Reabilitação de subestruturas de vias férreas. Eduardo ...
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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.
Porto, Ordem dos Engenheiros, FEUP, 26 de fevereiro de 2014 Eduardo Fortunato
Modernização de Linhas Férreas
Reabilitação da substrutura ?
Análises técnicas e socioeconómicas
Estudos (integrando várias especialidades)
Reabilitação da via férrea ?
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BalastroTravessas e carris Apoios e fixações
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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)
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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
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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
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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
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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 )
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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
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AVALIAÇÃO DO DESEMPENHOE
CARACTERIZAÇÃO DA VIA
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Análise da geometria da via férrea
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Inspeção visualDrenagem
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Inspeção visualInstabilidade de taludes de escavação e de aterro
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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
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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
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Prospeção e identificação
• Características intrínsecas (granulometria, plasticidade)• Características de estado (w; CR)
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Comparação de resultados obtidos com diversos métodos
Ensaios de carga com placa
Penetrómetro dinâmico ligeiro
Deflectómetro de impacto ligeiro
Caracterização
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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
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Integração da informaçãoZonamento
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ESTUDOSE
PROJETOS
SITUAÇÃO INICIAL SITUAÇÃO FINAL
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Estudo do balastro contaminado com solos
Est
ud
os
de
ca
mp
o
Est
ud
os
lab
ora
tori
ais
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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ASPETOS
DA
REABILITAÇÃO
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Aspetos da drenagem longitudinal
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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
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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
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Primavera
Verão
0.35 m calcário(ABGE)
A-1-b (AASHTO)
Falling Weight Deflectometer (FWD)
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Acabamentos das terraplenagens e da plataforma
Instalação da nova superstrutura
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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