INVESTIGAÇÃO GEOAMBIENTAL UTILIZANDO A TECNOLOGIA DO PIEZOCONE: PRIMEIROS RESULTADOS DE SUA APLICAÇÃO NO BRASIL

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1 INVESTIGAÇÃO GEOAMBIENTAL UTILIZANDO A TECNOLOGIA DO PIEZOCONE: PRIMEIROS RESULTADOS DE SUA APLICAÇÃO NO BRASIL Heraldo Luiz Giacheti (*) Professor Adjunto da FEB-Unesp-Bauru. Engenheiro Civil pela Unesp/Ilha Solteira. Mestre e Doutor em Geotecnia pela USP-São Carlos. Pós-Doutorado em Geotecnia pela UBC/Canadá. Coordenador do Grupo de Pesquisa em Geotecnia de Solos Tropicais onde trabalha com investigação geotécnica e geoambiental. Anna Sílvia Palcheco Peixoto Faculdade de Engenharia de Bauru Unesp Giuliano de Mio Escola de Engenharia de São Carlos USP Jorge Hamada Faculdade de Engenharia de Bauru Unesp Vagner Roberto Elis Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas USP Endereço (1) : Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, S/N - Vargem Limpa - Bauru - SP - CEP: Brasil - Tel: +55 (14) Fax: +55 (14) RESUMO A investigação de áreas onde existe algum tipo de contaminante no subsolo tem levado a mudanças nas técnicas de investigação. O ensaio de penetração do piezocone (CPTU) pertence a uma família de ensaios de campo cuja utilização vem sendo cada vez mais difundida para esse fim. Isto se deve ao fato de que, a partir de uma sondagem CPTU, é possível uma descrição contínua do perfil estratigráfico, a definição da posição do nível d água e a estimativa de parâmetros mecânicos e hidráulicos dos solos. A incorporação de novas ferramentas ao piezocone possibilitou ainda identificar zonas onde existem contaminantes. O uso de amostradores especiais em conjunto com o piezocone fez com o emprego dessa tecnologia aumentasse. Neste artigo, faz-se uma breve apresentação da tecnologia do piezocone e são apresentados e discutidos os primeiros resultados da utilização dessa tecnologia para investigação geoambiental no Brasil. Conclui-se o trabalho fazendo-se algumas considerações sobre as necessidades de adequação dessa tecnologia para investigação geoambiental de solos tropicais. Palavras-Chave: Geotecnia ambiental; investigação do subsolo; piezocone; água salgada; aterro sanitário INTRODUÇÃO O número de projetos que envolvem a presença de algum tipo de contaminante no subsolo vem crescendo nos últimos anos. Desta maneira, a preocupação com a contaminação do subsolo torna-se um fator determinante, tanto para a escolha de áreas para a disposição de resíduos, bem como para a caracterização do passivo ambiental de órgãos públicos e empresas privadas, levando à necessidade de elaboração de critérios para prevenção e recuperação de áreas passíveis de degradação. Segundo a US EPA (1989), os principais fatores que devem ser considerados na investigação geoambiental são: perfil estratigráfico; posição do nível d água; condutividade hidráulica e composição química e fonte(s)/receptor(es) de contaminantes, potenciais ou já existentes. A presença de contaminantes no solo está conduzindo à mudanças nas técnicas de investigação do subsolo, procurando incluir a identificação do tipo, quantidade e possível caminhamento do mesmo, através da formação de uma pluma de contaminação. 1

2 Assim, a investigação geoambiental exige cuidados adicionais não contemplados pela investigação geotécnica tradicional. Esses cuidados são importantes, tanto na não realização de furos desnecessários que poderão induzir possíveis zonas de contaminação, como na coleta de amostras de maneira a evitar o manuseio das mesmas. Técnicas ainda não convencionais de investigação vêm sendo utilizadas para esse fim, dentre elas, a tecnologia do piezocone (CPTU); especialmente o piezocone de resistividade (RCPTU) incluindo a coleta de amostras de solo, água e/ ou gás pela técnica direct-push. OBJETIVOS A tecnologia do piezocone, especialmente aquele que possui o recurso de resistividade, pouco foi aplicada e necessita de pesquisas que propiciem ampliar valores de referência para a avaliação da existência de possíveis contaminantes em diferentes tipos de solo. Nesse artigo, são apresentados e discutidos os primeiros resultados da utilização dessa tecnologia para investigação geoambiental no Brasil. Três exemplos de aplicação são apresentados e discutidos. No primeiro caso, ensaios com o piezocone foram realizados para definir a região do maciço mais apropriada para coleta de água e avaliação da presença e quantidade de contaminantes no solo. O segundo exemplo descreve o emprego do piezocone de resistividade para definir a profundidade onde se tem água salgada adentrado o aqüífero no literal do Paraná, no Brasil. O último exemplo apresenta resultados de sondagens geofísicas de superfície para avaliar a possível existência de uma pluma de contaminação em região onde se tem um aterro sanitário. Ensaios de piezocone (CPTU), piezocone de resistividade (RCPTU) e coletas de amostras de água e solo foram realizadas para um melhor detalhamento dessa investigação e indicação do local mais apropriado para instalação de poços de monitoramento. Conclui-se o trabalho fazendo-se algumas considerações sobre as necessidades de adequação dessa tecnologia para investigação geoambiental de solos tropicais e as perspectivas de utilização dessa tecnologia no Brasil. FUNDAMENTOS BÁSICOS Investigação geoambiental A investigação geoambiental é um tema recente que vem sendo abordado no campo das Geociências e da Geotecnia. Existem diferentes interpretações para o significado da investigação geoambiental. Dessa maneira, pode ser entendida como "o campo de estudo que faz a ligação entre geologia, geotecnia, engenharia ambiental e ciências correlatas, para dar origem a uma área de interesse que incluem todas as preocupações ambientais dentro do meio geológico natural ou modificado" Campanella & Davies (1997). Para se obter todas as informações recomendadas pela U S EPA (1989) é necessária a utilização de ensaios de penetração associados a técnicas que permitam amostrar solo, água e/ou gás. Assim, técnicas ainda não convencionais vêm sendo utilizadas para a investigação geoambiental sendo que no Brasil já existem alguns exemplos de aplicação dessas técnicas. Destacam-se, entre os diversos ensaios disponíveis as seguintes técnicas abordadas a seguir: geofísica de superfície, piezocone (CPTU), piezocone de resistividade (RCPTU) e amostragem de água e solo. Geofísica de Superfície A principal aplicação da geofísica para a investigação geoambiental está na avaliação da contaminação do subsolo e das águas sub-superficiais. Técnicas geofísicas vêm sendo utilizadas em países desenvolvidos desde a década de 60 e sua aplicação no Brasil para essa finalidade teve início da década de 80. Através destas sondagens estudam-se as diversas características do meio físico, de grande importância nos processos de instalação de áreas de disposição de resíduos e caracterização de áreas contaminadas como, por exemplo: profundidade do substrato rochoso, presença de descontinuidades, variações texturais do solo (em alguns casos); profundidade do nível d água; fluxo das águas subsuperficiais; presença e distribuição espacial dos resíduos; contaminação de solos; contaminação de águas subsuperficiais e formato da pluma. 2

3 Dentre as diferentes técnicas geofísicas de superfície, o caminhamento elétrico permite a verificação da variação lateral de resistividade em profundidades aproximadamente constantes, sendo as medidas de resistividade aparente executadas ao longo dos perfis (Elis, 1998). O procedimento do ensaio consiste na fixação de um certo espaçamento entre os eletrodos e no caminhamento com os mesmos ao longo de todos os perfis, realizando-se as medidas da resistividade aparente ρa. O arranjo entre os eletrodos deve ser mentido constante e mede-se a diferença de potencial gerada pela passagem de uma corrente elétrica no terreno, obtendo-se a resistividade aparente. São empregados, nessa técnica, vários tipos de arranjos de eletrodos: os arranjos de Schlumberger e Wenner, polo-dipolo e dipolo-dipolo sendo o último interessante devido ao caráter de detalhe e precisão dos resultados a serem obtidos. Piezocone (CPTU) O piezocone é um ensaio de penetração quasi-estática de campo que permite identificar o perfil estratigráfico do terreno e avaliar preliminarmente os parâmetros geotécnicos do solo (Lunne et al., 1997). O procedimento está normalizado, tanto para o ensaio com medida de poro-pressões (CPTU), como para o ensaio sem essa medida (CPT). O procedimento de ensaio CPT e CPTU é o mesmo, com exceção da preparação do piezo-elemento. Essa preparação consiste na deaeração do elemento de filtro poroso e do próprio cone. Nesse ensaio, uma ponteira em forma cônica (Figura 1.a), que é conectada à extremidade de um conjunto de hastes, é introduzida no solo a uma velocidade constante igual a 20 mm/seg, que é aproximadamente igual a 1 m/min. O cone tem um vértice de 60 e um diâmetro típico de 35,68 mm (que corresponde a uma área de 10 cm 2 ). O diâmetro das hastes é igual ou menor do que o diâmetro do cone. O sistema de reação utilizado para penetração do cone consiste em um sistema hidráulico, normalmente com capacidade entre 100 a 200 kn, geralmente montado sobre carretas ou carroceria de caminhões. Para aplicação ambiental, sistemas de reação leves, autoancoráveis e autopropulcioados, são os mais apropriados pois necessitam de espaço reduzido para manobra e permitindo assim o acesso a locais difíceis. Piezocone de Resistividade (RCPTU) O piezocone de resistividade (RCPTU), Figura 1.b, possui um módulo de resistividade que é instalado atrás de um piezocone padrão. Esse recurso permite medir continuamente a resistência a um fluxo de corrente elétrica aplicada ao solo e assim detectar a presença e estimar se a concentração de certas substâncias presentes no lençol freático está acima de um determinado valor de referência (valor esse estabelecido através da experiência de campo ou de ambientes geologicamente similares). Cabo Cravação 2 cm/sec Hasteamento Isolante Acelerômetro Inclinômetro 350 mm 150mm 15mm Módulo de Resistividade 10.5 cm 2 Strain Gauges da Célula de Carga de Atrito Lateral Sensor de Temperatura Trandutor de Poro-Pressão Filtro de Material Plástico Luva de Atrito (Área de 150cm 2 ) Strain Gages da Célula de Carga de Resistência de Ponta Cone de 60 o diâmetro de 35.68mm 650 mm f s q c f s Eletrodos U3 U1 U2 Piezocone 10.0 cm 2 (a) (b) Figura 1: (a) Piezocone com alguns acessórios incorporados (b) Piezocone de resistividade RCPTU (Davies & Campanella, 1995) 3

4 Em áreas onde os valores são excedidos, pode-se então fazer uma avaliação complementar através da coleta de amostras de água subterrânea, em profundidades discretas, para uma posterior análise química. A combinação de ensaios RCPTU com uma amostragem discreta de águas subterrâneas proporciona um meio rápido e econômico de realizar caracterizações geoambientais de campo. Segundo Davies & Campanella (1995), os resultados de ensaios RCPTU mostram uma ampla variação para os valores da resistividade (ou condutividade), variando de 0,01 Ω-m (ou 10 6 µs/cm) a 100 Ω-m (ou 10 µs/cm). A resistividade é bastante sensível, tanto a sais dissolvidos como a contaminantes orgânicos de baixa solubilidade A condutividade (C) é o inverso da resistividade (R), sendo fácil a conversão de um valor para o outro segundo a equação (01): C [µs/cm] = /R [Ohm-m] equação (01) Amostragem de Água e Solo Para uma análise geoquímica, especialmente para avaliação do tipo e quantidade de contaminantes presentes, é necessária a amostragem do solo, água e/ou gás. A amostragem de solo tem sido executada através da técnica directpush. Um dos amostradores é composto pore um tudo de PVC rígido e transparente, com uma ponteira cônica maciça e outra de PVC flexível, ambas instalada na extremidade inferior. Primeiramente, o amostrador é cravado com o mesmo equipamento utilizado para o ensaio CPTU até a cota de amostragem, quando a ponteira cônica é destravada. Logo após, conjunto haste-amostrador é empurrado até a cota final de amostragem. Nessa operação a ponteira cônica é empurrada pelo solo dentro do amostrador e uma ponteira de PVC, que é oca e flexível permitindo a entrada do solo, permanece na extremidade. Terminada a manobra, o amostrador é puxado para a superfície sendo que nessa etapa a ponteira de PVC flexível é fechada pelo peso próprio do solo, impedindo que o mesmo caia dentro do furo. Quando possível, o recurso mais interessante é amostrar água pois é nela que se concentram a maioria dos contaminantes. Além disso, sua amostragem é mais fácil. Diversos são os dispositivos existentes no momento para amostragem e monitoramento de águas subterrâneas. Um dos amostradores de água subterrânea é o sistema BAT e existem ainda amostradores que podem ser incorporados ao próprio piezocone (Lunne et al., 1997). EXEMPLOS DE APLICAÇÃO NO BRASIL Seleção da região do maciço mais apropriada para amostragem de água Na figura 2 é apresentada a variação com a profundidade da resistência a penetração da ponta (q t ), da razão de atrito (Rf), da poro-pressão medida atrás da ponta (u 2 ) e da razão de poro-pressão (DPPR = u/q t ), sendo esse último índice interessante em sondagens realizadas em solos moles para avaliar comportamento drenado e auxiliar a identificar perfil estratigráfico. A definição do perfil estratigráfico, nesse caso, foi realizada utilizando-se os ábacos de classificação de Robertson et al (1986), sendo confirmada a partir de amostragem de solo também realizada no local. Nesse programa de investigação geoambiental, as sondagens CPTU permitiram identificar a zona mais permeável no interior do maciço; uma fina camada de silte arenoso próximo dos 7 m de profundidade. Definida a camada foi possível coletar água subterrânea para análise, em laboratório, da presença e da quantidade de contaminante existente no local. Contaminação do aqüífero com água salgada Uma das principais aplicações do piezocone de resistividade relatada na literatura é a identificação da intrusão de água salina em aqüíferos. Sondagens desse tipo e para essa finalidade foram realizadas na região litorânea do Paraná, Brasil. Na Figura 3 está representado o perfil de um solo que ocorre nesse local. Nele, além das informações obtidas de uma sondagem com o piezocone, está apresentada também a variação da resistividade e da condutividade elétrica com a profundidade. A partir desse registro foi possível identificar a estratigrafia e especialmente localizar a região do maciço onde se concentra a água salina, entre cerca de 10 e 14 m de profundidade. Esta informação orientou a amostragem de água e a instalação de poços de monitoramento. 4

5 0 R f = (f s / q t ) 100% q t (MPa) U (kpa) DPPR CPTU Perfil Estratigráfico ,2 0,0 0,2 0,4 0,6 Interpretado Argila Siltosa 2 Argila Mole Profunduidade (m) 4 6 Argila Siltosa 8 Silte Arenoso Argila Siltosa u 2 10 Figura 2: Resultado de uma sondagem CPTU utilizada para definir ponto de amostragem de água. Rf = (fs/qt) 100% q t (MPa) U (kpa) R (ohm-m) CPTU Perfil estratigráfico interpretado Areia fofa (Aterro) 4 6 U 2 Intrusão de água salgada 8 10 Poro-pressão hidrostática Areia compacta Profundidade (m) Argila muito mole Areia compacta C (µs/cm) Figura 3: Resultado de uma sondagem RCPTU em área de intrusão de água salina no aqüífero. 5

6 Nesse caso, a sondagem com o piezocone, além de fornecer um perfil estratigráfico detalhado, compatível com as informações de sondagens de simples reconhecimento também realizadas no local, possibilitaram identificar camadas delgadas de areia e argila. Essas informações foram úteis pois permitiram entender melhor como se da a migração de fluídos e assim foi possível identificar os alvos de coleta de maneira mais precisa, reduzindo assim, tanto a quantidade de ensaios em laboratório como o tempo total gasto no programa de investigação. Investigação geoambiental de área de um aterro sanitário O local estudado é um aterro sanitário urbano instalado sobre uma área onde ocorre Arenito. O solo superficial nas proximidades é constituído, ora por uma camada de aluvião de areia fina, silto-argilosa de cor acinzentada, seguida de solo coluvionar, ora, pelo próprio coluvião composto por areia argilosa, marrom-avermelhada. Uma investigação utilizando a geofísica de superfície pela técnica do caminhamento elétrico com arranjo dipolodipolo foi realizada em novembro de Na Figura 4 têm-se representado as quatro linhas de caminhamento assim como a cava preenchida com resíduos. Os eletrodos dispostos a cada 10 metros permitiram uma avaliação da resistividade aparente a profundidades teóricas de 10m (Figura 4), 15m, 20m, 25m e 30m. Na Figura 5 tem-se a pseudo-seção da última linha do caminhamento elétrico, localizada a jusante do aterro. Baseado na análise dos resultados dessa investigação foram locadas e realizadas as sondagens CPTU 03 e RCPTU 04, 05 e 06. Observa-se, na Figura 06, que os resultados dos 4 ensaios apresentam uma mesma tendência indicando, assim a repetibilidade dos valores de resistência de ponta, q c, razão de atrito, R f e, resistividade, R. Esse fato é muito positivo pois garante a qualidade dos mesmos. Cabe ressaltar que a ponteira utilizada para o CPTU foi diferente daquela usada no RCPTU e, além disso, os ensaios foram realizados em épocas diferentes do ano. A estratigrafia foi interpretada utilizando o ábaco de classificação proposto por Robertson et al (1986), confrontando-se aos resultados das sondagens de simples reconhecimento (SPT) realizadas na época da implantação do aterro sanitário. Constatou-se, em geral, que a caracterização foi coincidente nos dois ensaios (CPT e SPT), exceção a camada de argila entre 4,60m e 6,20m, que é uma areia argilosa. Ressalta-se aqui que o ábaco de Robertson et al (1986) foi desenvolvido para solos de clima temperado, sendo necessária ainda uma adapatação para identificação de perfis estratigráficos de solos tropicais. Comparando-se os resultados de resistividade apresentados na Figura 06 com aqueles de referência apresentados por Davies & Campanella (1995), observa-se, a partir de 5,50 metros de profundidade, onde se encontra o nível d água, que existe um decréscimo na resistividade para valores entre 20 e 100 ohm.m. Esses valores são típicos, tanto de solos contaminados por chorume de aterro sanitário, como de areia contaminada por produtos orgânicos de rejeito industrial. Essas informações estão sendo confrontadas com resultados de ensaios químicos realizados em amostras de solo e água coletadas utilizando amostradores especiais que foram penetrados utilizando o sistema de reação do piezocone. CONSIDERAÇÕES FINAIS Embora experiência adquirida com os métodos tradicionais de investigação do subsolo seja um fator importante a ser considerado, essas técnicas apresentam algumas desvantagens para aplicação na investigação geoambiental. Dentre elas, destacam-se a amostragem descontínua, muitas vezes fora da zona crítica; a possibilidade de comprometimento da qualidade das amostras e a geração de grande quantidade de material. Essas desvantagens tornam-se ainda mais críticas quando os ensaios estão sendo realizados em áreas contaminadas pois geram resíduos que devem ser adequadamente dispostos para não provocar mais contaminação e expor os operários ao contaminante. Por essa razão, novas técnicas de ensaios de campo, em especial aquelas que podem ser incluídas na tecnologia do piezocone, apresentam algumas vantagens especialmente para investigação geoambiental. Alguns exemplos do emprego da tecnologia do piezocone para as condições brasileiras estão apresentados nesse artigo e mostram o potencial de utilização dessa tecnologia. Discute-se a necessidade de sua adaptação para possibilitar uma melhor e mais eficiente investigação de solos tropicais, uma vez que ela foi desenvolvida para solos de clima temperado da América do Norte e Europa e sua aplicação na investigação geoambiental no Brasil é recente. 6

7 600 Rho Ap. (ohm.m) Escala Gráfica Figura 4: Mapa de resistividade aparente para o nível teórico de 10m. Prof. teórica (m) SE Distância (m) NW Valores de resistividade aparente (ohm.m) Figura 5: Pseudo-seção da última linha, localizada a jusante do aterro. 7

8 0 Rf = (fs/qt) 100% q t (MPa) U (kpa) R (ohm-m) CPTU Perfil estratigráfico interpretado Areia 2 Areia siltosa 4 Profundidade (m) 6 8 Argila Areia siltosa U 2 Figura 6: Resultados de sondagens CPTU e RCPTU realizadas em região de aterro Resultados iniciais mostram uma grande potencialidade de utilização em regiões litorâneas em que a caracterização do solo assemelha-se mais àqueles para os quais o ensaio foi desenvolvido. Porém, sua utilização em camadas de solos tropicais ainda requer mais estudos. Agradecimentos. À FAPESP, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, pelo fomento à esta pesquisa e ao CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, pela bolsa de recém-doutor da segunda autora. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Campanella R.G. and Davies M.P. (1997) In-situ testing for geo-environmental site characterization: A mine tailings example, International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Hamburgo/Alemanha. Davies M.P. and Campanella R.G. (1995) Piezocone technology: Downhole geophysics for the geoenvironmental characterization of soil, Proceedings of Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems 95, Florida. Elis V.R. (1998) Assessing the applicability of geo-electrical methods for geophysical investigation of waste disposal sites, Doctoral Thesis, (in Portuguese), Instituto de Geociências e Ciências Exatas - Unesp, Rio Claro/SP/Brazil. Lunne T. Robertson P.K and Powell J.J.M. (1997) Cone penetration testing in geotechnical practice. Blackie Academic & Profissional, An Imprint of Chapman & Hall., First Edition, London, England, 312p. Robertson, P. K.; Campanella, R. G.; Gillespie, D. & Grieg, J. (1986) Use of piezometer cone data, Proceedings of In- Situ 86, ASCE Specialty Conference, Blacksburg, Virginia. US EPA (1989) Seminar on site characterization for subsurface remediations, United States Environmental Protection Agency, Technology Transfer, Report CERI , 350 pp. 8

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