Utilização de Ensaios de Piezocone em Investigações Geotécnicas e Geoambientais

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1 Utilização de Ensaios de Piezocone em Investigações Geotécnicas e Geoambientais Anderson Fonini, José Waldomiro Jiménez Rojas Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul RESUMO: Os solos, juntamente com a água, compreendem o conjunto básico necessário a nossa sobrevivência. Contudo, por diversas vezes, a sua importância é diminuída de tal forma que verdadeiras barbáries são cometidas contra ele. A crescente ocorrência de contaminações dos solos pelos diversos agentes contaminantes, mais especialmente pelos derivados do petróleo, inutilizam-no para a produção de alimentos e ainda geram uma fonte potencial de graves enfermidades aos seres humanos. A identificação de locais contaminados não é uma tarefa simples, ela exige vasto conhecimento dos profissionais para que seja feita uma investigação geotécnica e geoambiental coerente com o acontecimento. Um ensaio que consegue ser bastante eficiente nessas investigações é o ensaio de piezocone juntamente com a adição de alguns sensores complementares. Esse ensaio permite, basicamente, o conhecimento do perfil do terreno, identificando camadas de diferentes materiais, por mais delgadas que sejam, facilitando assim o conhecimento do comportamento da pluma de contaminação. PALAVRAS-CHAVE: Investigações Geoambientais; Piezocone; SCPTU; RCPTU; Geo Vis. 1 INTRODUÇÃO Uma área contaminada é definida como um local ou terreno onde há comprovadamente poluição ou contaminação causada pela introdução de quaisquer substâncias ou resíduos que nela tenham sido depositados, acumulados, armazenados, enterrados ou infiltrados de forma planejada, acidental ou até mesmo natural. Nessa área, os poluentes ou contaminantes podem concentrar-se em subsuperfície nos diferentes compartimentos do ambiente, como por exemplo, no solo, nos sedimentos, nas rochas, nos materiais utilizados para aterrar os terrenos, nas águas subterrâneas ou, de uma forma geral, nas zonas não saturadas e saturadas. (CETESB 2006). Quando se identifica uma área contaminada, algumas medidas devem ser tomadas a fim de garantir integridade aos seres que nela habitam. São elas: retirada de seres humanos e animais ameaçados, isolamento da área, identificação e posteriormente remoção da fonte contaminadora descartando-a de forma segura, avaliação do nível de contaminação, decisão da técnica a ser empregada, aplicação da técnica e por fim tentar recompor o habitat natural. É imprescindível tomar conhecimento do tipo ou dos tipos de contaminantes que estão presentes no site. O conhecimento aprofundado de suas características químicas e físicas revelará o grau de periculosidade a qual a área está submetida. Em especial, pode-se falar da contaminação por derivados de petróleo, que em sua grande maioria possuem metais pesados e/ou hidrocarbonetos. Estes, quando em contato prolongado com seres humanos, podem ser muito prejudiciais devido aos seus efeitos carcinogênicos e mutagenicos. Conseguir a eliminação total de contaminantes de um solo, principalmente a curto prazo, é uma tarefa um tanto pretensiosa. Quando se aplica técnicas de remediação em um solo, o principal objetivo é conduzir este solo a níveis aceitáveis de substâncias contaminantes e não comprometedores ao ecossistema e aos seus ocupantes. A total eliminação se dará com o passar do tempo, através de processos físicos, químicos e biológicos próprios dos microorganismos contidos no solo. Uma investigação geoambiental deve ser planejada com base em um conjunto de objetivos claros. O ponto crítico da investigação é estabelecer se a cadeia fonte-caminho-alvo está completa. Até que isso seja demonstrado não é justificável assumir que a presença de uma contaminação possa representar um risco

2 para o uso corrente ou futuro da área. O investigador deve atentar não apenas para a localização e características do contaminante, mas também para os caminhos principais de migração. O contaminante por si só não é o único interesse da investigação de áreas contaminadas. O que é igualmente importante é se essa substância é móvel ou mobilizável, em sendo, se há caminhos pelos quais o alvo possa estar em contato com o contaminante e se desse contato resultará um mal inaceitável. (Almeida e Miranda Neto 2003). Vários são os ensaios que podem ser empregados em programas de investigações geoambientais, e geralmente não se utiliza nenhum isoladamente. A preferência é pela utilização de ensaios in situ, pois dessa forma não será necessário reproduzir as características do campo em laboratório, o que geralmente ocasionava uma demanda muito grande de tempo e dificilmente se conseguia uma total compatibilidade das características físicas, químicas e biológicas do meio, ocasionando disparidades nos resultados. Ensaios laboratoriais podem ter grande importância, mas como ensaios complementares. O sucesso do método de investigação adotado irá depender da existência de um contraste suficiente entre as propriedades medidas em uma zona contaminada e em local de background. Se o contraste não pode ser medido, o alvo (zona contaminada) não será detectado. (Benson 1991 apud Silva 2005). Um ensaio em destaque na área ambiental é o ensaio de piezocone, que através de algumas adaptações consegue fornecer características fundamentais da massa contaminada e do contaminante auxiliando desta forma na tomada de decisões por parte dos profissionais envolvidos no estudo. 2 PIEZOCONE No decorrer do artigo serão apresentados os principais aspectos e características do ensaio de piezocone, assim como algumas de suas modificações, dando ênfase a sua utilização em caráter ambiental. 2.1 Generalidades O piezocone ou CPTU (Piezocone Penetration Test) é um ensaio que mede a resistência ao atrito lateral e a resistência de ponta na cravação da ponteira e através de uma pedra porosa ligada a um transdutor de pressão, mede a variação da poro pressão durante a realização do ensaio. A pedra porosa pode estar localizada em três pontos da ponteira, porém a posição mais utilizada é logo acima do vértice, pois este local não é tão suscetível a impactos e conseqüentemente a danos. O equipamento utilizado no teste de piezocone e na medição da dissipação do excesso de poro pressão causado durante a cravação do cone, é composto basicamente pelos seguintes dispositivos: (i) sistema hidráulico-elétrico de cravação; (ii) estrutura de cravação incluindo o jogo de escoras e de placas de fixação; (iii) sistema digital de aquisição e transmissão de dados para a superfície; (iv) piezocone propriamente dito. (Gomes, Albuquerque Filho & Silva 2002). 2.2 Aplicações do ensaio As aplicações de engenharia dos ensaios de cone e piezocone podem ser divididas em três grupos: (i) classificação e estratigrafia dos solos, (ii) obtenção de parâmetros geotécnicos, (iii) aplicação direta ao projeto de fundações. Em tais aplicações, são muitas vezes empregados parâmetros derivados das grandezas medidas diretamente nos ensaios. (Danziger e Lunne 1994 apud Hachich et. al.1998). Os ensaios de piezocone propiciam uma determinação precisa da estratigrafia, permitindo definir a espessura de camadas e identificar a presença de camadas finas de material drenante (areia), que reduzem o caminho da percolação vertical da água durante o processo de adensamento. Estas finas camadas geralmente não são percebidas em sondagens de simples reconhecimento (SPT) e sua identificação torna-se essencial para uma modelagem realista do perfil estratigráfico, resultando em previsões satisfatórias do tempo de adensamento. Os valores de resistência de ponta (q c ), resistência lateral (f s ) e excesso de poro pressão (u 2 ) combinados, permitem a

3 identificação de materiais prospectados. Além da estratigrafia, os parâmetros resistentes possibilitam a estimativa da resistência não drenada da argila (S u ). (Nacci 2000). Esse ensaio também tem grande valia na detecção e na avaliação do comportamento de áreas contaminadas, principalmente através de micro-câmeras, eletrodos e ainda medidor de ph instalados na ponteira, porque permitem a obtenção de características visuais e ainda parâmetros físicos e químicos do solo e do contaminante. A habilidade do cone de coletar dados estratigráficos contínuos fez o equipamento uma ferramenta inestimável para estudos ambientais. As aplicações ambientais incluíram a caracterização hidrogeológica do solo usando um cone padrão (medidas da ponta e de atrito), a avaliação de permeabilidade in situ usando um piezocone (ponta, atrito e poro pressão da água) e traçando plumas do contaminante com um cone de condutividade (ponta, atrito, poro pressão e medidas do condutibilidade elétrica). (Yilmaz 2006). Inúmeros são os sensores que podem ser acoplados a uma ponteira cônica utilizada para realizar um ensaio de piezocone. Estes são acoplados de acordo com os parâmetros que se queira evidenciar e de acordo com o tipo de contaminação que se suspeita. Dentre alguns destes podemos citar os seguintes sensores geoambientais: resistividade, temperatura, SCAPS, potencial redox, constante dielétrica, espectroscopia raman, ROST, radiação gamma, integrado optoeletrônico, ph, vídeo, inclinômetro, módulo vibratório, acelerômetro geofone, radiação nêutron gamma, tensão lateral, acústico, módulo pressiométrico e refletometria no domínio tempo. (Bruns & Mayne 1998 apud Mio 2005). Essas associações desses sensores a ponteira é que tornam o ensaio de piezocone diferenciado entre todos os ensaios. 2.3 Realização do ensaio O ensaio consiste na cravação de uma ponteira cônica (Fig. 1), que é conectada a extremidade de um conjunto de hastes, e é introduzida no solo a uma velocidade constante igual a 2cm/s. O cone tem vértice de 60 o e um diâmetro típico de 35,68 mm (que corresponde a uma área de 10cm 2 ). O diâmetro das hastes é igual ou menor do que o diâmetro do cone. Durante o ensaio, a resistência à penetração da ponta do cone é medida constantemente. Também é medida a resistência de penetração de uma luva de atrito que é alojada logo atrás do cone. (Mondelli 2004). A execução do ensaio pode ser considerada rápida e ainda classificada como geradora de resultados bastante seguros visto que o processo é todo computadorizado, eliminando o fator erro humano. Figura 1. Ponteira Cônica (modificado de THE IN SITU GROUP). O equipamento de cravação consiste de uma estrutura de reação sobre a qual é montado um sistema de aplicação de cargas. Sistemas hidráulicos são normalmente utilizados para essa finalidade, sendo o pistão acionado por uma bomba hidráulica acoplada a um motor à combustão ou elétrico. Uma válvula reguladora de vazão possibilita o controle preciso da velocidade de cravação durante o ensaio. A penetração é obtida através da cravação contínua de hastes de comprimento de 1 m, seguida da retração do pistão hidráulico para o posicionamento de uma nova haste. (Schnaid 2000). Existem algumas dificuladades que podem surgir antes e durante da realização do ensaio, mas em geral, a que proporciona maiores problemas é a dificuldade de deslocar o equipamento até o local de realização do ensaio, principalmente devido ao sistema de reação. 2.4 Ensaio de dissipação

4 Utiliza-se o ensaio de dissipação para obtenção de estimativas do coeficiente de adensamento horizontal. Ele consiste no registro das poro pressões, ao longo do tempo, uma vez interrompida a cravação do piezocone, numa profundidade previamente selecionada. A interpretação do ensaio simplifica-se com a determinação do tempo correspondente a 50% da dissipação (embora dependendo do campo de tensões que se pretenda investigar e da sua relação com as tensões de pré-consolidação do solo). De fato a curva tem um interesse essencialmente qualitativo. (Hachich 1998). O ensaio de dissipação varia de acordo com o material existente no local. Se este material for granular a dissipação da poro pressão será bastante rápida, diferentemente se nos arreadores conter um material mais fino e conseqüentemente com permeabilidade menor, como é caso das argila e siltes. Dentro de sua importância para a engenharia ambiental, destaca-se por ser um parâmetro indispensável ao estudo de derramamentos de poluentes na fase saturada de um solo, determinando o tempo que o poluente demoraria a dissipar-se e comprometer o local. 2.5 Resultados do ensaio O grande diferencial do ensaio de piezocone é a possibilidade de obtenção da resistência não drenada do solo (Su) e ainda o registro ao longo da profundidade do perfil da poro pressão e do lençol freático, possibilitando a indicação de camadas drenantes no perfil. Porém dependendo do modelo de ponteira que está se utilizando, não é possível fazer coletas de amostras, assim como no ensaio de SPT. A medida da resistência de ponta, assim como a resistência do atrito lateral, ocorre de forma direta e simultânea. Os resultados são apresentados em gráficos em mesma escala de profundidade e com os parâmetros obtidos expostos lado a lado, conforme a Figura 2. No gráfico também aparecem outros resultados que provem de relações entre os parâmetros obtidos que também possuem importância na interpretação do ensaio. 2.6 Importância do ensaio para caráter ambiental Os ensaios possibilitam a obtenção de medidas de resistência ao longo da profundidade, associada à extrema sensibilidade observada na monitoração das poro pressões, identificando precisamente camadas de solos, podendo-se por exemplo, detectar camadas drenantes delgadas de poucos centímetros de espessuras. (Schnaid 2000). A identificação de uma camada de um solo com uma maior permeabilidade, esta sendo muito pequena, não é possível com qualquer ensaio. Isso demonstra a grande importância do ensaio para o caráter ambiental. Por exemplo, ao ocorrer um derramamento de contaminante no solo, se esta camada drenante não for detectada e for atingida por ele, a velocidade de deslocamento e a direção da pluma de contaminação poderão sofrer grandes mudanças, dando novas características à contaminação. Se estas mudanças não forem detectadas, o método aplicado para a recuperação da área poderá não abranger todo o site contaminado. 3 ALGUNS MODELOS DE PIEZOCONE MODIFICADOS Como já citado anteriormente, o acréscimo de sensores a ponteira pode ter grande valia em caráter ambiental para obtenção de parâmetros do solo e do contaminante. A seguir serão citadas três modificações que podem ser aplicadas em investigações geoambientais. 3.1 Piezocone de resistividade elétrica (RCPTU) O ensaio de piezocone de resistividade contém em sua ponteira cônica eletrodos que alimentam e captam a voltagem durante o ensaio. A medida da resistividade elétrica do solo deve considerar as diversas variáveis que interferem na medição do parâmetro. No caso dos piezocones de resistividade, a geometria dos eletrodos é de fundamental importância na avaliação e entendimento dos resultados. Sistemas com dois eletrodos (corrente contínua) resultam em problemas com a polarização do sistema que pode interferir nos resultados. Os sistemas com quatro eletrodos podem operar a

5 baixas freqüências sem o efeito da polarização. A ASTM apud Mio (1982) sugere que a freqüência de medição de resistividade situe-se na faixa de 25 a 3000 Hz. Pequenas distâncias entre os eletrodos permitem a detecção de camadas mais finas, porém a corrente elétrica circula na área que sofreu maior perturbação, mostrando que o adensamento do solo produzido pela penetração do cone afeta as medidas de resistividade. (Campanela & Weemes 1990 apud Mio 2005). Para maiores espaçamentos dos eletrodos a resolução vertical diminui, porém os resultados da resistividade são mais precisos porque a corrente elétrica circula na região menos perturbada do solo. (Mio 2005). Existem alguns autores que condenam a utilização de somente ensaios de piezocone de resistividade para identificação de solos contaminados. Isso se deve ao ensaio não propiciar a amostragem nem da água e muito menos do solo. Porém, este, em conjunto com outros ensaios ou mesmo com modificações em sua ponteira que possam suprir essas deficiências, associa-se de forma estratégica e competente nesse objetivo. 3.2 Piezocone sísmico (SCPTU) O ensaio de piezocone sísmico, também conhecido pela sigla SCPTU, é um adaptação ao ensaio de piezocone standard. A diferença é que na ponteira cônica são instalados geofones que captam as ondas produzidas por algum instrumento na superfície. De acordo com a velocidade de propagação da onda, pode-se correlacionar esta com as camadas de substratos existentes no perfil de interesse. Além da questão econômica, a grande virtude do ensaio SCPTU está no fato de, ele próprio, resultar da combinação de duas técnicas até então executadas independentemente aumentando, assim, o volume de informação disponibilizada. Além desse fator pode-se dizer que é uma técnica mais completa comparativamente com outras de prospecção geofísica. (Almeida et al. 2002). 3.3 Sistema de imagens de vídeo do solo (Geo Vis) O sistema GeoVIS fornece imagens de vídeo coletadas no ambiente subsuperficial do solo. O sistema usa uma micro câmera video acoplada à ponteira, de onde o perfil do solo é filmado através de uma pequena janela. A imagem da câmera é enviada à superfície onde pode ser vista em tempo real em um monitor, ser gravada e/ou ser digitalizada. (Yilmaz 2006). GeoVIS é um método novo e poderoso de caracterizar as propriedades do solo que são importantes para estimar o transporte subsuperficial do contaminante e do fluxo d água podendo também ser utilizado em contaminação de líquidos em fase não aquosa. (Yilmaz 2006). Talvez o mais interessante desta técnica seja o contato visual com o solo contaminado, podendo assim entender alguns processos físicos que ocorrem no substrato. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS As campanhas de investigações geoambientais estão gradativamente mais modernas. A grande tecnologia aplicada a ensaios in situ para obter parâmetros diretos ou indiretos, tornou os dados muito confiáveis e passíveis de aplicações com pequenas correções. Alguns ensaios se destacam quando se refere às investigações geoambientais, como é o caso do piezocone e todas as melhorias que podem ser atreladas a ele. Com a inclusão de vários tipos de sensores, é possível verificar visualmente e através de resultados a situação em que se encontra o site em estudo. Além disso, este pode ser empregado associado a outros ensaios de campo, como é o caso do SPT ou ainda a ensaios de laboratório, garantindo desta forma uma grande confiabilidade nos parâmetros. O piezocone pode ser considerado com uma ferramenta indispensável em investigações geoambientais. As possibilidades de adições de sensores a ele, tornam-o uma ferramenta capaz de gerar vários dados de forma segura, rápida, e econômica. Contudo, sempre que possível deve-se associar este ensaio com ensaios extras para um melhor e amplo conhecimento das características envolvidas na investigação.

6 Figura 3. Resultado característico do ensaio de piezocone REFERÊNCIAS Almeida, M. S. S., Miranda Neto, M. I. de., (2003). Investigação e monitoramento de áreas contaminadas. V Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental, REGEO 2003, Porto Alegre, RS. CETESB, O que são áreas contaminadas. Disponível em: /areas.asp. Acesso em 20 abr Gomes, R. C. & Albuquerque Filho, L. H e Silva, J. T. G. da. (2002). Geotechnical analysis of eroded sediments in a exhausted pit mine using CPTU tests. Anais do IV Environmental Geotechnics. Rio de Janeiro/RJ. Vol 1, Hachich, W., Falconi, F. F., Saes J. L., Frota R. G. Q., Carvalho, C. S., Niyama, S. (1998). Fundações teoria e prática. PINI. 2 a edição. São Paulo, Pp Mio, G. de. (2005). Condicionantes geológicos na interpretação de ensaios de piezocone para identificação estratigráfica na investigação geotécnica e geoambiental. São Carlos, Tese de Doutorado em Engenharia Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Mondelli, G., (2004). Investigação geoambiental em áreas de disposição de resíduos sólidos urbanos utilizando a tecnologia do piezocone. São Paulo, Dissertação de Mestrado em Engenharia Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Nacci, D. C. (2000). Obra geotécnica de ampliação do Aeroporto Internacional Salgado Filho, aterro sobre argilas moles. Porto Alegre/RS, Dissertação de Mestrado em Engenharia, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Schnaid, F. (2000). Ensaios de Campo e suas aplicações à Engenharia de Fundações. Oficina de Textos. São Paulo, Pp Silva, A. B. L. (2005) Investigação geoambiental de uma área contaminada por resíduos industriais. Porto Alegre/RS, Dissertação de Mestrado em Engenharia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The in Situ Group, The Piezocone. Disponível em oles. Acesso em 29 abr Yilmaz, R. Advances in Cone Penetrometer Technology President of the Fugro Geosciences Inc., Houston, Texas. Disponível em nt/5.htm. Acesso em 29 abr