COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Ensaio de Laboratório para Avaliação da Resistividade Elétrica
em um Solo Tropical Arenoso
Márcia Tiemi Yamasaki
Universidade Estadual Paulista, Bauru, Brasil, [email protected]
Anna Silvia P. Peixoto
Universidade Estadual Paulista, Bauru, Brasil, [email protected]
José Alfredo Covolan Ulson
Universidade Estadual Paulista, Bauru, Brasil, [email protected]
RESUMO: Nesse trabalho esyão sendo apresentadas as análises realizadas em ensaios de
laboratório para a avaliação da resistividade elétrica em uma areia argilosa, sedimentar da
Formação Marília, proveniente do aterro de resíduos sólidos da cidade de Bauru (SP). Os ensaios
foram realizados em corpos de prova compactados na energia normal, propiciando a análise de
fatores interveneintes como teor-de-umidade, compactação, porosidade e grau de saturação. Para
tanto, os ensaios de resistividade em laboratório foram realizados de duas maneiras: inicialmente
instalando-se duas placas de cobre nas extremidades do corpo-de-prova cilindrico e também
cravando-se o dispositivo desenvolvido na mesma configuração do piezocone de resistividade mas
em dimensões menores. Os fatores intervenientes foram analisados e uma tentativa da aplicação da
Lei de Archie foi elaborada. Através do estudo chegou-se a conclusão que, de maneira geral, os
resultados obtidos nos ensaios apresentaram o comportamento esperado e encontrado na literatura.
Porém, foi observada uma discrepância na repetibilidade dos resultados obtidos no ramo seco da
curva de compactação, necessitando-se de uma melhor avaliação da utilização de ensaios de
resistividade elétrica na condição não saturada. Essa mesma dificuldade também foi observada em
ensaios de campo realizados com o piezocone de resistividade. Por outro lado, no ramo saturado da
curva, observou-se a boa correlação entre ρb/ρbsat e o grau de saturação inicial do corpo-de-prova
indicando que estudos matemáticos podem levar a um modelo da Lei de Archie para esse tipo de
solo.
PALAVRAS-CHAVE: Instrumentação, Piezocone de Resistividade, Compactação, Resistividade
Elétrica.
1
ambientes geológicos similares. Porém, aqueles
encontrados na bibliografia referem-se a solos
típicos de clima temperado, não refletindo o
comportamento de solos de clima tropical.
Sendo assim, o objetivo deste artigo é
comparar as medidas obtidas através de duas
maneiras: a primeira delas com placas de cobre
instaladas nas duas extremidades de corpos-deprova cilíndricos, compactados na energia
normal, permitindo a leitura direta da
resistividade elétrica. Em seguida, depois de
retiradas as placas das extremidades, um
dispositivo com a mesma configuração do
RCPTU, mas em dimensões menores, é cravado
no solo, e a resistividade elétrica é então obtida
INTRODUÇÃO
O piezocone de resistividade (RCPTU) vem se
tornando uma ferramenta muito util na
avaliação de plumas de contaminação de solo.
O equipamento contém um módulo de
resistividade que é instalado atrás do piezocone
padrão permitindo a leitura contínua da
resistência a um fluxo de corrente elétrica
aplicada ao solo. Em áreas onde valores de
referência são excedidos, pode-se então efetuar
uma avaliação complementar através da coleta
de amostras da água subterrânea.
Tais valores de referência são estabelecidos a
partir da experiência de campo ou partir de
1
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através de uma curva de calibração em função
de V/I (voltagem e corrente elétricas).
Os cilindros de compactação desenvolvidos
para esse fim foram construídos com PVC de
alta resistência e base de tecnil, de maneira a
suportar os golpes da compactação e não
comprometer as leituras de resistividade
elétrica.
Os resultados assim obtidos conduziram a
avaliação de fatores intervenientes na
resistividade elétrica tais como teor-deumidade, índice de vazios, porosidade e grau de
saturação, além da frequencia de excitação do
ensaio.
dificuldade na obtenção de resultados
adequados para essa finalidade. Contudo, o
emprego de sondagem com o piezocone de
resistividade (RCPTU) e amostradores especiais
de água, solo e gás, juntamente com uma
campanha de geofísica superficial, tem
apresentado resultados promissores nos países
da Europa e América do Norte (Bolinelli Jr. et
al 2002).
Uma maneira interessante de se avaliar os
fatores interveneintes, relativos as propriedades
dos solos, é de Archie (1942), através da eq. 1,
para solos não saturados e eq. 2., para solos
saturados.
ρb = a ⋅ ρw ⋅ n -m ⋅ S-b
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
ρb = a ⋅ ρw ⋅ n
-m
(1)
(2)
em que: ρb = resistividade do solo;
ρw = resistividade do fluido;
n = porosidade do solo;
S = grau de saturação;
a, b e m são constantes que dependem do tipo de solo.
Os penetrômetros eletrônicos, conectados ao
piezocone, possuem células de carga que
registram a resistência de ponta (qc) e o atrito
lateral (fs). Valores da poro-pressão (u) atrás do
cone durante a penetração são determinados
através de um transdutor de pressão. Alguns
piezocones possuem múltiplos transdutores de
pressão, permitindo determinar também a poropressão na ponta, na face do cone e atrás da
luva de atrito. Pode-se ainda medir e registrar a
temperatura e a inclinação do aparelho.
Um acessório acoplado ao piezocone
interessante para aplicação geo-ambiental é o
sensor de condutividade elétrica, figura 1, que
fornece a resistividade [C (µS/cm) = 10000/ R
(Ω.m)]. Essa medida foi inicialmente aplicada
para estimativa da densidade de areias e mais
recentemente tem sido utilizada como um
indicativo de contaminantes no solo.
Outra formulação interessante para solos não
saturados é encontrada em Keller e
Frischknecht(1966) e McNeill (1990) apud
Abu-Hassanein et al (1996), eq. 3:
(3)
em que: b é um parâmetro associado ao tipo de solo
3
METODOLOGIA
3.1
Caracterização do Solo
O solo utilizado nesse estudo foi coletado em
uma área de branco do aterro de resíduos
sólidos de Bauru e foi caracterizado como
sendo uma areia fina, argilosa, sedimentar, do
Grupo Bauru e Formação Marília.
Através de ensaios de laboratório, o material
resultou em atividade de Skempton inativa.
Porém, de comportamento não laterítico, NA’,
segundo a Classificação MCT, e ativo,
utilizando-se metodologia de Fabbri (1994) para
ensaio da mancha de azul de metileno. O ensaio
de compactação na energia normal, resultou em
umidade ótima de 15,2% e massa específica
seca máxima de 1,838 g/cm3.
Figura 1. Esquema do Piezocone de Resistividade
adaptado de Giacheti et al (2006)
A técnica de resistividade elétrica que já é
utilizada para caracterizar o ambiente geológico
quanto ao fraturamento, à saturação e para a
identificação litológica, também tem sido
aplicada na detecção de áreas contaminadas. No
entanto, não existe, ainda, uma padronização
para a utilização desta ferramenta na área
ambiental. Tem-se, como resultado disto, uma
2
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3.2
Equipamentos
segundo o Arranjo de Wernner, em um cilindro
de tecnil, com ponta cônica, de diâmetro de
20mm. (Figura 4)
Os ensaios de resistividade elétrica foram
realizados de duas maneiras: placas de cobre
acondicionadas nas extremidades no corpo-deprova cilíndrico; dispositivo de resistividade
cravado no corpo-de-prova cilíndrico.
3.2.1 Placas de Cobre
Figura 4. Mini-Sensor de Resistividade Elétrica.
Nos ensaios para a obtenção da resistividade
elétrica através da Lei de Ohm foram realizados
acoplando-se uma placa de cobre em cada
extremidade elétrica do corpo-de-prova
cilíndrico, cujas dimensões eram diâmetro de
10cm e espessura de 0,16cm. (Figura 2).
Importante ressaltar também que foram
construídos cilíndros específicos para a
compactação dos corpos-de-prova, de PVC, em
um diâmetro e alturas maiores do que aquele
exigido para a compactação na energia normal,
porém a compactação foi realizada com numero
de camadas e golpes de maneira a respeitar a
energia exigida na NBR 7182/1986. (Figura 3).
3.3
Metodologia dos ensaios
Todos os ensaios foram realizados em corposde-prova cilíndricos e compactados utilizando
energia normal. Devido as dimensões alteradas,
a energia normal foi obtida mantendo-se o peso
do soquete em 4,58 Kg, altura de queda de
0,459m, número de camadas igual a cinco e
modificando-se o número de golpes para 21.
3.3.1 Ensaios com as Placas de Cobre
Inicialmente foram realizadas leituras com
placas instaladas nas extremidades dos corposde-prova. Na Figura 5a está apresentada a
colocação da placa de cobre no corpo-de-prova
Para cada teor-de-umidade da curva de
compactação, primeiramenete foi realizada a
leitura da temperatura e somente depois de
retirado o sensor de temperatura que foram
egetuadas as leituras de voltagem e corrente
para a obtenção da resistividade elétrica, Figura
5b.
Figura 2. Placas de Cobre.
Figura 3. Cilindro de PVC.
3.2.2 Dispositivo para leitura da Resistividade
O dispositivo de resistividade foi desenvolvido
por Peixoto et al (2010), composto por quatro
eletrodos, igualmente espaçados, dispostos
(a)
(b)
Figura 5. Configuração do Ensaio com as Placas de
Cobre.
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Para cada teor-de-umidade estimado, foram
compactados três corpos-de-prova de forma a
possibilitar a análise da variabilidade dos
resultados. Também foram realizadas medidas
de resistividade elétrica nas frequências do
gerador de funções de 60, 120, 240, 480, 960,
1000, 1920, 3840, 7680, 15360, 30720, 61440,
122880 e 245760. Esse estudo foi importante
para a determinação da frequencia de excitação
de 1000Hz para leitura da resistividade no minisensor.
3.3.2 Ensaios com o Dispositivo para leitura da
Resistividade
Figura 6. Variação da Freqüência no Intervalo de 0 a
2000Hz
Para a leitura da resistividade com o minisensor, tanto na fase não-saturada, como na
quasi-saturada, os corpos-de-prova foram
compactados utilizando o mesmo procedimento
dos ensaios com as placas, porém com a
cravação imediata do dispositivo. Os resultados
desses ensaios também permitiram, tanto a
comparação dos dados obtidos em ambos os
ensaios, como as análises realizadas a luz da lei
de Archie e eq. 3 já apresentada:
4
/
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Todos os dados aqui apresentados são
referentes aos ensaios realizados com água
destilada.
4.1
Figura 7. Umidade Versus Resistividade do Solo.
4.2
Ensaios com o Dispositivo para Leitura
da Resistividade
Ensaios com as Placas
Os resultados de resistividade elétrica em
função da frequência observados na Figura 6
permitiram consolidar a frequência de 1000Hz
como a mais adequada para as leituras.
Durante a realização do ensaio verificou-se que
nos teores-de-umidade abaixo da ótima ocorreu
uma grande dificuldade de cravação,
provavelmente induzindo a um ajuste sensor
solo não perfeito.
Após a realização dos ensaios com
odispositivo, todos os corpos-de-prova foram
saturados seguindo o procedimento para a
obtenção do ensaio CBR. Considerando-se que
os cp na condição “quasi-saturada”, observouse que a ponteira foi cravada mais facilmente,
gerando melhor contato entre o solo e o
dispositivo, com menor variabilidade dos
resultados. (Figura 8).
Analisando-se a Figura 7 verifica-se que nos
teores de umidade abaixo da ótima ocorreu
grande variação nos valores de resistividade do
solo. Porém, pode notar que a curva permanece
descendente com tendência a um valor
constante após o teor-de-umidade ótimo.
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Por outro lado, no ramo seco da curva de
compactação, ou seja, na condição não saturada,
os valores sofrem grande variação. Nesse caso
tendo de ser melhor estudada a aplicabilidade
dos ensaios de resistividade nessas condições.
Embora a Lei de Archie não tenha sido
inicialmente formulada para solos contendo
argila, foi construído um gráfico (Figura 10)
com os dados obtidos com o mini-sensor na
tentativa de se obter o valor para o parâmetro b
da eq. 1. e em resposta chegou-se a uma relação
exponencial cujo coeficiente de determinação
foi 0,8381. Essa é uma indicação positiva de
que a continuidade de pesquisa nessa linha pode
trazer bons resultados.
Figura 8. Umidade Versus Resistividade do Solo Após a
Saturação.
4.3
Relação entre os Ensaios
No gráfico da Figura 9 estão plotados os valores
de resistividade elétrica, obtida por ambos os
métodos, em função do teor-de-umidade de
compactação do corpo-de-prova. Observa-se
que, para as umidades correspondentes ao ramo
úmido da curva de compactação, ou seja,
superiores a 15,2%, os valores de resistividade
elétrica para ambos os equipamentos são da
mesma ordem de grandeza, sendo os obtidos
pelo dispositivo superiores aqueles medidos
pelas placas.
Figura 9. Grau de Saturação Versus Relação entre
Resistividade Não Saturada e Resistividade QuasiSaturada para Água Destilada.
4.4
Relação da Resistividade com os Índices
Físicos
Com a finalidade de estudar a relação entre a
resistividade e os índices físicos foram plotados
em gráficos relacionando os valores referentes
ao: grau de saturação na Figura 10, o índice de
vazios na Figura 11.
O comportamento das curvas no ensaio com
as placas apresentam-se em conformidade com
os resultados obtidos por Mondelli et al(2008),
em que há uma tendência de valores constantes
ou mesmo crescentes da resistividade com a
redução do grau de saturação.
Figura 9. Comparação dos Resultados dos Dois Métodos
Ensaiados com Água Destilada.
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Figura 11. Índice de Vazios versus Resistividade do Solo.
Figura 10. Grau de Saturação versus Resistividade do
Solo.
A variação da resistividade elétrica em
função do grau de saturação e do índice de
vazios foi mais sensivel nos ensaios com as
placas. O posicionamento da placa na
extremidade superior do cilindro era garantido
colocando-se uma camada de solo apenas com a
força imposta pelo operador, que pode ter
afetado nos resultados.
Para os ensaios com o mini-sensor, a
variação das medidas de resistividade foram
relativamente pequenas, sendo ainda menor
quando o corpo de prova está quasi-saturado e
Pode-se observar que no corpo de prova
quase-saturado, a variação de valores
encontrados foi muito menor que nos outros
ensaios, ou seja, os valores tendem a ser
praticamente constantes.
Em todos os ensaios realizados a
resistividade do solo aumenta conforme ampliase o índice de vazios no corpo de prova,
conforme demonstrou Boszczowski (2008) em
seus estudos.
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pode-se inferir que o valor apresenta-se
predominantemente constante.
Esses valores mostram a boa resposta do
equipamento e da instrumentação garantindo
sua utilização em laboratório.
5
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abu-Hassanein, Z. S., Benson, C. H., Blotz, L. R.–
Eletrical Resistiviy of Compacted Clays. Journal of
Geotechnical Engineereing, 122(5): 397- 406. 1996.
Archie, G. Electrical-Resistivity log as an aid in
determining some reservoir characteristics. Trans.
Am. Inst. Of Min. Engrg.146, 318-319. 1942.
Bolinelli Junior, H. L.; Peixoto, A. S. P.; Giacheti, H. L.;
Elis, V. R.; Hamada, J.; Mio, G. de; Cavaguchi, N.
(2002). Piezocone de Resistividade: Primeiros
resultados de sua Aplicação para Investigação
Geoambiental de um Aterro Sanitário, 10o.
Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e
Ambiental, Ouro Preto (MG).
Boszczowski, R. R.; Silva, J. M. (2008). Avaliação da
Resistividade Elétrica de um Perfil de Solo Residual
em Função do Intemperismo e Teor-de-umidade. In:
COBRAMSEG 2008. Buzios (RJ).
Mondelli, G.; Zuquete, L.V.; Giacheti, H. L.; Hamada, J.;
Elis, W. (2006). Considerações sobre a Implantação
de Sistemas de Monitoramento de Águas
Subterrâneas em Aterros de Resíduos Sólidos
Urbanos: Um Estudo de Caso. In: COBRAMSEG
2006. Curitiba (PR).
Pacheco, A.O. (2004). Ensaios com Cone Resistivo em
Solos Saturados. Dissertação de Mestrado em
Ciências, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, 151 p.
Peixoto, A.S.P; Pregnolato, M.C.; Silva, A.A.C.L.;
Yamasaki, M.T e Conte Junior, F. (2010).
Development of an electrical resistivity measure for
geotechnical and geoenvironmental characterization.
In: Second International Symposium on Cone
Penetration testing, CPT’10. USA. No prelo.
CONCLUSÕES
Os ensaios realizados com as placas permitiram
a obtenção da resistividade baseada na Teoria
de Ohm, possibilitando a comparação com os
resultados obtidos através dos mini-sensores e
também a avaliação da freqüência mais
adequada para os ensaios, ou seja, 1000Hz
conforme já descrito na literatura.
As diferenças dos resultados obtidos
através dos dois equipamentos no ramo seco da
curva de compactação demonstraram que para
solos não-saturados ambos os equipamentos não
atendem a sua necessidade, assim deve ser mais
bem estudada em pesquisas futuras com outro
dispositivo.
Por outro lado, de uma maneira geral, os
resultados obtidos nos ensaios no ramo quasisaturado
apresentaram
o
mesmo
comportamento esperado e encontrado na
literatura, dessa forma o mini-sensor responde
adequadamente aos ensaios. As correlações
com os índices físicos mostraram boa
concordância com que já se era esperado.
Em ensaios realizados no campo com o
RCPTU foram observadas mesmas dificuldades
aqui encontradas na camada não saturada.
A boa relação entre ρb/ρbsat e o grau de
saturação inicial do corpo-de-prova é um
indicativo de que estudos matemáticos
envolvendo mais solos argilosos podem levar a
um modelo da Lei de Archie para esse material.
AGRADECIMENTOS
As autoras agradecem a FAPESP pela bolsa de
Iniciação Científica e o Auxílio a Pesquisa que
visbilizou a construção do dispositivo de
resistividade elétrica.
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