O referido sistema deve registrar o sinal com intervalo de leituras inferior a 50 µs (microssegundos). Quanto maior a resolução do sistema, melhor a definição da onda e maior a acurácia do valor do módulo cisalhante.
Trigger
Dispositivo que dispara o programa de aquisição de dados e que deve estar acoplado ao martelo ou à fonte sísmica, ou, ainda, ser acionado pelo fechamento do circuito elétrico quando o golpe do martelo atinge a fonte. Essa última configuração é recomendada, pois a resposta do
trigger deve ser muito rápida (intervalo de tempo de, no máximo, 10 µs) e com alta
repetibilidade.
3.1.4 Cone-pressiômetro
Na década de 1980, materializou-se a ideia de incorporar um módulo pressiométrico ao fuste do cone. O primeiro protótipo foi desenvolvido na Inglaterra (Withers; Schaap; Dalton, 1986), seguido de experiências no Canadá (Campanella; Robertson; Gillespie, 1986), Itália (Ghionna et al., 1995) e Holanda (Zuidberg; Post, 1995). No equipamento original, um pressiômetro de 43,7 mm de diâmetro é acoplado a uma ponteira de 15 cm2 de seção transversal.
O procedimento de ensaio segue a sequência padronizada de operação: o cone é cravado no terreno a uma velocidade constante de 20 mm/s e, a profundidades predeterminadas, a penetração é interrompida para permitir a expansão da sonda pressiométrica. A interpretação do ensaio pressiométrico é, porém, mais complexa que a do ensaio autoperfurante (Cap. 5), uma vez que a expansão da cavidade cilíndrica do pressiômetro ocorre, inicialmente, em um solo já amolgado pela penetração do cone. Apesar dessa dificuldade, foi notável o desenvolvimento experimental e analítico observado na tentativa de interpretar o ensaio, considerando-se na análise os efeitos de instalação.
Em argilas, o ensaio pode ser modelado por meio de métodos de expansão/contração de uma cavidade cilíndrica, assumindo-se que a argila se comporta como um material incompressível linear-elástico, perfeitamente plástico, que obedece ao critério de ruptura de Tresca (Houlsby; Withers, 1988). São diversos os exemplos de aplicação dessa abordagem (Powell, 1990; Houlsby; Nutt, 1992; Houlsby, 1998; Powell; Shields, 1995; Campanella; Robertson; Gillespie, 1986; Zuidberg; Post, 1995).
Em areias, os efeitos de dilatância dificultam a análise, não tendo sido possível descrever de forma adequada o estado de tensões ao redor do equipamento após a cravação. Os métodos de análise, nesse caso, baseiam-se em abordagens semiempíricas (Schnaid; Houlsby, 1992, 1994a) ou em abordagem analítica combinada a parâmetros de estado (Yu; Schnaid; Collins, 1996) ou a outros ensaios de laboratório (Ghionna et al., 1995). Uma análise comparativa da aplicação dos diferentes métodos é apresentada por Powell e Shields (1997) e Ghionna et al. (1995).
3.1.5 Cone resistivo
O cone resistivo (RCPT – Resistivity Cone Penetration Test) fornece um perfil contínuo da variação da resistência elétrica com a profundidade, tendo sido desenvolvido com o objetivo de caracterizar áreas contaminadas (p. ex., Zuidberg; Post, 1995; Robertson et al., 1995). Em sua essência, a metodologia do ensaio não difere do CPT, fazendo-se a cravação da ponteira com um sistema hidráulico e a aquisição dos dados mediante conversor analógico-digital acoplado a um notebook. A diferença reside na medição da resistividade elétrica através de um ou mais pares de eletrodos, separados por corpos isolantes montados no fuste do cone. Os eletrodos apresentam, na sua grande maioria, a configuração de anéis dispostos na forma de arranjos do tipo Werner ou Schlimberg, definidos em função do espaçamento entre os eletrodos. A distância entre os eletrodos definirá a amplitude do campo elétrico gerado e, portanto, a extensão da área prospectada. Distâncias maiores entre eletrodos induzem um campo elétrico maior, abrangendo solos não perturbados pela penetração da sonda no terreno, porém com menor resolução da estratigrafia resistiva. Distâncias menores entre eletrodos, ao contrário, apresentam maior definição estratigráfica do solo próximo ao cone, mas sofrem interferências da zona perturbada pela penetração. Sabendo-se que as propriedades elétricas do solo podem variar na presença de fluidos contaminantes, é possível, por meio dessas medidas (resistividade = condutividade–1), mapear espacialmente a extensão de áreas contaminadas, conforme proposto pioneiramente por Campanella et al. (1998).
A Fig. 3.9 apresenta o cone resistivo com seus componentes. Os anéis brancos correspondem ao corpo isolante, ao eletrodo de potencial e ao eletrodo receptor. A Fig. 3.9A corresponde a um cone resistivo destinado somente à leitura da resistividade elétrica, enquanto a Fig. 3.9B
apresenta o módulo resistivo conectado ao cone, permitindo leituras simultâneas de qc, fs e u2.
FIG. 3.9 Cone resistivo (cortesia: A. P. van den Berg)
elétrica em solos contaminados, bem como das particularidades relacionadas à medição da condutividade através da ponteira resistiva. No cone eletrorresistivo (RCPTU), a resistividade elétrica do solo não é medida diretamente, mas inferida a partir da variação de voltagem (V), medida entre um par de eletrodos alimentados por uma fonte de corrente (I) constante. De acordo com a lei de Ohm, a resistência (R) pode ser calculada segundo a expressão: R = V/I. A resistência elétrica medida não é uma propriedade fundamental dos materiais, mas depende da geometria dos eletrodos (p. ex., em um cabo condutor, a resistência depende do comprimento do cabo L e de sua seção transversal A). No caso do solo, assumindo-se as hipóteses de meio homogêneo e isotrópico, de eletrodos comportando-se como condutores perfeitos e de fonte geradora de corrente ideal, a passagem da corrente elétrica pode ser usada na determinação da resistividade elétrica do solo (ρ):
onde K é o fator geométrico do equipamento. Para eletrodos anelares, a razão entre a seção transversal e o comprimento das linhas de corrente, representada pela constante K, não pode ser calculada de forma direta, sendo estimada mediante processo de calibração em laboratório da ponteira resistiva. A calibração é realizada por meio da imersão da sonda em um líquido com temperatura constante e resistividade conhecida (Bolinelli, 2004; Pacheco, 2004; Mondelli, 2004; Mondelli; Giacheti, 2006).
A massa de solo constitui-se em um material de múltiplas fases, composto pela matriz de solo, pelo líquido intersticial e por gases contidos nos vazios. Nesse meio, a condução elétrica é função de três fenômenos distintos (Telford et al., 1976):
a] condução eletrônica: corresponde ao fluxo de elétrons livres através da superfície de
minerais condutores;
b] condução dielétrica: corresponde à corrente produzida pela polarização molecular causada
pela aplicação de um campo elétrico;
c] condução eletrolítica: corresponde à migração de cátions e ânions no fluido intersticial
presente na massa de solo, em resposta a um campo elétrico induzido.
A condutividade elétrica do sistema solo-ar-líquido intersticial é regida por esses fenômenos e afetada pelos seguintes fatores: composição química do fluido intersticial, grau de saturação do solo, porosidade do solo, temperatura, formato dos vazios do solo, fração argila, mineralogia da matriz, área específica dos grãos, estratigrafia e origem dos solos, entre outros. Entretanto, em aplicações correntes, os fatores dominantes são a condutividade elétrica do fluido intersticial (condução eletrolítica), a condutividade das partículas de solo (condução eletrônica) e a estrutura ou arranjo da matriz de solo.
Em se tratando de materiais granulares (areias de elevada resistividade elétrica) saturados, a influência da matriz de solo é desprezada, restando a química do líquido intersticial e a porosidade do material como fatores fundamentais (p. ex., Nacci; Schnaid; Gambim, 2003). Como as partículas de solo e o ar contidos nos vazios comportam-se como materiais não condutivos, sendo a corrente elétrica transportada predominantemente pelo líquido intersticial, o cone resistivo torna-se uma excelente ferramenta para a avaliação de áreas contaminadas. Nesses casos, a contaminação é determinada pelas variações na condutividade eletrolítica, que depende da temperatura, da concentração iônica, do tamanho dos íons e da valência iônica.
Em materiais argilosos saturados, a condução eletrônica é importante, pois, assim como a água, as partículas de argilas têm a capacidade de transportar corrente elétrica, tornando a modelagem do fenômeno de condutividade mais complexa.
Em qualquer meio não saturado, como as formações de solos residuais, a interpretação dos ensaios é mais complexa, pois a condução eletrônica e dielétrica passa a governar o processo de condutividade, cuja medida é influenciada pela composição química das partículas do solo e pelas variações no teor de umidade e na temperatura da massa. Nesses casos, as variações sazonais de temperatura e umidade produzem alterações consideráveis nos valores medidos de resistividade em um mesmo local.
Entendidas as limitações da técnica e as dificuldades de interpretação das medidas, o RCPTU é utilizado na avaliação e caracterização de áreas contaminadas, por meio da comparação dos valores de resistividade elétrica do subsolo entre áreas contaminadas e não contaminadas (background) de um mesmo sítio geológico (p. ex., Campanella et al., 1998). Mesmos nesses casos, recomenda-se que a interpretação seja associada a outras técnicas de investigação, como perfis de peizocone (qt, fs, u2), geofísica de superfície, identificação direta de contaminantes por meio de poços de monitoramento e coleta de amostras. Experiências brasileiras são relatadas por Bernd (2005), Bolinelli (2004), Elis et al. (2004), Pacheco (2004), Mondelli e Giacheti (2006), Peixoto et al. (2010).
3.1.6 Cones híbridos
Nos níveis acadêmico e comercial, o ensaio de cone tem sido utilizado para uma série de outras aplicações. Nesses casos, a sonda tem recebido sensores adicionais, o que a transforma em um dispositivo versátil (ver Quadro 3.1). Em particular, o ensaio de cone tem se caracterizado como uma excelente ferramenta para investigação ambiental, pois não produz resíduo, minimizando a geração de passivos e a necessidade de descontaminação superficial no local da sondagem.
QUADRO 3.1 Sensores especiais utilizados no cone
Se nsor Me didas Aplicação Re fe rê ncia
Inclinômetro Verticalidade Previne danos Campanella, Robertson e Gillespie(1986) Resistividade Fluxo de íons através do fluido
existente nos poros do solo
Porosidade das areias Estrutura
Condutividade = 1/resistividade
Bellotti, Benoit e Morabito (1994); Campanella e Weemees (1990) Módulo de
vibração Sistema de cravação com vibração Potencial de liquefação do solo
Sasaki e Koga (1982); Sasaki et al. (1985); Mitchell (1988) Geofones/acelerôm
etros Velocidade da onda cisalhante
Caracterização dos solos Determinação de Gmáx
Robertson et al. (1986); Schnaid (2005, 2009)
Radiação
nêutron/gama Teor de umidade
Densidade do solo Teor de umidade
Correlação com potencial de liquefação
Marton, Taylor e Wilson (1988); Mitchell (1988); Mimura et al. (1995)
Tensão lateral Tensão lateral no fuste do cone Avaliação do estado das tensões
in situ Mitchell (1988); Sully (1991)
Acústico Som
Tipo de solo
Compressibilidade do solo Estrutura
Villet, Mitchell e Tringale (1981); Tringale e Mitchell (1982); Menge e Van Impe (1995) Módulo Deformação radial Resistência ao cisalhamento Houlsby e Withers (1988); Houlsby e Hitchman (1988); Ghionna et al. (1995); Schnaid e
pressiométrico Tensões horizontais Deformabilidade
Houlsby (1994a); Houslby e Schnaid (1994)
Reflectometria no domínio do tempo
Constante dielétrica através de
pulsos de onda eletromagnética Correlação com teor de umidade Lightner e Purdy (1995) Vídeo Imagem de vídeo durante a
penetração da sonda
Estimativa da granulométrica Determinação da estratigrafia
Hryciw e Raschke (1996); Raschke e Hryciw (1997) Resistividade Fluxo de íons através do líquido
contido nos poros do solo
Concentração de sal na água Contaminação ácida
Determinação do nível do NA em depósitos de resíduo
Horsnell (1988); Campanella e Weemees (1990); Strutynsky et al. (1991); Woeller et al. (1991); Malone et al. (1992)
Temperatura Temperatura do corpo da ponteira Atividade térmica de resíduos Horsnell (1988); Mitchell (1988); Woeller et al. (1991)
SCAPS Contaminação de combustíveis,
óleos e lubrificantes
Lieberman et al. (1991); Apitz et al. (1992); Theriault et al. (1992); Lambson e Jacobs (1995) Potencial redox Potencial de redução de oxidação Monitoramento durante
biorremediações
Olie, Van Ree e Bremmer (1992); Pluimgraaf, Hilhorst e Bratton (1995) pH Concentração de íons de hidrogênio Contaminações ácidas Contaminações básicas Brylawski (1994) Constante dielétrica
Constante dielétrica do solo/fluido
dos poros em função da frequência NAPL concentração
Arulmoli (1994); Stienstra e Van Deen (1994)
Espectroscopia Raman
Espectrografia para medir íons de argônio
Contaminação com NAPL Hicrocabonetos cloro
Carrabba (1995); Bratton, Bratton e Shinn (1995)
ROSTTM Indução de fluorescência laser emcontaminantes combustíveis
Contaminação com combustíveis, óleos e lubrificantes que reagem à fluorescência
Naval Command (1995) Sonda de radiação
gama
Detecção de urânio em produtos usando detector de cristal Nal(TI)
Identificação de contaminação radioativa Brodzinski (1995); Lightner e Purdy (1995) Integração óptica- eletrônica
Medidas in situ de contaminação química por meio de interferências de onda
Amônia pH BTEX
Hartman, Campbell e Gross (1988); Hartman (1990) Fonte: adaptado de Burns e Mayne (1998).
3.1.7 Equipamentos acessórios
Hastes
As hastes do cone são geralmente constituídas de aço mecânico de alta resistência, com 35,7 mm de diâmetro externo, 16 mm de diâmetro interno e 1 m de comprimento. A massa por unidade de comprimento deve ser de 6,65 kg. O aço utilizado deve aceitar tratamento térmico para conferir maior resistência às peças, em especial às roscas. Para cones mais robustos, permite-se o uso de hastes mais rígidas, com maior seção de aço (p. ex., para cones que possuem 15 cm2 de área de ponta, é facultado o uso de hastes com 44,5 mm de diâmetro externo).
A linearidade dos elementos deve atender às recomendações da IRTP/ISSMFE, que limita a 2 mm o desvio máximo do eixo. Para as primeiras cinco hastes, porém, esse desvio não pode ultrapassar 1 mm. A posição das hastes na composição deve ser mudada periodicamente para evitar curvaturas permanentes.