Método Geofísico de sondagem GPR -

7/21/2019 Mtodo Geofsico de sondagem GPR -

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So Paulo, UNESP, Geocinc ias, v. 22, N. Especi al, p. 75-81, 2003 75

UTILIZAO DE RADAR DE PENETRAO NO SOLO NA DETECODE ESTRUTURAS ARTIFICIAIS RASAS NO SOLO

Joo Carlos DOURADO, CHANG Hung Kiang,Walter MALAGUTTI FILHO, Antonio Celso de Oliveira BRAGA

Departamento de Geologia Aplicada, Instituto de Geocincias e Cincias Exatas, UNESP.Avenida 24-A, 1515 - Bela Vista. Caixa Postal 178. CEP 13506-900. Rio Claro, SP.

IntroduoMetodologiaCaractersticas do Local dos EnsaiosEnsaios RealizadosProcessamentoDiscusso dos Resultados

Escolha da AntenaAnlise dos Radargramas em TempoRadargramas em Profundidade

ConclusesReferncias Bibliogrficas

RESUMO:O ensaio de radar de penetrao nos solos (GPR) foi utilizado para imagear estruturas artificiais (valas) escavadas. Estas valasforam construdas dentro do Projeto Biomarcadores, com a finalidade de formar canteiros onde seriam injetados agentes contaminantes.O objetivo principal do ensaio foi o de avaliar o uso do GPR para obter uma boa resposta nos experimentos a serem realizadas no localdo projeto. Os radargramas obtidos no ensaio permitem concluir que o GPR produziu excelentes resultados para aquelas condies e que

pode ser til em diversas reas de aplicao, tais como: geologia de engenharia e ambiental, geofsica forense e arqueologia.Palavras-chave:Radar de Penetrao no Solo (GPR); escavaes superficiais; deteco de tubos enterrados.

ABSTRACT: J.C. Dourado, Chang, H.K., W. Malagutti Filho, A.C. de O. Braga - Ground Penetrating Radar for the detection ofartificially excavated structures. Ground penetrating radar (GPR) survey was used to image artificially excavated structures (trenches).These trenches were constructed as part of a Biomarker Project, where contaminant fluids were to be disposed. The main objective of thesurvey was to evaluate the potential use of the GPR under the specified conditions of the experiment. The excellent radar images obtainedfrom the survey confirmed the potential use of GPR not only for the experiment but for other applications in areas such as engineeringgeology, forensic geophysics and archeology.Keywords:Ground Penetrating Radar (GPR); surface excavation; detection of trenches.

INTRODUO

A tcnica GPR (Ground Penetrating Radar)teve seu incio de aplicao no Brasil no comeo dadcada de 90 (Porsani, 1999). Este incio causou

bastante expectativa na comunidade geocientficabrasileira, pois se vislumbrava uma tcnica com um poderde resoluo muito grande, aliada rapidez e facilidadede aquisio de dados. Porm, como toda tcnica deinvestigao, o GPR possui grandes vantagens e sriaslimitaes e, portanto, deve-se sempre que possvel

publicar os resultados dos trabalhos executados.Em condies geolgicas e geofsicas favorveis,

isto , locais que possuam rochas com resistividadeseltricas altas, o GPR tem se mostrado uma tcnicarealmente eficaz, como mostra o trabalho de Douradoet al. (2001).

Em locais onde as condies geolgicas eambientais no so muito favorveis, como aquelaslocalizadas em ambientes urbanos com solo argilosode baixa resistividade eltrica, como o da Cidade deSo Paulo (Prado, 2000), os ensaios com GPR podemapresentar resultados ruidosos e, deste modo, a inter-

pretao deve ser muito cuidadosa e sempre que poss-

vel acompanhada de dados de outros ensaios geofsicosou de investigao direta.

Neste trabalho, realizado em 1999, o Laboratriode Geofsica Aplicada do Departamento de GeologiaAplicada (DGA) do Instituto de Geocincias e CinciasExatas da UNESP Campus Rio Claro, fez umlevantamento de campo em uma rea no bairro Betel,na cidade de Campinas, onde o Projeto Biomarcadoresestava em fase de implantao.

Este projeto, que est sendo executado emparceria pela PETROBRS, UNICAMP, USP e INPE,

tem por objetivo o estudo dos efeitos de contaminantesde hidrocarbonetos na vegetao e a possibilidade dese detectar esses efeitos atravs de sensoriamentoremoto com as anlises de imagens de satlite.

O levantamento realizado teve por objetivo avaliara aplicabilidade da tcnica do radar de penetrao nosolo na deteco de estruturas construdas na rea deestudo, como por exemplo, a delimitao dos canteirose a tubulao de PVC que foi enterrada para serutilizada na infiltrao e no monitoramento dos conta-minantes.


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METODOLOGIA

A tcnica GPR (Ground Penetrating Radar) ouRadar de Penetrao no Solo ou Georadar - utilizaondas eletromagnticas de altas freqncias (ondas derdio), na faixa de 10 a 1000 MHz (Annan, 1992), paraestudo de estruturas subsuperficiais.

Um pulso de energia de alta freqncia irradiadopara o subsolo por intermdio de uma antena

transmissora, sofrendo reflexes, refraes e difraes,sendo ento parcialmente captado por uma antenareceptora, como mostra a Figura 1A.

O sinal recebido amplificado, digitalizado,visualizado e armazenado, podendo ser processado emuma etapa posterior. Os dados so apresentados na formade sees semelhantes quelas de reflexo ssmica.Cada posio de medida em superfcie corresponde aum trao que representa o tempo duplo de percurso dosinal refletido, refratado ou difratado em descon-tinuidades presentes no subsolo. A rapidez com que aaquisio dos dados realizada possibilita a coleta deum grande nmero de traos que produzem uma seode alta definio denominada radargrama (Figura 1B).

A partir do radargrama obtm-se os tempos dasondas refletidas e, desta maneira, as profundidades dosrefletores podem ser determinadas, se forem conhe-cidas as velocidades de propagao da onda no meio.A freqncia de operao escolhida de forma afornecer a relao mais vantajosa entre penetrao eresoluo. As antenas com freqncias mais altas

produzem um radargrama de alta resoluo, pormbaixa penetrao, enquanto as com freqncia mais

baixas possuem maior penetrao, porm geramradargramas de menor resoluo.O sistema GPR pode operar com diversos valores

de freqncias e, em geral, tanto o mdulo transmissorcomo o receptor podem ser usados com um variadoconjunto de antenas, cada qual correspondendo a umdeterminado valor de freqncia. A escolha de qual

FIGURA 1. A- Esquema de execuo do ensaio GPR, onde tx a antena transmissora, rx antena receptora, S espaamento(offset) entre as antenas e X a distncia entre os pontos deamostragem em superfcie. B - Registro (radargrama) obtidodo modelo acima (modificado de Davis & Annan, 1989).

antena utilizar, alm dos aspectos da relao resoluo/profundidade, dever levar em considerao aspectosoperacionais importantes, tais como o acesso reado levantamento e as condies locais existentes, poiso tamanho de uma antena varia muito de acordo coma sua freqncia.

CARACTERSTICAS DO LOCAL DOS ENSAIOS

O local dos ensaios est situado no Bairro Betel,

municpio de Campinas, na borda da Bacia Sedimentardo Paran, onde ocorre um sillde diabsio.O solo observado na regio residual, gerado a

partir da decomposio do diabsio, e pode serclassificado, segundo Prado (1997), como LatossoloRoxo ou Vermelho Escuro.

Para a realizao do projeto citado na introduodeste trabalho, foram construdos quatro canteiros(Figura 2). Estes canteiros possuem aproximadamente60 m de comprimento por 5 m de largura e profundidadeem torno de 2 m, onde seriam plantados vrios tipos de

vegetais. Em trs canteiros o solo foi contaminado com

diferentes tipos de hidrocarboneto, enquanto o quartocanteiro ficou sem contaminao. Este procedimentoteve por objetivo comparar os possveis efeitos entreos diferentes agentes poluidores na vegetao etambm entre solos contaminados e sem contaminao.

Os canteiros foram preparados de acordo com aseguinte seqncia: abertura de uma cava com a remoo do solo

superficial; colocao de um fundo impermevel na cava (lona

plstica);


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FIGURA 2.Croquis de localizao das linhas ensaiadas com o GPR.

preenchimento da cava com solo removido naprimeira etapa, juntamente com a implantao desistema de tubos de PVC.O sistema de tubos foi construdo com a finalidade

de monitorar e injetar os fluidos contaminantes dire-tamente no solo, em profundidades controladas. NaFigura 2 possvel ver, em planta, a localizao daboca destes tubos que afloram na superfcie. Os tubos

ENSAIOS REALIZADOS

Foram realizados ensaios nos trs canteiros quereceberiam os produtos contaminantes. Nestescanteiros, que correspondem s valas 2, 3 e 4, foramfeitas seis linhas longitudinais, denominadas de V2D,V2E, V3D, V3E, V4D e V4E. Alm destas, foiexecutada uma linha transversal cortando os quatrocanteiros. Essa linha recebeu a denominao de T1(Figura 2).

Em cada linha ensaiada foram utilizados doisconjuntos de antenas: 200 MHz e 400MHz, com o

objetivo de determinar qual a melhor antena a serutilizada na rea.

O espaamento utilizado entre a antena trans-missora e a receptora foi de 0,60 m, e o intervalo entre

os pontos de aquisio foi de 0,20 m. Para a antenade 400 MHz utilizou-se uma freqncia de amos-tragem de 4.417 MHz, sendo que cada trao foidigitalizado com 512 amostras em uma janela detempo de 116 ns (nanossegundos). Cada trao foiempilhado 128 vezes. Na configurao da antena de200 MHz a freqncia de amostragem ficou esta-

belecida em 2.041MHz e a digitalizao das 512amostras dos traos foram feitas em janela de tempode 248 ns. Para estas antenas foi feito um empi-

lhamento idntico ao da antena de 400 MHz.Na Vala 2 foi realizado um ensaio CMP (Common

Mid Point) com a finalidade de determinar a velocidadede propagao das ondas eletromagnticas no solo.

PROCESSAMENTO

de injeo encontram-se na borda das cavas, enquantoque os de monitoramento encontram-se no meio doscanteiros.

A colocao de um solo sobre um fundo imper-mevel teve por finalidade evitar que os agentescontaminantes se infiltrassem sem controle, causandoimpactos ambientais indesejveis no solo e no aqferoda regio.

Os radargramas foram processados com osoftwareGradix da Interpex Limited e o procedimentoadotado teve como princpio preservar, o mximo

possvel, as feies dos traos. Para tanto foi realizadoum processamento bsico, executado de acordo comos seguintes passos:


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FIGURA 3. Radargrama do ensaio CMP. Notar a presenada hiprbole bem definida a partir de 60 ns (nanossegundos).A velocidade obtida, atravs da hiprbole de 0,091 m/ns.

DISCUSSO DOS RESULTADOS

ESCOLHADAANTENA

A anlise dos radargramas obtidos permitiu, emprimeiro lugar, determinar qual o tipo de antena queproduz uma melhor imagem da subsuperfcie alvo.

Comparando-se os dois radargramas de umamesma linha (V2D) (Figuras 4 e 5), percebe-se que aimagem obtida com a antena 200 MHz apresenta-se

mais ntida, em funo do fato de que no radargramaobtido com a antena de 400 MHz existe a presena deum forte rudo causado pela reverberao do sinal nasantenas (ringing). Este rudo est relacionado com otipo de solo e o comprimento de onda utilizado.Portanto, para o tipo de solo da rea estudada, estaantena no produz bons resultados, apesar da maiorresoluo obtida com sua utilizao.

FIGURA 4.Radargrama da Vala 2 obtido na Linha V2D com antena de 200 MHz. Notar que a vala est bem caracterizada, comseu fundo bem caracterizado, em torno 50 ns (nanossegundos). Neste radargrama no foi feito o ajuste do tempo zero.

Ganho: foi aplicado um ganho, visando compensara perda da amplitude devido divergncia esfricae a atenuao. Foi escolhida a funo de ganhoque obedece a formulao da Equao 1:

g (t) = Vte (Vt) (1),

onde: g o ganho em funo do tempo t, V avelocidade de propagao da onda eletromagntica nomeio, e constante de atenuao e t tempo de

propagao da onda. Ajuste do tempo zero (set time zero): antes de seconverter os radargramas em profundidade foifeito o ajuste do tempo zero em funo da chegadada onda area.

Converso tempo-profundidade: foi utilizada avelocidade de propagao de 0,091 m/ns, obtidaatravs do ensaio CMP, cujo radargrama mostrado na Figura 3. Esta velocidade foi obtida

pelo ajuste da hiprbole indicada atravs de umafuno existente no programa utilizado. Estahiprbole formada pelas reflexes da onda

eletromagntica no fundo Vala 2.Aps o processamento, os radargramas foram

construdos de maneira a realar a visualizao dasestruturas presentes nas valas. Desta maneira, optou-

se em plotar os traos na forma de densidade varivelem escala de cinza.


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FIGURA 5. Radargrama obtido no mesmo local do radargrama da Figura 4, utilizando-se a antena de 400 MHz. Notar apresena de um forte rudo que mascara o sinal das ondas refletidas nas estruturas da vala. Neste radargrama no foi feitoo ajuste do tempo zero.

ANLISEDOSRADARGRAMASEMTEMPO

Aps a escolha da antena, foi feita uma anlisegeral de todos os radargramas (em tempo) obtidos narea. De modo geral, todos os radargramas obtidoscom a antena de 200 MHz apresentam bons resultados,mostrando imagens bem definidas da cava. Em algunsdeles foi possvel identificar a tubulao subsuperficial

de PVC, atravs da presena de pequenas feieshiperblicas, formadas pela difrao das ondas eletro-magnticas nestes materiais, que podem ser consi-derados pontuais na escala dos ensaios. Dentre estesradargramas destaca-se para este trabalho os registrosda linha T1 (linha transversal aos canteiros) e da linhaV3E, apresentados nas Figuras 6 e 7, respectivamente.

FIGURA 7. Radargrama obtidona Linha V3E da Vala 3. Esteradargrama traz muito bem defi-nido os contornos da vala. Notartambm a presena de pequenashiprboles alinhadas e que estoapontadas na figura. Estas hipr-boles representam as difraessofridas pelas ondas eletromagn-ticas no tubo de PVC de 1/2.

FIGURA 6. Radargrama da Linha T1,transversal s valas. Notar a boa defi-nio das escavaes.


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CONCLUSES

Os resultados obtidos neste trabalho mostram que,para as condies do local ensaiado, o GPR umatcnica muito eficiente para deteco de escavaesrasas. Ressalta-se que o solo de diabsio, que constituios canteiros citados, encontrava-se superficialmenteseco no perodo do ensaio.

As reflexes obtidas no fundo das valas foram,provavelmente, causadas por guas de chuvas que seinfiltraram e se acumularam sobre o materialimpermevel que reveste a vala. A presena da guaem um solo de diabsio causa dois efeitos queinterferem diretamente na propagao das ondaseletromagnticas: grande diminuio na resistividade eltrica do

material, tendo em vista que os solos de diabsioso muito argilosos;

aumenta a constante dieltrica do solo.O contraste entre a constante dieltrica do soloseco e do solo mido vai transformar a interface entreestes dois materiais em uma tima superfcie refletora,

enquanto a baixa resistividade eltrica do solo com guavai causar uma maior dissipao da energia eletro-magntica, bloqueando praticamente a propagao dasondas para profundidades maiores. Por este motivono se visualiza interfaces abaixo do fundo da vala.

Dentre as diversas reas de aplicaes, onde estetipo estrutura de escavao pode ocorrer, esto aGeologia Ambiental - na deteco de material enterrado(lixo, rejeitos industriais, tambores etc.), a Geologia deEngenharia - na deteco de interferncias subsu-

perficiais, como por exemplo, tubulaes de gua eesgoto, fiao subterrnea etc., na Geofsica Forensee na Arqueologia - onde o GPR pode ser til nalocalizao de alicerces, construes subterrneas ousoterradas e mesmo na localizao de corpos.

Ressalta-se ainda que, devido grande diversidade

de tipos de solos e de condies de ensaios, umacampanha de GPR deve sempre ser iniciada com testesbsicos para se certificar da aplicabilidade da tcnicapara determinada situao.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. ANNAN, A.P. Ground Penetrating Radar Workshop Notes .Sensors e Software, Inc., Internal Report, 1992, 130 p.

2. DAVIS, J.L. & ANNAN, A.P. Ground-penetrating radar forhigh-resolution mapping of soil and rock stratigraphy.

RADARGRAMASEMPROFUNDIDADE

Posteriormente, os radargramas foram trans-formados em profundidade, conforme procedimentodescrito no item anterior. apresentada na Figura 8 aseo em profundidade da Linha V4E.

FIGURA 8. Radargrama em profundidade da Linha V4E da Vala 4. As profundidades da vala, mostradas na seo, situam-seprximas dos 2 m.

As variaes existentes nas profundidades obtidasdevem estar relacionadas com a distribuio nouniforme da umidade que se acumulou na base daescavao, impermeabilizada com plstico, e pela

prpria desestruturao do solo durante as escavaes.

Geophysical Prospecting, v. 37, n. 5, p. 531-551, 1989.3. DOURADO, J.C.; MALAGUTTI FILHO, W.; BRAGA,

A.C.O.; NAVA, N. Deteco de cavidades utilizandogravimetria, eletrorresistividade e GPR. Revista Brasileira


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de Geofsica, v. 19, n. 1, p. 19-32, 2001.4. PORSANI, J.L. Ground Penetrating Radar (GPR): proposta

metodolgica de emprego em estudos geolgicos-geotcnicos nas regies de Rio Claro e Descalvado - SP. RioClaro, 1999. 145 p. Tese (Doutorado em Geocincias) - Institutode Geocincias e Cincias Exatas, Universidade Estadual Paulista.

5. PRADO, H. Os solos do Estado de So Paulo: mapas

pedolgicos. Piracicaba: EMBRAPA, 1997, 205 p.6. PRADO, R.L. A ssmica de reflexo rasa e o radar de

penetrao no solo na investigao geolgico-geotcnicaem ambientes urbanos. Um estudo na cidade de So Paulo- SP, Brasil. Rio Claro, 2000. 174 p. Tese (Doutorado emGeocincias) - Instituto de Geocincias e Cincias Exatas,Universidade Estadual Paulista.

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