ENSAIO DE PIEZOCONE PARA ANALISES ESTRATIGRÁFICAS: EXEMPLO DA PLANÍCIE DE CARAVELAS/BA

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1 ENSAIO DE PIEZOCONE PARA ANALISES ESTRATIGRÁFICAS: EXEMPLO DA PLANÍCIE DE CARAVELAS/BA De Mio, Giuliano 1 & Giacheti, Heraldo L. 2 1 Doutorando EESC/USP, Departamento de Geotecnia, São Carlos/SP demio@w1.com.br 2 Prof. Adjunto FEB/UNESP, Departamento de Engenharia Civil, Bauru/SP giacheti@feb.unesp.br RESUMO Resultados de ensaio de piezocone realizados na planície de Caravelas/BA são apresentados e interpretados para identificação estratigráfica de seqüências sedimentares quaternárias da costa Leste brasileira. Constataram-se boas correlações entre a interpretação dos resultados desse ensaio e as unidades de mapeamento apresentadas por Andrade et al (23), que identificam ambiente de sedimentação controlado pelas variações no nível médio dos mares durante o Quaternário. A alternância das camadas, identificadas nos ensaios de piezocone, mostra três seqüências de sedimentos transgressivos e regressivos, que tem boa correlação com as curvas de variação do nível do mar aceitas para esta região. Os resultados apresentados mostram a aplicabilidade dos ensaios de piezocone para perfilagem estratigráfica e sugerem que é possível integrá-lo a outras técnicas convencionalmente utilizadas nos estudos paleoambientais do Brasil, o que está de acordo com abordagens recentes utilizadas em pesquisas no mundo, nessa área do conhecimento. Palavras chave: Perfilagem estratigráfica, ensaio de piezocone, paleoambientes, mapeamento geológico 1. Introdução O estudo de Seqüências Sedimentares Quaternárias (SSQ) é importante nas analises das mudanças ambientais passadas e pode auxiliar nas analises dos impactos que o meio ambiente pode provocar no Homem. As seqüências sedimentares Quaternárias se desenvolveram principalmente em ambientes marinhos transicionais, lagoas e planícies de inundação restritas. As características principais dos sedimentos são fortemente influenciadas pelas condições climáticas e tectônicas e podem conter fosseis e registros pré-históricos, que suportam as pesquisas arqueológicas, paleoambientais e paleontológicas. A integração entre diferentes técnicas de investigação é fundamental para que estes estudos forneçam resultados satisfatórios. Amorosi & Marchi (1999) realizaram pesquisa comparando resultados de ensaios de piezocone e sondagens na planície do Rio Pó, na Itália, concluindo que o piezocone pode ser utilizado para analises sedimentológicas, especialmente para o detalhamento das fácies, correlações estratigráficas de sub-superfície e identificação das superfícies chave na interpretação de seqüências estratigráficas. O ensaio de piezocone é uma técnica de investigação para sedimentos não consolidados e solos, utilizada principalmente nos estudos geotécnicos, que possibilita obter um perfil estratigráfico de alta resolução, rapidamente. Esta técnica já foi testada por diversos pesquisadores, sendo necessário apenas calibrar localmente os resultados com amostragens continuas. Neste artigo, os resultados de um ensaio de piezocone são comparados com as unidades de mapeamento paleo-estratigráfico da região de Caravelas BA, apresentados por Andrade et al (23) e os resultados

2 preliminares aqui apresentados são encorajadores. 2. O Ensaio de Piezocone O piezocone é uma ferramenta padrão de investigação de campo, que consiste em uma ponteira de aço eletronicamente instrumentada e normalizada (ABNT MB346), com ângulo na ponta de 6 o, diâmetro de 35,68 mm (1 cm 2 de área), na extremidade de um conjunto de hastes (Figura 1). S tra in G a u g e s d a C é lu la d e C a rg a d e A trito Late ra l S e n s o r d e T e m p e ra tu ra T ra n d u to r d e P o ro -P re s s ã o F iltro d e M aterial P lástico C a b o A ce lerôm etro In c lin ô m e tro L u v a d e A trito (Á re a d e 1 5 c m 2 ) S tra in G a g e s d a C é lu la d e C a rg a d e R e s is tê n c ia d e P o n ta C o n e d e 6 o d iâ m e tro d e m m Figura 1: Desenho esquemático da uma ponteira de piezocone (Davies & Campanella, 1995) O piezocone é cravado no solo a uma velocidade constante de 2cm/s, por sistema hidráulico instalado em perfuratriz ou em veículos preparados. Durante a penetração, as forças medidas pela ponta e pelo atrito lateral variam em função das propriedades dos materiais atravessados. Os registros de resistência de ponta (qc), atrito lateral local (fs) e poro-pressão (u) são medidos por sensores eletrônicos. Simultaneamente, também podem ser medidas a temperatura e inclinação durante o avanço da penetração. Todos os registros são monitorados continuamente e digitalizados em intervalos típicos de 1, 25 ou 5 mm. Os dados são adquiridos diretamente por um computador, visualizados e arquivados, disponíveis para análises pós-investigação. Os registros obtidos no ensaio de piezocone padrão podem ser utilizados para perfilagem do solo. As propriedades mecânicas dos solos podem ser estimadas por correlações empíricas e semi-teóricas disponíveis na literatura. Dos registros do excesso de poro-pressão, que são gerados pela penetração do piezocone e pela interpretação da dissipação da poro-pressão, obtém-se informações sobre o tipo de solo e suas propriedades hidráulicas. A um piezocone padrão pode-se acoplar diversos sensores como o sísmico, o de resistividade, o de ph, o de fluorescência induzida por laser, o de radar, entre outros, permitindo uma melhor caracterização em campo, especialmente nas aplicações geoambientais (Lunne et al, 1997). A identificação dos sedimentos é feita utilizando-se ábacos de classificação específicos, como os de Robertson et al (1986) e Fellenius & Eslami (2), todos produzidos pela correlação entre q c, f s e u e amostras de sondagens. A maioria desses ábacos tem a mesma estrutura e as classificações variam em função de diferentes bases de dados ou de correções específicas como a de profundidade ou a da gênese dos materiais. As classificações com base nos resultados do ensaio de piezocone consideram dois princípios básicos. O primeiro é que as areias têm resistência de ponta elevada e atrito lateral baixo, e as argilas têm resistência de ponta baixa e atrito lateral alto. Com base neste princípio foi proposta a razão de atrito (F r ) que é a relação percentual entre o atrito lateral e a resistência de ponta. Razão de atrito baixa indica material de comportamento arenoso e razão de atrito alta indica material argiloso. O segundo princípio básico que orienta a interpretação do ensaio de piezocone, utiliza os registros de poropressão durante a cravação. A aplicação de carga em sedimento saturado, devido a penetração do cone, faz com que a pressão seja diretamente transmitida à água dos poros. Solos finos, com baixa permeabilidade, não permitem a rápida dissipação desta pressão e o valor de poro-

3 pressão (u) medido no piezocone aumenta. Sedimentos grossos, com alta permeabilidade, permitem a rápida dissipação do excesso de poro-pressão, e os valores de u medidos são iguais a pressão hidrostática. Desta forma, o ensaio de piezocone tem elevada sensibilidade para identificar lentes finas de argila em camadas de areia e lentes finas de areia em camadas de argila. 3. Resultados 3.1 Mapeamento Geológico A região de Caravelas, situa-se no litoral sul do Estado da Bahia e caracteriza-se por extensa planície. A região foi mapeada em detalhe, e foi proposto um modelo de evolução e definida a distribuição paleogeológica com a explicação dos fatores que contribuíram para a formação da planície. Andrade et al (23) concluíram que a evolução histórica e a distribuição dos sedimentos foi controlada pelas flutuações do nível do mar durante o Quaternário, com influências das correntes marinhas e barreiras de corais. Com isso, a teoria de gênese deltaica para a planície não foi confirmada. Foram identificadas cinco unidades geológico-geomorfológicas de mapeamento: Terraços de cordões de praias Pleistocenicos, depósitos lagunares, terraços de cordões de praias Holocênicos, mangues de água doce e planícies de marés/mangues. Com base em estudos em afloramentos e amostragens Vibracore foram identificadas 9 associações de fácies, agrupadas em 2 zonas. Associação da zona litorânea (A1 a A4) e associação das zonas lagunares e banhados (B1 a B5). 3.2 Ensaio de Piezocone Os resultados de um ensaio de piezcone realizado na região de Caravelas são mostrados na Figura 2, onde cada gráfico representa o registro contínuo de cada sensor, incluindo resistência de ponta corrigida devido o efeito da poro-pressão (q t ), atrito lateral local (f s ), poro-pressão (u) e razão de atrito (F r ). O ensaio alcançou 35 m de profundidade e a interpretação dos resultados indica a ocorrência de sete camadas principais, identificadas de A até G, com nível d água a 1,5 m de profundidade. Os resultados desse ensaio foram interpretados utilizando o ábaco proposto por Robertson et al (1986) para classificar o solo que ocorre em cada camada (Figura 3). O ensaio iniciou em 2, m de profundidade, de forma a evitar danos ao piezocone pela presença de um aterro no local. A camada A, de 2, a 4,3 m, tem resistência de ponta alta (12-15 MPa), penetração completamente drenada, razão de atrito muito baixa (,2 a,3 %), homogêneo, e classificado como areia média a grossa muito compacta. A camada B, de 4,3 a 8,4 m, tem baixa resistência de ponta (,7 a,8 MPa) com alguns valores de pico (4 MPa), registro heterogêneo da poro-pressão o que indica lentes com penetração drenada intercaladas com lentes de penetração não drenada, razão de atrito variável de,5 a 2, % que indica a presença de níveis de argila/silte (lama) intercalados com níveis centimétricos de areia fina. A camada C, de 8,4 a 11,4 m, tem resistência de ponta alta (12-15 MPa) intercaladas com níveis menos resistentes (2-6 MPa), penetração completamente drenada, razão de atrito baixa (,5 -,7 %) com alguns valores de pico (1-4 %), o que indica a presença de materiais arenosos, provavelmente com finas intercalações de turfa onde a razão de atrito é alta e a penetração drenada. A camada D, de 11,4 a 13,4 m, tem resistência de ponta baixa, poro-pressão elevada (6 kpa), com reduções abruptas a 11,9, 12,1 e 12,9 m, e razão de atrito homogênea, em torno de 2 %, com pico a 7 % no topo da camada. Esta resposta é típica de materiais argilosos e siltosos (lama), com camada de,1 a,2 m de turfa no topo.

4 A camada E, de 13,4 a 17, m, tem resistência de ponta alta (6-8 MPa), poropressão negativa, indicando presença de solo com comportamento dilatante, razão de atrito baixa (,8-,9 %), o que indica a ocorrência de uma areia fina muito compacta. A camada F, de 17, a 32,4 m, tem resistência de ponta baixa (1,-1,7 MPa), valores elevados de poro-pressão, com reduções abruptas a 19,; 21,5; 25, e 27, m, o que provavelmente indica níveis com conchas. Camadas F r (%) q t (MPa) f s (kpa) u (kpa) Piezocone Perfil interpretado A NA Areia Profundidade (m) B C D E u 2 Intercalações de argila e silte com areia Areia com níveis de turfa (?) Argila e silte Areia F u Argila e silte (lama) G Areia interc. com argila 35 Figura 2: Resultados e interpretação de ensaio de piezocone realizado na região de Caravelas/BA. Resistência de ponta - qt (MPa) Atrito lateral - Fr (%) Robertson et al (1986) 1 Solo fino sensível 2 Matéria orgânica 3 Argila 4 Argila siltosa a argila 5 Silte argiloso a argila siltosa 6 Silte arenoso a silte argiloso Camada A Camada C Camada E Camada B Camada G Camada D Camada F 7 Areia siltosa a silte arenoso 8 Areia a areia siltosa 9 Areia 1 Areia com pedregulho a areia 11 Solo fino muito rijo * 12 Areia a areia argilosa * * sobre-adensado ou cimentado Areia - Ambiente de frente de praia Argila e silte com lentes de areia Ambiente de costa lamoso Argila e silte (lama) Ambiente de laguna fechada Figura 3: Ábaco de classificação (Robertrson et al, 1986) com a distribuição dos sedimentos de Caravelas/BA.

5 A homogeneidade do sedimento e a grande espessura são resultado de um processo de sedimentação contínua. A camada G, de 32,4 a 34,5 m, tem uma resposta variável em todos os sensores, com a resistência de ponta variando de 2 a 1 MPa, poro-pressão de a 17 kpa, e razão de atrito de 1 a 6 %, o que indica a presença de intercalações de sedimentos arenosos e lamosos (argila e silte). 4. Discussão A utilização do resultado do ensaio de piezocone na identificação e interpretação de seqüências sedimentares foi introduzida por Amorosi & Marchi (1999) com resultados estimulantes. A ausência de amostras é compensada pela elevada capacidade de perfilagem e tempo reduzido para aquisição de cada perfil. A ampla experiência geotécnica, principalmente em solos sedimentares, produz a base necessária para a identificação das camadas e classificação de solos. Foi observada uma boa correlação entre a interpretação dos resultados do ensaio de piezocone com as unidades de mapeamento geológico definidas para a região de Caravelas (Andrade et al, 23). A seqüência de sedimentos está relacionada às flutuações do nível do mar, e foram identificadas três ciclos de transgressão/regressão, com provável relação com as fases de sedimentação, conforme indicado na Figura 4. A camada mais profunda, G representa a base do perfil investigado e é constituído por sedimentos heterogêneos lamosos, com lentes de areia. Isto indica mudanças rápidas no ambiente, provavelmente devido à variações rápidas do nível do mar, ocorridas ao fim da última regressão interglacial, supostamente ocorrida a cerca de 2. anos atrás. Estes sedimentos são similares à fácies A3 definida por Andrade et al (23) e estão provavelmente relacionados a ambiente de costa lamoso. Profundidade (m) x 1, anos (A.P.) A, B C, D E, F Martin et al (1979) Correa (1995) Angulo & Lessa (1997) Nivel do mar Figura 4: Curva de flutuação do nível do mar e tentativa de correlação com as camadas definidas na interpretação do ensaio de piezocone A camada F, tipicamente lamosa (argila e silte), formou-se em ambiente calmo de baixa energia, provavelmente lagoas fechadas, semelhantes aquelas descritas por Andrade et al (23) na fácies B5. A transição para a camada E, que é constituída de areia compacta, indica um contato erosivo bem definido pelos registros da poro-pressão e da razão de atrito. O ambiente, provavelmente uma praia, semelhante aquelas da fácies A1 (Andrade et al, 23), indica que os sedimentos lamosos da unidade F foram erodidos em uma fase regressiva, provavelmente relacionada à queda do nível do mar próximo a 4. anos atrás. Segue-se uma nova fase transgressiva, com a sedimentação da camada D, constituída de sedimentos argilosos e siltosos, formados em ambiente de lagoa protegido, provavelmente relacionados ao final da regressão ocorrida em torno de 3.5 anos atrás. A camada C é constituida de areia com lentes de material mole, provavelmente turfa ou matéria orgânica, com similaridades aos sedimentos da fácies A2 (Andrade et al (23), que são característicos de ambiente de costa de praia com detritos de material orgânico. A camada B é constituída por níveis decimétricos de argila e silte (lama) com lentes centimétricas de areia fina a média,

6 muito similar àquelas descritas para a fácies A3, em um ambiente de costa lamoso. A camada A é constituída por areia, com similaridades às da fácies A1 (Andrade et al, 23). FAPESP e CAPES pelo auxilio financeiro e bolsa de estudo. 7. Referências 5. Conclusão Os resultados apresentados indicaram uma boa correlação entre as unidades de mapeamento superficial e as características gerais identificadas na interpretação do perfil da seqüência sedimentar a partir dos resultados do ensaio de piezocone. A curva de variação do nível do mar, admitida para a região, durante o Quaternário, mostra provável relação com a seqüência de camadas sedimentares identificadas no ensaio de piezocone, mostrando três prováveis ciclos de transgressão-regressao. Os resultados apresentados são preliminares e a combinação dos ensaios de piezocone com datações 14 C, estudos de bioturbacão e outras técnicas convencionalmente utilizadas nos mapeamentos paleoambientais, é recomendada de forma a ampliar e melhor entender os resultados apresentados neste trabalho. O piezocone pode ser utilizado para perfilagem de alta resolução, na identificação de algumas características sedimentológicas, e na identificação dos tipos de contato, o que confirma a grande utilidade dos resultados dos ensaios de piezocone nos estudos paleoestratigráficos das seqüências quaternárias costeiras. O perfil detalhado fornecido pela interpretação do ensaio de piezocone pode orientar a identificação dos ambientes de sedimentação e orientar a realização de coletas de amostras em alvos específicos. ABNT MB-346 (1991) Solo Ensaio de Penetração de Cone In Situ CPT, Método de ensaio, CB-O2, 1 p. Amorosi, A. & Marchi, N. (1999) Highresolution sequence stratigraphy from piezocone tests: An example from the Late Quaternary deposits of the southeastern Po Plain. Sedimentary Geology, V. 128, Andrade, A.C.S.; Dominguez, J.M.L.; Martin, L. & Bittencourt, AC.S.P. (23) Quaternary evolution of the Caravelas strandplain Southern Bahia State Brazil. An. Acad. Bras. Ci. N.75, V.3, pp Davies, M.P. & Campanella, R.G. (1995) Piezocone Technology: Downhole Geophysics for the Geoenvironmental Characterization of soil. Proc. SAGEEP 95, Orlando Fellenius, B. H. & Eslami, A. (2): Soil Profile Interpreted from CPTU data. Year 2 Geotechnics Geotechnical Engineering Conference, AIT, Bangkok, Thailand. 18 p. Lunne, T; Robertson, P.K. & Powell, J.J.M. (1997) Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice, 312 p. Robertson, P. K.; Campanella, R.G; Gillespie, D. & Greig, J. (1986): Use of piezometer cone data, Proc. In- Situ-86, ASCE Spec. Conference, Agradecimentos Os autores agradecem ao Prof. Kenitiro Suguio pelas sugestões e estímulo à publicação deste artigo no evento, e a