Reabilitação de subestruturas de vias férreas. Eduardo

Porto, Ordem dos Engenheiros, FEUP, 26 de fevereiro de 2014 Eduardo Fortunato

Eduardo FortunatoLaboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC)

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP)

Reabilitação de subestruturas de vias férreas.


Modernização de Linhas Férreas

Reabilitação da substrutura ?

Análises técnicas e socioeconómicas

Estudos (integrando várias especialidades)

Reabilitação da via férrea ?


BalastroTravessas e carris Apoios e fixações


Solicitações:

• Verticais

• Horizontais

Transversais

Longitudinais

Desempenho:

� estabilidade� resiliência� reduzidas deformações permanentes� pouco desgaste dos elementos

(Selig e Waters, 1994, adaptado)

( ) ton10commm2 =≅+ rodamáxv Qδ

( ) ( ) )"("101 onda

máxvmáxv +− ≅ δδ

Transferência de carga numa via férrea

(Esveld, 2001, adaptado)

Deformação numa via férrea

(50 kPa)


Linhas dedicadas à alta

velocidade(v≥250km/h)

Linhas renovadas para alta

velocidade (>200km/h)

Linhas convencionais reabilitadas

Linhas convencionais

Linhas antigas (más condições)

Substrutura 30% 30% 36% 31% 32%

Drenagem 10% 18% 22% 23% 23%

Balastro 15% 25% 26% 23% 27%

Componentes da via 16% 11% 9% 12% 14%

Superfície do carril 29% 16% 7% 9% 4%

Influência dos diversos componentes sobre a durabilidade da via

Strange, 2008


Processos de degradação da camada de balastro

• rotura e esmagamento das partículas causados por ações mecânicas(obras e operação)

• desgaste provocado por acções físicas e químicas associadas ao meio ambiente

• contaminação por migração de partículas finas que ascendemda plataforma

• contaminação por materiais vertidos (carvão, areia) e por desgaste das travessas

Índice de contaminação (fouling index)

FI = P4 + P200

FI < 1 limpo1 < FI < 10 moderadamente limpo

10 < FI < 20 moderadamente contaminado20 < FI < 40 contaminado

FI ≥ 40 muito contaminado

- alteração da granulometria do balastro


As principais causas podem estar relacionadas com:

• Solicitações excessivas• Deficientes características dos solos• Fatores climatéricos adversos (teor em água e temperatura dos solos)

Processos de degradação da substrutura

Rotura progressiva por corte

perfil transversal perfil longitudinal

(Li e Selig, 1995, adaptado)

Deformação plástica excessiva

Rotura global por corte


METODOLOGIA

1. Especificação das novas exigências de projeto

2. Estabelecimento de valores mínimos de parâmetros físico-mecânicos de controlo

3. Avaliação do desempenho da via existente e recolha de informação histórica

4. Zonamento preliminar

5. Caracterização geológica-geotécnica

6. Interpretação dos resultados da caracterização e zonamento definitivo

7. Levantamento e ponderação dos condicionantes

8. Consideração e fundamentação das soluções possíveis

9. Elaboração do Projeto de Execução e enquadramento da garantia da qualidade

10. Estudos de materiais e de processos (sub-balastro, leito, materiais de substituição)

11. Execução das obras e controlo da qualidade

MODERNIZAÇÃO DE VIAS FÉRREAS(REABILITAÇÃO DA PLATAFORMA, DRENAGEM E TERRAPLENA GEM )


MODERNIZAÇÃO DE VIAS FÉRREAS(REABILITAÇÃO DA PLATAFORMA, DRENAGEM E TERRAPLENA GEM )

PROJECTO� Trabalhos de plataforma

�Colocação de novas camadas� Reconstrução

� Trabalhos de drenagem� Reabilitação do existente� Novos dispositivos

� Trabalhos de terraplenagem� Outros

PRINCIPAIS PREOCUPAÇÕES� Aproveitar o mais possível o existente

� Reduzir perturbações da circulação

� Garantir qualidade das obras

� Reduzir custos ao longo do ciclo de vida (LCC)

DADOS PARA O PROJECTO� Conhecimento das necessidades futuras (programa)

� Velocidades de circulação (diagrama de velocidades)� Cargas por eixo� Tráfego; período de projeto� Tipo de superstrutura� Perfil transversal tipo� Reformulação A.M.V.� Alterações de traçado (variantes)� Comunicações� Outros

� Caracterização detalhada do existente� Plataforma� Drenagem� Taludes de escavação� Obras de arte� Aterros� Outros

� Conhecimento dos condicionantes� Topografia� Geometria da rasante� Condições geotécnicas� Condições climatéricas� Condicionantes físicas (estações, obras de arte, etc.)� Perturbação na circulação � Número de vias e modo de realização das obras (VUP, …)� Materiais e equipamentos de construção a serem utilizados� Orçamento e prazos de execução


AVALIAÇÃO DO DESEMPENHOE

CARACTERIZAÇÃO DA VIA


Análise da geometria da via férrea


Inspeção visualDrenagem


Inspeção visualInstabilidade de taludes de escavação e de aterro


Consequências:• assentamentos• desgaste dos materiais• redução do atrito travessa-balastro• redução da estabilidade da via por falta de material

“PUMPING” - bombagem de finos com origem diversa(balastro, substrutura, travessas)

?

Inspeção visual da via férrea


Prospeção e identificação

18

38

0

20

40

60

80

100

107 112 117 122 127 132 137 142 147

Localização (km da VD)

Pro

fun

did

ade

sob

a t

rave

ssa

(cm

)

limite inferior da camada de balastro limite inferior da camada de balastro contaminado


Prospeção e identificação

• Características intrínsecas (granulometria, plasticidade)• Características de estado (w; CR)


Caracterização


Comparação de resultados obtidos com diversos métodos

Ensaios de carga com placa

Penetrómetro dinâmico ligeiro

Deflectómetro de impacto ligeiro

Caracterização


Tem

po (

ns)

Esp

essu

ra (

m)

(k=

5.9

)

Georadar

Antenas de 500 e 900 MHz

Trecho experimental t = 4

.14

ns

Reflexão múltipla da interface balastro

contaminado - solo

Antena: 900 MHz

Te

mp

o (

ns)

Esp

ess

ura

(m

) (k

=9

.6)

2

V.ts =

k

cV =

%81 =

−∑

N

e

eeN

obs

obsradar

Plena Via

Ensaios de laboratório

Caracterização


Integração da informaçãoZonamento


ESTUDOSE

PROJETOS

SITUAÇÃO INICIAL SITUAÇÃO FINAL


Estudo do balastro contaminado com solos

Est

ud

os

de

ca

mp

o

Est

ud

os

lab

ora

tori

ais


Função

Exigências

Em operação

Fase de construção

Traficabilidade

Capacidade de suporte

Protecção das terraplenagens

Fase de exploração

Capacidade de carga da via

- valor absoluto e relativo

Redução de tensões para a plataforma

Impermeabilização da plataforma

Drenagem das águas zenitais

Drenagem das águas subsuperficiais

Filtro e separação balastro/plataforma

Protecção contra o gelo e erosão

Durante a execução

Mat

eria

is; e

spes

sura

de

cam

adas

; té

cnic

as c

on

stru

tiva

s

Materiais

Camadas

Geometria

granulometriaplasticidadecaracterísticas das partículas

inclinaçõescotasregularidade

homogeneidadeespessura% compactaçãomódulo Ev2

� Balastro� Drenagem� Plataforma� Terraplenagens

Conservação / Reabilitação

� Homogeneidade (longo trecho)

� Variabilidade reduzida

(condições climáticas)

SUB-BALASTRO


Qualidade do solo

Identificação CBR (%)

Ev2

(MPa)

QS1Solos com mais de 40% de partículas finas, estado hídrico

“médio” ou “seco”3 a 6 15 a 25

QS2

Solos com 15% a 40% de partículas finas, estado hídrico “seco” e boas condições hidrológicas e hidrogeológicas

6 a 20 25 a 80

Solos com 5 a 15% de partículas finas, estado hídrico “seco”

QS3

Solos com menos de 5% de partículas finas, bem graduados e com partículas de dureza elevada

>20 >80


Método proposto na UIC CODE 719R (resultante da modelação numérica)

Valores mínimos,válidos para bitolas

entre 1435 e 1668mm, com

espaçamento de travessas de 0,6m

Dimensionamento das camadas de balastro e sub-balastro


εp

σd

εrε

σ

Módulo reversível (em diversas condições de estado)

Er= σd/εr

σd-tensão distorcional cíclica (σ1-σ3)εr-extensão axial reversível na direção da tensão principal máxima (σ1)

∆q/∆p = 0,0

∆q/∆p = 1,0

∆q/∆p = 1,5

∆q/∆p = 2,0

∆q/∆p = 2,5

trajectória Er,c → ●

trajectória condicionamento →

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

q m

ax (

kPa)

p max (kPa)

1 - 4

5 - 8

9 - 12

13 - 16

17 - 19

HSL - HIGH STRESS LEVEL(EN 13286-7:2004)

TrajectóriasMetodo A

Caracterização mecânica dos materiais

Material da camada de sub-balastro aplicado em Portugal


0

200

400

600

800

1000

0 100 200 300 400 500p (kPa)

E (

MP

a)

C38-5.2

G38-4.3

ABGE (granito e calcário)

21

k

.kE θ=Comportamento resiliente

Comportamento a longo prazo

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000

Def

orm

ação

axi

al p

erm

anen

te (

x10-3

)

Número de ciclos

C97.0;-0.8

G95.8;-1.6

Material GC (%) w-wopt

Calcário 97,0 -0,8

Granito 95,8 -1,6

Classificação dos materiais

( )

++

⋅−−+−= ∗

∗

∗

∗∗−

p

q

.G

γ

p

qγ

.G

n

.K

γ.ppε

aaa

nnaq 6

121

18

1

3

1

3

22

1

( )

−+

⋅+−++= ∗

∗

∗

∗∗−

p

q

.G

γ

p

qγ

.G

n

.K

γ.ppε

aaa

nnav 3

12

18

1

3

22

1

( )

−+

⋅

⋅

−=

−

max

max

max

max

0

0113

11:

p

q

p

sm

p

l

N

N.εεg

n

a

B

pp


Material da camada de sub-balastro aplicado em Portugal

• granulometria extensa• bem graduado• resistente à fragmentação• permeabilidade adequada• drenante e anti-contaminante

EV2 ≥ 120 MPa

EV2 / EV1 ≤ 2,2)3% ≤ icamada ≤ 5%

Coeficiente de uniformidade Cu ≥ 6Coeficiente de curvatura 1 ≤ Cc ≤ 3Los Angeles LA ≤ 25Micro-Deval MDE ≤ 18Los Angeles+Micro-Deval LA+MDE < 40Coef. de permeabilidade k ≤ 10-6 m/sAzul de metileno MB<1 g/kg

Características do material - IT.GEO.006 (REFER)

Características da camada - IT.GEO.006 (REFER)


Dados

e sub-balastro

Ev2 topo terraplenagem

Ev2 material sub-balastro

Ev2 material de reforço

Admite-se

E topo do sub-balastro

Modelo de comportamento

Condições de fronteira

Determina-see camada de reforço

Dimensionamento das camadas de reforço


Modelação da via

Alinhamento do carril

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Distância ao eixo de simetria longitudinal (m)

Ten

são

ver

tica

l (kP

a)

Sz P-G1SSz P-G2SSz P-G3SSz P-G4Sz P-G5S

Topo da fundação

-80

-60

-40

-20

0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5Distância ao eixo de simetria transversal (m)

Ten

são

ver

tical

(kP

a)

Sz P-G1SSz P-G2SSz P-G3SSz P-G4Sz P-G5SSz P-G4 = 2,3 Sz P-G2S

Alinhamento da travessa


ASPETOS

DA

REABILITAÇÃO








Aspetos da drenagem longitudinal


LeitoE DIP = 1.2 E ECP

R2 = 0.9

Sub-balastroE DIP = 1.1 EECP

R2 = 0.8

40

60

80

100

120

140

160

180

40 60 80 100 120 140 160 180EECP (MPa)

ED

IP (

MP

a)

Medidos no topo do leito

MEF no topo do leito (E leito=300MPa)

Medidos no topo do sub-balastro

MEF no topo do sub-balastro (E sub=250; E leito=300MPa)0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

265+

475

VD26

5+47

0 VD

265+

460

VA

265+

460

VD26

5+45

0 VD

265+

445

VD26

5+38

5 VA

265+

280

VA

264+

830

VA26

4+50

0 VA

264+

275

VA

264+

255

VD26

4+24

5 VD

264+

235

VD26

3+97

5 VA

263+

780

VD26

3+69

0 VD

263+

585

VD26

3+48

0 VA

263+

405

VA26

3+17

0 VA

263+

165

VD26

3+07

5 VD

261+

938

VA

261+

720

VD26

1+58

5 VD

261+

555

VA26

1+48

0 VA

261+

315

VA

261+

105

VD26

1+04

5 VD

km Via

Ev2

(M

Pa)

Sub-balastro

Leito

Fundação

• Plataforma de terraplenagem (P3) Ev2 ≥≥≥≥ 80 MPa

• Plataforma ferroviária Ev2 ≥≥≥≥ 120 MPa

CONTROLO DA QUALIDADE DURANTE A CONSTRUÇÃO

Caracterização mecânica


100

150

200

250

300

350

140 850 140 950 141 050 141 150 141 250 141 350 141 450 141 550 141 650 141 750 141 850 141 950

Local (km)

E (

MP

a)

MCSC ECP

Passagem inferior

PI

%9N

E

EEN

1 ECP

MCSCECP

=

−∑

125 < EV2 (MPa)< 260

Análise da variação da rigidez vertical da plataforma da via

Portancemètre

Portancemètre

plataforma renovada

plataforma nova


Primavera

Verão

0.35 m calcário(ABGE)

A-1-b (AASHTO)

Falling Weight Deflectometer (FWD)


Acabamentos das terraplenagens e da plataforma

Instalação da nova superstrutura


TAMP – Índice de Qualidade do Nivelamento

Avaliação da geometria da via renovada em operação

Antes de renovar a plataforma

Au

me

nto

da

qu

ali

da

de

Depois de renovar a plataforma


Obrigado pela Vossa atenção !

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Reabilitação de subestruturas de vias férreas. Eduardo