ENSAIO DE PIEZOCONE PARA ANALISES ESTRATIGRÁFICAS: EXEMPLO DA PLANÍCIE DE CARAVELAS/BA
De Mio, Giuliano1 & 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 (2003), 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 (2003) e os resultados
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 –
MB3406), com ângulo na ponta de 60o,
diâmetro de 35,68 mm (10 cm2 de área), na
extremidade de um conjunto de hastes (Figura 1). A ce le rô m e tro In clin ô m e tro L u v a d e A trito (Á re a d e 1 5 0 c m2) S tra in G a g e s d a C é lu la d e C a rg a d e R e sis tê n c ia d e P o n ta C o n e d e 6 0o d iâ m e tro d e 3 5 .6 8 m m 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 L a te ra l S e n so 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 sã o F iltro d e M a te ria l P lá s tico C a b o
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 10, 25 ou 50 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 (2000), todos
produzidos pela correlação entre qc, fs 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 (Fr) 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 poro-pressão 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-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 paleo-geológica com a explicação dos fatores que contribuíram para a formação da planície. Andrade et al (2003) 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
(qt), atrito lateral local (fs), poro-pressão (u)
e razão de atrito (Fr). 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 2,0 m de profundidade, de forma a evitar danos ao piezocone pela presença de um aterro no local.
A camada A, de 2,0 a 4,3 m, tem resistência de ponta alta (12-15 MPa), penetração completamente drenada, razão de atrito muito baixa (0,2 a 0,3 %), 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 (0,7 a 0,8 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 0,5 a 2,0 % 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 (0,5 -0,7 %) 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 (600 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 0,1 a 0,2 m de turfa no topo.
A camada E, de 13,4 a 17,0 m, tem resistência de ponta alta (6-8 MPa), poro-pressão negativa, indicando presença de solo com comportamento dilatante, razão de atrito baixa (0,8-0,9 %), o que indica a ocorrência de uma areia fina muito
compacta. A camada F, de 17,0 a 32,4 m, tem resistência de ponta baixa (1,0-1,7 MPa), valores elevados de poro-pressão, com reduções abruptas a 19,0; 21,5; 25,0 e 27,0 m, o que provavelmente indica níveis com conchas. Piezocone Perfil interpretado 0 5 10 15 20 25 30 35 Camadas P ro fu n di d ad e (m ) 0 5 10 15 20 25 30 35 Areia Areia com níveis de turfa (?) Intercalações de argila e silte com areia Areia Areia interc. com argila fs (kPa) 0 50 100 150 Fr (%) 0 2 4 6 8 qt (MPa) 0 5 10 15 20 25 u (kPa) 0 500 1000 1500 u0 A B C D E F G u2 Argila e silte Argila e silte (lama) NA
Figura 2: Resultados e interpretação de ensaio de piezocone realizado na região de Caravelas/BA.
10 Areia com pedregulho a areia 4 Argila siltosa a argila
6 Silte arenoso a silte argiloso 5 Silte argiloso a argila siltosa
* sobre-adensado ou cimentado 12 Areia a areia argilosa * 11 Solo fino muito rijo * 3 Argila
2 Matéria orgânica 1 Solo fino sensível
Robertson et al (1986)
9 Areia
8 Areia a areia siltosa 7 Areia siltosa a silte arenoso 7 R es is tê nc ia d e p on ta qt ( M Pa ) Atrito lateral - Fr (%) 1 1 0 0 1 2 3 10 6 5 4 6 2 7 8 3 4 5 100 10 8 9 12 11
Ambiente de laguna fechada Camada F
Ambiente de costa lamoso frente de praia
Argila e silte com lentes de areia Areia - Ambiente de
Camada C
Argila e silte (lama) Camada D
Camada B Camada G Camada E Camada A
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 10 MPa, poro-pressão de 0 a 1700 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, 2003). 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 20.000 anos atrás. Estes sedimentos são similares à fácies A3 definida por Andrade et al (2003) e estão provavelmente relacionados a ambiente de costa lamoso.
0 2 4 6x 1,000 anos (A.P.)8 10 12 14 16 18 20 10 0 -10 -50 -100 P ro fu ndi da de ( m ) Nivel do mar Correa (1995)
Angulo & Lessa (1997) Martin et al (1979)
A, B C, D
E, F
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 (2003) 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, 2003), indica que os sedimentos lamosos da unidade F foram erodidos em uma fase regressiva, provavelmente relacionada à queda do nível do mar próximo a 4.000 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 3.500 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 (2003), 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,
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, 2003).
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 14C, 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.
6. Agradecimentos
Os autores agradecem ao Prof. Kenitiro Suguio pelas sugestões e estímulo à publicação deste artigo no evento, e a
FAPESP e CAPES pelo auxilio financeiro e bolsa de estudo.
7. Referências
ABNT MB-3406 (1991) Solo – Ensaio de Penetração de Cone In Situ CPT, Método de ensaio, CB-O2, 10 p. Amorosi, A. & Marchi, N. (1999)
High-resolution sequence stratigraphy from piezocone tests: An example from the Late Quaternary deposits of the southeastern Po Plain. Sedimentary Geology, V. 128, 67-81 Andrade, A.C.S.; Dominguez, J.M.L.;
Martin, L. & Bittencourt, AC.S.P. (2003) Quaternary evolution of the Caravelas strandplain – Southern Bahia State – Brazil. An. Acad. Bras. Ci. N.75, V.3, pp. 357-382.
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. (2000): Soil Profile Interpreted from CPTU data. Year 2000 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, 1263-1280.
