado
esquematicamente na Figura 4.16, sendo este constituído por três partes:
1.Mecanismo de aplicação da carga – permite a aplicação de pressão de forma
sinusoidal entre os 900±10kPa e 5±5kPa, a uma frequência de 1Hz.
2.Caixa de danificação – é rígida, constituída em aço inoxidável com dimensões
internas de 300x300mm e contém o material granular e o geossintético a danificar. A
caixa é constituída por duas partes, com uma altura de 75mm cada. Estas duas partes
que constituem a caixa são fixas por encaixe e por aplicação da carga.
3.Placa de carregamento – é constituída em aço inoxidável, com uma rigidez tal que
na transmissão da força ao agregado não sofra flexão, tendo dimensões de
100x200mm.
131
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
200m
m
100mm
250m
m
300mm
300m
m
Provete de geossintético Placa de carga (100mmx200mm)
Base de suporte rígida
75m
m75
mm
Aplicação da carga, carga cíclica de5kPa até 900 kPa com 1 Hz
Solo compactado nas duas caixas
Caixa de aço rígida, parte inferior(300mmx300mm)
Caixa de aço rígida, parte superior(300mmx300mm)
Figura 4.16 - Representação esquemática da caixa de danificação (Paula, 2003).
O procedimento deste ensaio, de acordo com a norma, consiste em encher a caixa
metálica inferior com um agregado sintético, em duas camadas de igual altura,
perfazendo uma altura total de 75mm. Cada uma dessas camadas é compactada com
uma placa metálica rígida colocada sobre toda a área da caixa (Figura 4.17a),
aplicando-lhe uma tensão de 200±2kPa (Figura 4.17b) durante 60 segundos.
Esta norma especifica que o material granular a utilizar seja um agregado sintético
de óxido de alumínio normalizado, tendo partículas de dimensões entre os 5 mm e os
10mm. O mesmo material deve ser peneirado, com o peneiro de 5mm, após 5
utilizações, e rejeitado ao fim de 20 utilizações.
No entanto, na parte experimental deste trabalho foi utilizado um material com
características distintas. Assim, foi utilizado um material granular , do tipo angular
de origem granítica, com dimensões a variar entre os 31,5 e os 63mm e com uma
resistência à abrasão obtida no ensaio de Los Angeles de 16,9%. Foi utilizado este
material de balastro de via-férrea para tentar reproduzir, o mais realisticamente
possível, as condições a que os geossintéticos ficam sujeitos quando aplicados entre
camadas de balastro nas estruturas ferroviárias. Dadas as características deste
material, em particular a sua angulosidade e a quebra de partículas verificada,
optou-se pela peneiração do material no peneiro de 31,5mm após 4 utilizações e
rejeição do material após 8 utilizações. Este procedimento foi adoptado no sentido
de manter as características de maior agressividade do material granular (grandes
132
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
dimensões das partículas e sua forma angular) tão uniformemente quanto possível ao
longo dos ensaios de todos os provetes.
a)Placa utilizada na compactação das camadas inferiores
b)Aplicação de tensão na placa de compactação
Figura 4.17 – Enchimento e compactação do solo na caixa inferior do ensaio de danificação.
Após enchimento e compactação da caixa inferior, é colocado o provete de geotêxtil
sobre a camada de balastro, alinhando o centro do provete com o centro da caixa. A
caixa superior é encaixada sobre a caixa inferior, verificando-se que o provete de
geotêxtil fica sem rugas e sem tensão. Esta caixa é cheia com balastro solto até à
altura de 75mm, e o conjunto das duas caixas é colocado em posição central sobre a
placa de carregamento, conforme se mostra na Figura 4.18a, aplicando esta uma
carga de 5±5kPa. O carregamento é feito ao longo de 200 ciclos, a uma frequência de
1Hz, com uma carga cíclica triangular a variar entre os 5±5kPa e os 900±10kPa,
conforme se mostra na Figura 4.18b.
a) Danificação do provete em laboratório
100200300400500600700800900
10
0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
q(kP
a)
t(s)
b) Carregamento aplicado, de acordo com a ENV ISO
10722-1 (Paula , 2003)
Figura 4.18 – Simulação da danificação no provete de geotêxtil.
133
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Terminada a aplicação dos 200 ciclos de carga, o material granular e o provete são
cuidadosamente removidos da caixa, sem que o provete sofra qualquer tipo de
danificação adicional à provocada pelo ensaio. Estes provetes são marcados com a
forma do provete do ensaio a realizar em seguida (de acordo com o programa de
ensaios pode realizar-se o ensaio de tracção, porometria ou abrasão) e cortados pela
marcação. Seguem-se então os procedimentos definidos para cada um dos referidos
ensaios.
Este procedimento é repetido para cada todos os provetes cortados inicialmente,
sendo estes analisados visualmente, e realizados os restantes ensaios para controlo
da variação do valor das propriedades .
4.3.4 Procedimento do Ensaio de Abrasão
Os procedimentos do ensaio de abrasão encontram-se descritos em pormenor na EN
ISO 13427 (1998). Este ensaio pretende simular a abrasão que o geotêxtil sofre
quando o balastro, com que contacta directamente, sofre deslocamentos provocados
pela aplicação de cargas provenientes do tráfego ferroviário.
Corta-se uma película de abrasivo com características de superfície P100, de acordo
com ISO/DIS 6344-2, com as dimensões de 220x385mm. Coloca-se a película na placa
deslizante entre as garras de fixação, sem rugas e orientada no sentido do
desenvolvimento do equipamento, conforme mostra a Figura 4.19, e apertam-se os 6
parafusos de cada uma das garras até que a película esteja firme.
Figura 4.19 – Fixação da película de abrasivo à placa inferior deslizante do equipamento de abrasão.
Os provetes de geotêxteis são cortados com as dimensões de 430x200, de acordo
com as especificações da EN 963. Dependendo do ensaio de controlo que se realize
134
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
posteriormente, de tracção ou porometria, define-se o número de provetes a cortar.
No caso do ensaio de tracção devem ser cortados 10 provetes, 5 em cada direcção
(de fabrico e perpendicular a este), e no caso do ensaio de abrasão deverão ser
cortados 3, ou 5 provetes, mediante o exigido.
Retira-se a placa superior do equipamento. Coloca-se uma das extremidades do
geotêxtil alinhada sob a garra da placa, do lado que não possui esticador, e
aparafusam-se os 6 parafusos dessa mesma garra, conforme se mostra na Figura 4.20.
Seguidamente, alinha-se o provete com o desenvolvimento da placa, segurando-o na
outra extremidade sob a garra, apertando os 6 parafusos dessa extremidade da
placa. Até esta fase, o esticador não deve ser utilizado, devendo somente iniciar-se a
sua utilização após colocação e fixação do provete às duas garras da placa superior.
O esticador deve ajustar o provete às formas da placa superior, eliminando as folgas
aí existentes não devendo, contudo, colocar o provete sob tensão.
a) Alinhamento do provete com a garra
b) Colocação do provete na garra
Figura 4.20 – Colocação do provete de geotêxtil à placa superior do equipamento de simulação da abrasão.
De seguida, coloca-se a placa superior nos apoios verticais do equipamento,
baixando-a até que esta fique alinhada com a placa inferior onde foi colocado o
abrasivo. Carrega-se a placa superior com os três níveis de pesos, definem-se na
caixa de aquisição 750 ciclos e dá-se início ao ensaio.
Uma vez terminado o ensaio, retira-se cuidadosamente o provete do equipamento,
sem que se provoque qualquer tipo de danificação adicional. Na outra face do
geotêxtil, oposta à que foi submetida à abrasão, marca-se a forma do provete a
ensaiar no ensaio de controlo, de tracção ou porometria, e corta-se pela marcação.
Seguem-se então os procedimentos definidos para cada um dos referidos ensaios.
135
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Este procedimento repete-se para o número de provetes definido inicialmente,
utilizando-se para cada ensaio uma película de abrasivo nova.
4.4 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS
Aqui far-se-á a apresentação e análise dos resultados obtidos em cada um dos ensaios
realizados. Dar-se-á, naturalmente, maior relevância aos fenómenos observados no
ensaio de abrasão por este se tratar de um ensaio sobre o qual não são ainda
conhecidos resultados.
4.4.1 Ensaio dos Provetes Intactos
O ensaio dos provetes intactos consiste no ensaio de identificação dos geotêxteis
utilizados. Estes valores servem como termo de comparação à análise que
posteriormente será feita quando os provetes forem submetidos aos ensaios de
danificação e abrasão.
No Quadro 4.3, é possível observar o resumo dos resultados obtidos nos ensaios de
tracção para os provetes intactos. Estes geotêxteis apresentam comportamentos
distintos quando solicitados segundo a direcção de fabrico e segundo a direcção
perpendicuar à de fabrico, característica tipicamente exibida por geotêxteis não-
tecidos agulhados. O andamento das curvas força-extensão pode ser analisado no
Anexo 1, tendo o seu comportamento durante o ensaio sido considerado satisfatório,
não tendo ocorrido escorregamento de nenhum dos provetes nas garras, nem terem
existido roturas nos provetes a menos de 5mm destas.
Quadro 4.3 – Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes intactos.
Provetes Intactos Ensaio Tracção (EN ISO 10319)
Ensaio Elongação (EN ISO 10319)
Geotêxtil
Valor médio da
força máxima na
rotura (kN/m)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Valor médio da elongação para a força
máxima (%)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Direcção Fabrico 24445,77 4,13 1010,68 134,08 5,33 7,15
GT2 Direcção Perpendicular
Fabrico 24591,35 6,35 1560,59 57,46 11,87 6,82
Direcção Fabrico 43983,82 6,25 2750,19 104,20 6,49 6,77
GT1 Direcção Perpendicular
Fabrico 45146,11 4,20 1896,40 84,39 5,56 4,69
136
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Uma das características que mais acentuadamente diferencia estes dois geotêxteis,
para além da resistência à tracção, é a maior elongação na rotura exibida pelo GT2
nas duas direcções, o que poderá ser benéfico no contacto com as partículas de
balastro, na medida em que com maior facilidade se adapta à forma e dimensão
destas, sem sofrer rotura.
Na Figura 4.21 apresentam-se os resultados do ensaio de porometria para os dois
geotêxteis ensaiados, tendo-se revelando estes muito próximos, ou seja, com valores
muito semelhantes da dimensão aparente dos poros O90. Isto significa que estes
geotêxteis, em termos do seu dimensionamento para a função de filtragem,
apresentam características similares de retenção de partículas de solo.
GT1 (Identificação)
O90=0,137
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
% Pa
ssad
os
a) GT1
GT2 (Identificação)
O90=0,138
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
% Pa
ssad
os
b) GT2
Figura 4.21 – Resultados do ensaio de porometria para provetes intactos.
As curvas apresentadas correspondem a valores médios, não se tendo verificado em
qualquer ensaio desvios superiores a 25% relativamente ao valor médio, pelo que
apenas foram ensaiados 3 provetes.
4.4.2 Ensaio dos Provetes Submetidos a D.D.I.
Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de D.D.I. segundo os procedimentos
descritos em 4.3.3. Seguidamente foram cortados, a partir desses provetes
danificados, provetes com as dimensões adequadas aos ensaios de tracção e
porometria. Foi realizada a inspecção visual dos provetes, apresentando estes cortes,
perfurações e alguma abrasão superficial, conforme se observa na Figura 4.22. Os
cortes e perfurações apresentavam maiores dimensões no caso do GT2, chegando a
atingir os 8mm de diâmetro, comparativamente ao GT1, que apresentavam
danificações da ordem dos 3 a 4 mm.
137
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
a)GT1
b)GT2
Figura 4.22 – Inspecção visual dos provetes após D.D.I.
Os resultados obtidos no ensaio de tracção são apresentados no Quadro 4.4, onde se
verifica uma perda de resistência à tracção e elongação mais acentuada no geotêxtil
GT2 face ao GT1, comparativamente aos provetes intactos. Isso deve-se ao facto de
o GT2 apresentar menor resistência à tracção inicial, e à sua estrutura ser de maior
fragilidade, ou seja, menor m.u.a. e menor espessura.
Quadro 4.4- Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos a D.D.I.
Provetes Intactos Ensaio Tracção (EN ISO 10319)
Ensaio Elongação (EN ISO 10319)
Geotêxtil
Valor médio da
força máxima
na rotura (kN/m)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Valor médio da
elongação para a força
máxima (%)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Direcção Fabrico
15830,823 11,89 1881,83 70,78 9,47 6,71
GT2 Direcção Perpendicular
Fabrico 16584,90 8,41 1394,52 38,03 14,53 5,52
Direcção Fabrico
41241,92 12,70 5238,79 93,92 22,33 20,97
GT1 Direcção Perpendicular
Fabrico 43635,92 7,89 3444,56 82,14 14,25 11,71
Também é notório um aumento generalizado do coeficiente de variação dos
resultados, consequência dos rasgos e perfurações com carácter aleatório que as
partículas de balastro causam nos geotêxteis. Estes rasgos e perfurações causam
pontos de fragilidade na estrutura do geotêxtil, conforme se observa na Figura 4.23,
dando-se a rotura dos provetes por esses pontos, fenómeno visível no Anexo 1 pelo
andamento das curvas força-extensão que tendem a sofrer maior grau de dispersão
relativamente à força máxima na rotura.
138
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
a) Pontos de fragilidade criados pela danificação
b) Rotura dos provetes pelos pontos de fragilidade
Figura 4.23 – Consequência da danificação nos provetes ensaiados à tracção.
A Figura 4.24 apresenta os resultados do ensaio de porometria dos provetes
danificados. Nota-se que houve um aumento em cerca de 14% na dimensão aparente
dos poros de ambos os geotêxteis, quando comparado com os provetes intactos. Este
aumento deve-se aos rasgos e perfurações verificados nos geotêxteis após
danificação, que criam aberturas onde não se verifica a função de filtragem,
facilitando o escoamento da água com solo misturado. Seria de esperar um aumento
da dimensão dos poros superior no caso do GT2, visto este ter uma menor m.u.a. e
menor espessura, logo potencialmente menor resistência à danificação durante a
instalação. No entanto, tal não se verificou provavelmente devido ao facto de a
danificação provocada pelas partículas de balastro, devido às suas elevadas
dimensões, ser do tipo rasgo e perfuração, ou seja, bastante localizada, e
tendencialmente idêntica para qualquer geotêxtil, desde que este não resista a esses
cortes e perfurações.
GT1 (Após DDI)
O90=0,156
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
a) GT1
GT2 (Após DDI)
O90=0,157
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
b) GT2
Figura 4.24 - Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos a danificação.
139
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Foi verificado que as partículas de balastro, pela elevada quebra de partículas que
apresenta, dá origem a um material de granulometria bastante fina que tende a
acomodar-se na estrutura dos geotêxteis (Figura 4.25), podendo alterar as
características da função de filtragem. No entanto, não foi possível isolar a influência
deste fenómeno na dimensão aparente dos poros devido à presença de cortes e
perfurações que facilitam a saída da água com solo misturado.
Figura 4.25 – Acumulação de partículas finas na estrutura do geotêxtil.
4.4.3 Ensaio dos Provetes Submetidos à Abrasão
Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de abrasão segundo os
procedimentos descritos em 4.3.4. Seguidamente foram cortados, a partir desses
provetes danificados, provetes com as dimensões adequadas aos ensaios de tracção e
porometria.
A observação dos ensaios no geotêxtil GT2 mostrou que a sua elevada elongação,
aliada à sua baixa resistência à tracção põe em causa os resultados do ensaio de
abrasão, isto porque se verifica que em muitos dos ensaios se geram folgas entre o
provete de geotêxtil e a placa superior do equipamento, aderindo o geotêxtil à
película de abrasivo e consequentemente anulando a simulação do fenómeno de
abrasão. Este tipo de comportamento pode, como já foi referido anteriormente, ser
benéfico nas aplicações que aqui se pretendem simular, já que permite ao geotêxtil
deformar-se, adaptando-se à forma das dimensões das partículas de balastro sem
sofrer rotura. Nos ensaios em que ocorreu abrasão, verificou-se que as suas
consequências são bastante gravosas, conforme se verifica na Figura 4.26,
apresentando desagregações superficiais parciais e totais, criação de nódulos,
alinhamento dos filamentos na direcção da abrasão e separação. Esta descrição dos
fenómenos de abrasão está de acordo com a apresentada no Quadro 3.5.
140
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Figura 4.26 – Aspecto visual da abrasão no geotêxtil GT2.
No caso do GT1, a sua elevada resistência à tracção e menor elongação permitiram
simular eficazmente a abrasão. A abrasão apenas tem efeito numa parte da
espessura do geotêxtil (Figura 4.27), tendo sido a espessura afectada cerca de
1,4mm. Os efeitos que a abrasão tem são verificados só na camada superficial e
constam aí de uma reorientação dos filamentos numa direcção preferencial, a do
sentido da abrasão, pontualmente a criação de nódulos, e uma desagregação
superficial parcial. Dado que os filamentos são do tipo contínuo, a desagregação
superficial apenas se dá parcialmente, não sendo os filamentos destacados da
estrutura do geotêxtil.
3,9m
m11
,7m
m
5,3m
m
a) Espessura do provete intacto
b) Espessura do provete afectada pela abrasão
Figura 4.27 – Simulação da abrasão no provete de geotêxtil GT1.
Este efeito da abrasão na camada superficial faz com que o provete, quando
colocado na garra de tracção para ser solicitado, tenda a sofrer deslizamento pela
interface da camada desagregada com a restante estrutura. Esta tendência para o
deslizamento associada à elevada resistência à tracção levou a que tivesse de ser
adoptado, na zona das garras, uma colagem da zona de desagregação dos filamentos,
o que possibilitou a realização dos ensaios de tracção.
141
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
Os resultados dos ensaios de tracção são apresentados no Quadro 4.5, onde se
verifica que a resistência à tracção do GT2, comparada com a dos provetes intactos,
praticamente não se alterou (baixou cerca de 1%), tendo sido já apresentada a
justificação para esta causa, a de ter conseguido simular a abrasão em poucos
provetes, daí que a validade destes resultados possa ser posta em causa. O geotêxtil
GT1 apresenta um aumento da sua resistência à tracção (cerca de 20%) e elongação
na rotura (cerca de 40%), devido provavelmente à reorientação de alguns filamentos
e/ou ao facto de a camada superficial ser parcialmente destacada, o que provoca
que alguns dos filamentos entrem em tracção somente quando já existiu alguma
deformação prévia do geotêxtil, conforme se pode ver na Figura 4.28. Note-se que se
os filamentos não fossem do tipo contínuo existiria uma perda de resistência à
tracção e uma baixa na sua elongação na rotura, já que alguns dos filamentos seriam
destacados da estrutura, deixando de contribuir para as propriedades mecânicas do
geotêxtil.
Quadro 4.5 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à abrasão.
Provetes Intactos Ensaio Tracção (EN ISO 10319)
Ensaio Elongação (EN ISO 10319)
Geotêxtil
Valor médio da
força máxima
na rotura (KN/m)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Valor médio da
elongação para a força
máxima (%)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Direcção Fabrico
24418,50 14,32 3496,84 132,38 11,32 14,98
GT2 Direcção Perpendicular
Fabrico 24270,35 2,94 714,10 60,17 14,67 8,83
Direcção Fabrico
55651,20 4,29 2386,327 142,58 4,47 6,38
GT1 Direcção Perpendicular
Fabrico 54187,78 2,50 1353,384 129,10 11,02 14,23
Não é notório o aumento do coeficiente de variação dos resultados do ensaio de
tracção relativamente aos provetes intactos, isto porque, no caso do GT2 a abrasão
foi limitada, já no caso do GT1, uma vez que não houve corte ou destacamento total
de filamentos não se verificou perda de resistência à tracção, logo não se regista
variação no seu comportamento. O coeficiente de variação dos resultados do ensaio
de elongação mostra que, no GT1, a abrasão ao causar alteração da disposição dos
filamentos na estrutura do geotêxtil conduz a diferentes elongações na rotura para
cada provete.
142
Capítulo 4 ratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
143
Estudo Labo
Figura 4.28 – Ensaio de tracção do geotêxtil GT1 após abrasão.
a) Colocação do provete nas garras
b) rotura do provete após abrasão
Relativamente aos resultados dos ensaios de porometria, pode ver-se na Figura 4.29,
que o GT2 praticamente não sofreu qualquer alteração na dimensão aparente dos
seus poros, tendo aumentado de 0,138mm para 0,139mm. Isto deve-se ao facto de,
como já foi referido, o fenómeno de abrasão não ter sido simulado eficazmente neste
geotêxtil.
GT1 (Após Abrasão)
O90=0,102
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
a) GT1
GT2 (Após Abrasão)
O90=0,139
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
b) GT2
Figura 4.29 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à abrasão.
O geotêxtil GT1 sofreu uma diminuição de cerca de 25% na dimensão aparente dos seus
poros, devida provavelmente ao destacamento parcial dos filamentos da estrutura do
geotêxtil, visível na Figura 4.27. Este destacamento parcial dos filamentos, dá origem à
formação de uma trama de filamentos superficiais solta, semelhante aquela presente
nos geotêxteis não tecidos antes da fase de agulhagem, com uma distribuição de poros
mais fechada. Repare-se também no facto de a colocação do provete de geotêxtil no
ensaio de porometria ter sido feita com a face que sofreu abrasão voltada no sentido
da colocação da camada uniforme de solo, o que pode dificultar, à partida, ainda mais,
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
a passagem do solo através da estrutura do geotêxtil.
4.4.4 Ensaio dos Provetes Submetidos à DDI e à Abrasão
Os provetes intactos foram submetidos ao ensaio de DDI, seguindo os procedimentos
descritos em 4.3.3, e posteriormente cortados com as dimensões adequadas para o
ensaio de abrasão. Foram então ensaiados à abrasão, seguindo os procedimentos
descritos em 4.3.4, e cortados os provetes com as dimensões adequadas aos ensaios
de tracção e porometria.
Da inspecção visual foi possível observar que o GT2 sofreu cortes e perfurações tendo
as dimensões de alguns desses atingido os 15mm, e alguma abrasão superficial
(Figura 4.30a), como resultado da DDI, e que o material granular fino resultante da
quebra das partículas de balastro ficou incrustado na estrutura do geotêxtil. Foi
observado que a incrustação dessas partículas finas permitiu a simulação mais eficaz
da abrasão (Figura 4.30b) devido a um aumento da rigidez da camada superficial da
sua estrutura. Este aumento da rigidez superficial deve-se, provavelmente, ao facto
de as partículas de solo incrustadas não permitirem a fácil movimentação dos
filamentos na estrutura do geotêxtil, não havendo por isso facilidade na elongação e,
como tal, permitindo a abrasão pela película de abrasivo. Esta abrasão causou um
ligeiro aumento nas aberturas dos cortes e perfurações, resultando em algumas
aberturas com 17mm.
a)GT2 após D.D.I. e antes da abrasão
b)GT2 após D.D.I. e abrasão
Figura 4.30 – Geotêxtil GT2 submetido aos ensaios de D.D.I. e abrasão.
O GT1, como consequência da DDI sofreu alguns cortes e perfurações (com cerca de
4mm) e alguma abrasão superficial, inferior ao GT2, apresentando partículas finas de
144
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
balastro incrustadas na sua estrutura. Quando submetido à abrasão, observou-se, no
GT1, a criação de nódulos e um ligeiro destacamento dos filamentos superficiais
(Figura 4.31), não tendo sido praticamente verificado aumento das aberturas
resultantes da DDI.
O fenómeno de criação de nódulos é comum aos dois geotêxteis, e deriva do facto de
a incrustação das partículas de solo aumentar a rigidez da estrutura do geotêxtil. A
criação de nódulos é o principal tipo de abrasão presente, pois os filamentos da
estrutura do geotêxtil não se movimentam com tanta facilidade, surgindo
desagregação superficial, e um desgaste acrescido da camada que contacta
directamente com a película de abrasivo. Este acréscimo de desgaste superficial dá
origem ao corte de filamentos, com a criação de nódulos.
a)GT1 após danificação e antes da abrasão
b)GT1 após danificação e abrasão
Figura 4.31 – Geotêxtil GT1 submetido aos ensaios de danificação e abrasão.
No Quadro 4.6 podem ver-se os resultados obtidos no ensaio de tracção onde é
possível verificar que o geotêxtil GT2 sofreu uma elevada quebra de resistência à
tracção, atingindo os 44% para a direcção de fabrico, significando isto que, para além
da D.D.I., ocorreu abrasão, já que a perda de resistência é superior a qualquer um
dos fenómenos actuando isoladamente. No que respeita à elongação, verifica-se
igualmente uma elevada quebra nos seus valores, atingindo os 54%, devida à redução
de resistência verificada.
Os resultados para o GT1 mostram que não houve grande variação na resistência
retida, tendo baixado somente cerca de 2% na direcção de fabrico, tendo inclusivé
aumentado cerca de 7% para a direcção perpendicular à de fabrico. Este aumento
pode dever-se à combinação da reorientação de alguns filamentos da estrutura do
geotêxtil com a presença de algumas partículas finas nessa mesma estrutura. Já
relativamente à elongação, foi verificada uma quebra, sem significado, em cerca de
145
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
4% para a direcção perpendicular à de fabrico, ao passo que na direcção de fabrico se
registaram diminuições de cerca de 28%.
Quadro 4.6 - Resultados do ensaio de tracção/elongação para provetes submetidos à abrasão e
danificação durante a instalação.
Provetes Intactos Ensaio Tracção (EN ISO 10319)
Ensaio Elongação (EN ISO 10319)
Geotêxtil
Valor médio da
força máxima
na rotura (kN/m)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Valor médio da
elongação para a força
máxima (%)
Coef. variação
(%)
Desvio padrão
Direcção Fabrico
13723,22 23,23 3187,44 62,04 13,73 8,52
GT2 Direcção Perpendicular
Fabrico 18200,30 6,49 1181,70 38,39 10,82 4,15
Direcção Fabrico
43255,42 5,21 2254,04 75,23 9,01 6,78
GT1 Direcção Perpendicular
Fabrico 48289,85 7,77 3752,95 80,94 15,60 12,63
Relativamente ao coeficiente de variação dos resultados, é visível um aumento
generalizado, consequência dos rasgos e perfurações com carácter aleatório
provocados pelo balastro no ensaio de D.D.I. e pelo incremento dessa danificação no
ensaio de abrasão. Estes dois tipos de danificação alteram as propriedades mecânicas
dos geotêxteis, aumentando a variabilidade dos resultados no ensaio de
tracção/elongação.
Relativamente ao ensaio de porometria (Figura 4.31), foi verificado um importante
incremento na dimensão aparente dos poros nos dois geotêxteis, com maior
incidência no GT2. Assim, o aumento do valor O90 para o GT2 foi de cerca de 83%, e
para GT1 de 26%. No caso do GT2, isto é consequência de uma maior danificação
sofrida, já que os cortes e perfurações provocados pelo ensaio de D.D.I. são
incrementados pela abrasão. A justificação para o incremento sentido no GT1 é
semelhante à apresentada para o GT2, no entanto os efeitos têm consequências
menos gravosas.
146
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
GT1 (Após Abrasão+DDI)
O90=0,173
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
a) GT1
GT2 (Após Abrasão+DDI)
O90=0,252
70
80
90
100
0,01 0,1 1
Diâmetro equivalente(mm)
%pas
sado
s
b) GT2
Figura 4.32 – Resultados do ensaio de porometria para provetes submetidos à D.D.I. e abrasão.
Este aumento do valor de O90 para o GT2 parece comprometer a sua utilização em
estruturas ferroviárias, pelo menos em contacto directo com o balastro, na medida
em a sua capacidade de retenção vem claramente diminuída (83%) e os cortes e
perfurações verificados permitem a passagem de partículas com dimensões máximas
de 17mm.
4.5 DISCUSSÃO DE RESULTADOS
A inspecção visual dos provetes danificados laboratorialmente pelo ensaio de abrasão
mostra que os processos de abrasão verificados são concordantes com os observados
por Raymond et al. (1982), apresentados no Quadro 3.5, constando estes de cortes,
perfurações, abrasão superficial, alinhamento de filamentos, criação de nódulos e
desagregação superficial.
Nas Figuras 4.33 e 4.34 apresenta-se um resumo das variações da resistência retida à
tracção nos dois geotêxteis para os três níveis de danificação simulados
laboratorialmente. Aí, é visível que o tipo de danificação que mais influencia a
resistência dos geotêxteis, é a D.D.I. actuando isoladamente. Ao contrário do que
seria de esperar, a D.D.I. combinada com a abrasão, gera menores perdas de
resistência à tracção, sendo a justificação para este facto atribuída à reorientação
dos filamentos na estrutura dos geotêxteis.
É também visível a inexistência de abrasão no caso do GT2, mantendo-se
praticamente inalterada a resistência à tracção. Pelo contrário, no caso do GT1, a
abrasão é benéfica no que se refere à resistência à tracção, devido à reorientação
dos filamentos na estrutura do geotêxtil.
147
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
GT 2
Direcção de Fabrico Direcção Perpendicular à de Fabrico
64,8
99,9
56,1
100,0
67,4
98,7
74,0
100
0
20
40
60
80
100
120
Vari
ação
per
cent
ual
da r
esis
tênc
ia
à tr
acçã
o re
tida
(%)
Identificação
DDI
Abrasão
DDI+Abrasão
Figura 4.33 – Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil GT2.
GT 1
Direcção de Fabrico Direcção Perpendicular à de Fabrico
100,093,8
126,5
98,3 100,0 96,7
120,0107,0
0
20
40
60
80
100
120
140
Vari
ação
per
cent
ual
da r
esis
tênc
ia
à tr
acçã
o re
tida
(%)
Identificação
DDI
Abrasão
DDI+Abrasão
Figura 4.34 - Resumo dos resultados obtidos no ensaio de tracção para o geotêxtil GT1.
Os resultados obtidos com para o GT2 revelam-se algo optimistas quando comparados
com os obtidos por Hausmann et al.(1990), realizados sobre amostras de geotêxteis
exumados de aplicações reais, e apresentados na Figura 3.28. Os dois geotêxteis
apresentam m.u.a. semelhantes, no entanto a perda de resistência varia de 67 a 74%
nos resultados obtidos por Hausmann et al. (1990), ao passo que no presente estudo
a máxima perda de resistência atinge os 45%. Este facto pode atribuir-se à
dificuldade de simulação laboratorial da abrasão no GT2.
A simulação laboratorial da danificação durante a instalação com balastro pode ser
considerada pessimista relativamente às situações reais, no sentido em que as
camadas de material que sofrem acções de compactação sobre os geotêxteis
148
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
aplicados " in situ" têm uma espessura bastante superior (cerca de 40cm) à utilizada
na presente parte experimental (15cm).
Relativamente às propriedades hidráulicas dos geotêxteis, foi verificado que o GT2
sofre cortes e perfurações em maior número e de maior gravidade,
comparativamente ao GT1, o que, influencia as características de filtragem do
geotêxtil, na medida em que a dimensão característica dos seus poros vem alterada.
Na Figura 4.35, é possível observar o resumo dos resultados obtidos nos ensaios de
porometria, onde se constata que, contrariamente ao que sucedia na resistência à
tracção, os dois fenómenos de danificação (D.D.I. e abrasão) combinados causam um
maior aumento na dimensão aparente dos poros dos geotêxteis. Esse aumento atinge
os 83% no caso do GT2, e os 26% no caso do GT1.
Porometria
100114
101
183
100114
74
126
0
50
100
150
200
GT2 GT1
Vari
ação
per
cent
ual
da
dim
ensã
o ap
aren
te d
os
poro
s (%
)
Identificação
DDI
Abrasão
DDI+Abrasão
Figura 4.35 – Variação da dimensão característica dos poros dos geotêxteis ensaiados.
Os aumentos do valor de O90 verificados para o GT2 parecem inviabilizar a sua
utilização como filtro nas aplicações ferroviárias, quando utilizado em contacto
directo com a camada de balastro, na medida em que, após abrasão se constatou
uma tendência para o desenvolvimento de maiores aberturas dos cortes e
perfurações, logo, para maiores valores de O90, o que acabará por comprometer o
controlo do fenómeno de contaminação do balastro.
Os aumentos verificados no valor de O90 para o GT1 não parecem comprometer a sua
utilização em aplicações ferroviárias, visto não existir a tendência para o aumento
das dimensões dos cortes e perfurações. Assim, justifica-se este aumento
149
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
comparativamente ao verificado nos provetes após DDI, de 14%, com a modificação
superficial da estrutura afectada pela abrasão.
Tal como foi referido relativamente às propriedades mecânicas, também os
resultados dos ensaios de porometria devem ser encarados com precaução, visto não
haver qualquer outro estudo laboratorial publicado, com que se possam correlacionar
resultados e estabelecer ligações.
4.6 CONCLUSÕES
Em qualquer um dos geotêxteis ensaiados, verifica-se que as acções de danificação
durante a instalação são bastante severas, provocando cortes e perfurações nos
geotêxteis. Isto deve-se, por um lado, às características das partículas de balastro,
de grandes dimensões e do tipo angular, e por outro, às condições do ensaio serem
mais severas que o verificado "in situ". Também foi visto que esta danificação é tanto
mais gravosa quanto menor é a m.u.a do geotêxtil, pelo que se destaca a importância
de utilizar um geotêxtil com elevada m.u.a.. Apesar da utilização de um geotêxtil
com elevada m.u.a. e com o intuito de minimizar este tipo de danificação no
contacto directo com a camada de balastro será recomendável, tal como referido na
bibliografia da especialidade, a utilização de camadas de areia na interface balastro-
geotêxtil para protecção ao geotêxtil, funcionando essas, adicionalmente, como um
primeiro filtro para as partículas de maiores dimensões.
Foi visto que o fenómeno de abrasão, actuando isoladamente, só foi observado no
geotêxtil GT1, parecendo inadequada a utilização deste equipamento com geotêxteis
de baixa resistência à tracção e elevada elongação. Para o geotêxtil GT1, observou-
se que os processos de abrasão que ocorrem são semelhantes aos descritos por outros
autores, o que comprova a eficácia deste equipamento na simulação da abrasão
neste tipo de geotêxtil. Estes processos de abrasão manifestam-se essencialmente
nas propriedades hidráulicas do geotêxtil, consequência da reorientação dos
filamentos superficiais que compõem a estrutura do geotêxtil, diminuindo a
dimensão aparente dos poros deste. As propriedades mecânicas, não foram
praticamente afectadas devido, provavelmente, ao tipo de geotêxtil utilizado nos
ensaios, de filamento contínuo, o qual não se destaca totalmente da estrutura,
excepto por corte, contribuindo sempre para a sua resitência mecânica. Assim,
constata-se a importância de utilizar um geotêxtil de filamento contínuo,
especialmente quando a função de reforço seja relevante.
150
Capítulo 4 Estudo Laboratorial da Danificação Durante a Instalação e Abrasão
A combinação dos dois fenómenos de danificação mostrou ter consequências diversas
nos dois tipos de geotêxtes utilizados. No caso do GT2, tanto as propriedades
mecânicas como hidráulicas foram gravemente afectadas, pondo em causa a sua
utilização nas obras ferroviárias, salvo os casos em que sejam adoptadas medidas de
protecção face ao seu contacto directo com as partículas de balastro. Pelo contrário,
o GT1 face aos fenómenos de danificação considerados, mostrou-se praticamente
insensível na variação da resistência à tracção e uma ligeira alteração das
propriedades hidráulicas, não comprometendo a sua aplicação em obras ferroviárias.
Por último, deve ressalvar-se que a parte experimental aqui realizada, pretendeu
simular as condições de maior agressividade verificadas "in situ" para os geotêxteis,
ou seja, as obras de reabilitação, em que o geotêxtil é colocado em contacto com o
balastro nas suas duas faces, pelo que se julga que os resultados aqui obtidos se
possam considerar algo conservadores.
151
CAPÍTULO 5
DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Do estudo laboratorial realizado neste trabalho constatou-se que a aplicação de
geossintéticos directamente na camada de balastro é efectivamente exigente, pelo
que a avaliação dos fenómenos de abrasão e danificação durante a instalação de
geossintéticos se revela essencial para garantir, em dimensionamento, o correcto
desempenho destes nas funções de filtro, separação e reforço.
Os resultados aqui obtidos no equipamento de abrasão revestem-se, de algum modo,
de carácter inovador, visto não haver ainda resultados na bibliografia sobre este
equipamento. Dada a exigência da EN 13250 relativamente a este ensaio, existirá
todo o interesse em obter um maior númerio de resultados neste equipamento e
também resultados de monitorizações "in situ" para posteriormente poder
correlacioná-los com os aqui obtidos.
Será também de todo interessante avaliar a influência que estes dois fenómenos de
danificação têm nos coeficientes de permeabilidade dos geossintéticos, vista a
importância que a função de filtragem desempenha nesta aplicação e a tendência
para a existência nos geossintéticos de cortes e perfurações. Neste sentido será
também importante fazer o estudo sobre geossintéticos que revelem maior
resistência a cortes e perfurações, pela prática de técnicas especiais de fabrico com
adição de resinas, e conhecer qual a influência estas técnicas de fabrico podem ter
na sua função de filtro.
Por último, será também conveniente realizar o estudo destes fenómenos noutros
tipos de materiais geossintéticos, como geotêxteis tecidos, geotêxteis não tecidos
termossoldados e agulhados constituídos por filamentos contínuos e fibras, a fim de
conhecer o seu desempenho comparativamente ao dos materias aqui ensaiados.
- Anexo 1 -
156
Anexo1
Resultados dos Ensaios de Tracção/Elongação (EN ISO 10319)
- GT1 –
GT1 Identificação - Direcçao de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra1Amostra2Amostra3Amostra4Amostra5Amostra6
GT1 Identificação - Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra1Amostra2Amostra3Amostra4Amostra5Amostra6
157
Anexo1
GT1 Após DDI - Direcção de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra1
Amostra2
Amostra3
Amostra4
Amostra5
Amostra6
GT1 Após DDI - Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
10002000
30004000
5000
60007000
80009000
10000
0 20 40 60 80 100 120 140
e(%)
Forc
a (N
)
Amostra1Amostra2Amostra3Amost
158
Anexo1
GT1 Após Abrasão - Direcção de Fabrico
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3Amostra 4
Amostra 5
Amostra 6
GT1 Após Abrasão - Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
Amostra 4
Amostra 5
Amostra 6
159
Anexo1
GT1 Após DDI e Abrasão - Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 20 40 60 80 100 120
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4
Amostra 5Amostra 6
GT1 Após DDI e Abrasão - Direcção de Fabrico
10000
9000
8000Amostra 1
7000Amostra 2
600Força(N) 0 Amostra 3Amostra 4
5000Amostra 5
4000
3000
2000
1000
0
0 20 40 60 80 100 120
e(%)
Amostra 6
160
Anexo1
- GT2 –
GT2_Identificação_Direcção de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
e(%)
Forç
a(N
) Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5
GT2_Identificação_Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
161
Anexo1
GT2_Após DDI_Direcção de Fabrico
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 20 40 60 80 100 120
e(%)
Forç
a (N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
GT2_Após DDI_Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
162
Anexo1
GT2_Após Abrasão_Direcção de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 20 40 60 80 100 120 140 160
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
GT2_Após Abrasão_Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
e(%)
Forç
a(N
) Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5
163
Anexo1
GT2_Após DDI+Abrasão_Direcção de Fabrico
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 20 40 60 80 100 120
e(%)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
GT2_Após DDI+Abrasão_Direcção Perpendicular à de Fabrico
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
e( %)
Forç
a(N
)
Amostra 1Amostra 2Amostra 3Amostra 4Amostra 5Amostra 6
164
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