Masw passivas “Roadside”

A metodologia Sísmica “Roadside MASW” é finalizada ao estudo das características do subsolo ao longo de eixos de obras e traçados, inclusive em áreas fortemente urbanizadas e sujeitas a trânsito veicular elevado.
Os propósitos desta aplicação geofísica são:

• Detectar, por meio de levantamentos não destrutivos realizados na superfície, os principais rasgos geofísicos e geológicos do subsolo ao longo de traçados pré-determinados;
• Diferenciar os materiais do subsolo com base na velocidade sísmica das Ondas de Cisalhamento (Ondas “S”);
• Avaliar a espessura das camadas de cobertura (aterro superficial, solos de alteração de rocha e outros matérias de natureza variada) e definir profundidade e andamento do substrato rochoso (bedrock), onde presente, até uma profundidade de aprox. 40 m;
• Contribuir à definição do grau de fraturamento e de alteração do substrato.
• Restituir um perfil continuo das condições geológicas dos traçados.

Introdução

A “Roadside MASW” é uma técnica indireta de avaliação da densidade e do grau de compactação dos terrenos validamente aplicada em vários tipos de estudos geotécnicos para obter informações em formato 1D, 2D e até 3D do subsolo.

O método nasceu no final da década de 1990 e é atualmente aplicado com sucesso no mundo todo: quando corretamente aplicado, permite uma ótima descrição das características do subsolo e das suas geometrias utilizando fontes de energização de potência limitada.

A técnica contempla a utilização conjunta de duas metodologias, em grau de proporcionar todas as informações desejadas:

• Sísmica “MASW ATIVA”, efetuada com uso de uma fonte de energização representada por impacto de uma marreta ou pela queda de um peso (Figura 1);
• Sísmica “MASW PASSIVA”, onde a energia, em áreas urbanizadas, é proporcionada pelo próprio trânsito veicular das estadas e avenidas (Figura 2).

A Prova “MASW ATIVA”

Através da medida de ondas sísmicas geradas em superfície é possível calcular a variação com a profundidade da velocidade das Ondas de Cisalhamento (Ondas “S”). Esse valor é fundamental para chegar a calcular os parâmetros elásticos dos terrenos.

A “Vs” é um parâmetro diretamente relacionado com a compactação dos terrenos (stiffness), portanto é validamente utilizada também para estimar a capacidade de carga dos terrenos.

Com a MASW “Ativa” e com uso de 24 geofones equi-espaçados é possível alcançar uma profundidade de investigação em torno de 15-20 m: integrando essas medidas com a sísmica “Passiva” (descrita a continuação) é possível aprofundar a pesquisa até 40-50 m de profundidade.

 

A Prova “MASW PASSIVA”

O método “Passivo”, elaborado por Park e Miller em 2006, usa o mesmo dispositivo multicanal da MASW “Ativa”: 24 geofones equi-espaçados colocados em linha reta acima das calçadas ou no próprio pavimento viário, e usa como fonte de ondas superficiais o próprio trânsito veicular.

A aquisição dos dados é de tipo continuo (modalidade “roll-on”) para cobrir todo traçado de uma determinada obra: na prática, para evitar problemas de trânsito e para preservar os delicados cabos multipolares, a aquisição suspende-se em correspondência dos principais e mais movimentados cruzamentos de avenidas com ruas transversais, para ser retomada logo depois.

Providências a proteção do equipamento (cabo multipolar e geofones de medida) devem ser tomadas para não interromper as aquisições ao cruzar ruas menores e de pequeno trânsito.

 

A unidade de aquisição dos dados

Para registrar os impulsos sísmicos é utilizado o sismógrafo ABM BR-24, um equipamento eletrônico multicanal (24 canais em aquisição simultânea – Foto 1) com baixíssimo ruído interno, alta velocidade de amostragem e suporte magnético para o registro dos dados descrito na página “Os nossos equipamentos”.

A aquisição dos dados ocorre depois de adequadas verificações do correto funcionamento do equipamento e do circuito de “time-break” (“Tempo T0”). Os dados são gravados depois de oportuna amplificação, filtragem e conversão analógico/digital.

Dispositivo de recepção

Para registrar as vibrações do terreno são utilizados 24 geofones de tipo eletromagnético a bobina móvel de baixa frequência (4,5 Hz), os quais permitem converter em sinais elétricos os deslocamentos verificados no terreno (Foto 2).

Para permitir uma rápida movimentação dos sensores e, ao mesmo tempo, o melhor contato com o pavimento viário, os geofones são montados sobre chapas de ferro de 4,5 cm de espessura, a essas solidários, preparadas com um furo central para colocar os geofones verticalmente (Foto 3).

Estes receptores se conectam ao sismógrafo através de cabos multipolares de elevada isolação elétrica, fabricados com uma distância entre os contatos adequada à profundidade.

 

Dispositivo de energização

Para realizar os perfis sísmicos “Roadside MASW” é preciso dispor de uma fonte de energização de impulsos elásticos (ondas sísmicas) para as aquisições “Ativas”.

Em áreas urbanas pode ser utilizado um energizador mecânico de alta potência e eficiência, impulsado a elástico (Foto 4). O impulso do “disparo” é transmitido imediatamente ao sismógrafo, para permitir um registro sincronizado do “Tempo T0”.

O próprio trânsito veicular da cidade é logo utilizado para efetuar as aquisições “Passivas”: por este motivo o levantamento é realizado em período diurno.

Em áreas de grande trânsito a qualidade dos dados é geralmente superior devido à passagem de carros, caminhões, ônibus, etc., os quais constituem a fonte primaria da energização para essa técnica.

 

Procedimento operacional

Cada linha sísmica é realizada com um número variável de perfis 1D sucessivos e alinhados, realizados em sequência, conforme o esquema da Figura 3.

Os dados de campo são medidos através da geração de um trem de ondas superficiais a banda larga (ground roll) e do seu registro por meio de um sistema multicanal (24 canais).

A geometria base do tendido sísmico é deslocada, para cada energização, ao longo do eixo da obra a um “passo” constante de 5 ou 10 m. Os geofones são puxados por uma camionete mantendo a posição relativa entre eles (Fotos 5 até 8).

Fotos 5, 6 e 7 – Preparação de uma linha “Roadside MASW”

 

Foto 8 – Arranjo clássico de aquisição dos dados sísmicos

 

A cada “x” metros a camionete para, para permitir o registro dos dados. O sistema fica parado por aprox. 3 minutos (tempo necessários para realizar ambas as medidas “Ativa” e “Passiva” – Fotos 9, 10 e 11) e logo é movido por mais 5-10 m na direção de avance da linha para realizar a medida sucessiva.

Fotos 9, 10 e 11 – Medidas “Ativas” com energizador mecânico

 

Os cruzamentos pequenos são atravessados sem parar o trânsito das ruas laterais. Os carros podem passar acima do cabo, reduzindo a velocidade, entre um par de geofones, quando o sistema ficar parado, graças à adoção de um sistema de proteção dos cabos (Fotos 12 até 16).

Fotos 12 até 16 – Providências tomadas a proteção do equipamento em pontos críticos de cruzamento de carros

 

Com esse procedimento é possível registrar um perfil 1D a cada 10 m, a qual coisa representa um elevado número de pontos investigado, uma elevada precisão nas medidas e uma elevada qualidade da interpretação.

A partir desses dados e por meio de um apropriado método de interpolação são elaboradas as seções 2D de velocidade das Ondas “S” (superfície/profundidade), atribuindo, por convenção, a informação de cada perfil 1D ao ponto central de cada tendido de 24 canais.

Dessa forma, é possível efetuar uma análise combinada “ativa/passiva” das ondas sísmicas, com o proposito de obter, simultaneamente, informações superficiais (0-15 m) e mais profundas (15-40 m) da distribuição da “Vs” no subsolo (Figura 4).

Quando as duas imagens “Ativa” e “Passiva” são combinadas (procedimento de “stacking” vertical), as duas curvas geram uma única imagem que abrange o leque completo de frequências (tipicamente 6-50 Hz), assim como mostrado na Figura 4. As Figuras 5 e 6 mostram exemplos de sismogramas brutos comparados.

Figuras 5 e 6 –  Exemplos de sismogramas brutos comparados

 

O software de tratamento dos dados

O software de processamento dos dados (Surfseis) foi desenvolvido pelo Kansas Geological Survey (KGS) nos EU para o processamento simultâneo de sísmica “ativa” e “passiva”. O procedimento esquemático de tratamento dos dados mostra-se na Figura 7.

Preparação e tratamento preliminar dos dados brutos

• Elaboração da curva de dispersão (gráfico da velocidade de fase com relação à frequência) a partir dos dados brutos (uma curva para cada aquisição de 24 canais);
• Inversão numérica da curva de dispersão realizada iterativamente para obter o perfil vertical das “Vs” (perfil 1-D), o qual descreve a variação de “Vs” com a profundidade (um perfil 1D para cada aquisição de 24 canais).

Montagem dos sismogramas simples em sismogramas múltiplos

• Correlação entre perfis 1D sucessivos até elaborar uma seção continua de velocidade sísmica;
• Interpretação do modelo das velocidades baseado nos dados geológicos existentes, principalmente os logs das perfurações realizadas ao longo do traçado.

A Figura 8 ilustra também o procedimento de aquisição e processamento dos dados brutos, enquanto a Figura 9 mostra o procedimento de correlação entre perfis 1D para chegar a uma seção 2D interpolada das “Vs”.

Por fim, a Figura 10 mostra como é possível combinar entre si as duas curvas de dispersão obtidas com os dois métodos.

Resultados

Os resultados das seções sísmicas “Roadside MASW” se apresentam da seguinte forma:

• A figura em alto mostra o sismograma obtido depois do tratamento (Modelo das velocidades);
• A figura intermediaria mostra a distribuição do Módulo de Cisalhamento (“G”) ao longo da mesma seção;
• A figura abaixo apresenta o modelo geológico interpretativo 2D do terreno, calibrado em base aos resultados das perfurações realizadas.

 

Conclusões

A técnica sísmica “Roadside MASW” pode ser aplicada com uma elevada percentual de sucesso dentro de áreas fortemente urbanizadas.

Baseando-se no estudo de propagação das ondas elásticas no terreno, permite estudar a estratigrafia do subsolo com uma elevada definição, sendo que:

• Não é influenciada por tomadas elétricas a terra, presença de cabos eletrificados e/ou outros efeitos de indução eletromagnética, que são muito frequentes em áreas urbanas e que, por exemplo, inviabilizam quase sempre as aplicações geofísicas de tipo geoelétrico;
• Depende, para a sua aplicação do ruído ambiental veicular, o qual não falta nas metrópoles.

Trata-se, portanto, de uma excelente ferramenta que permite identificar a presença do substrato rochoso e de heterogeneidades no subsolo até uma profundidade entorno de 40-50 m.

As velocidades sísmicas das Ondas “S” (em m/s) das diferentes camadas estão indicadas, nas seções, por classes de velocidade.

Para uma correta e precisa determinação das velocidades sísmicas é necessário dispor de um espectro completo de frequências do sismograma:

•  As altas frequências são estudadas por meio da MASW “Ativa” (com energização manual), enquanto
•  As baixas frequências, relacionadas principalmente ao trânsito veicular, são utilizadas para estudar as porções mais profundas dos terrenos.

Um eventual N/A (nível d’água) não representa impedimento nenhum nessa tipologia de estudo enquanto as ondas de cisalhamento não são influenciadas ou modificadas pela presença de água. Isso represente uma ulterior vantagem na aplicação dessa metodologia geofísica: o mesmo material apresenta a mesma velocidade em presença e/ou em ausência de água.

O grau de precisão e confiança na interpretação das seções depende da disponibilidade de dados geológicos do subsolo (perfurações rotativas), que permitam a calibração dos modelos de velocidade e a correta atribuição das velocidades dos sismogramas.

A correspondência entre os resultados geofísicos e a geologia local deve ser realizada analisando as estratigrafias de sondagens realizadas ao longo dos traçados: os “logs” são de fundamental importância no processo de calibração dos modelos sísmicos interpretativos para a correta atribuição das camadas geo-litológicas identificadas nos sismogramas.

Em ausência de perfurações, a técnica pode deixar indeterminações relativamente à atribuição geológica das unidades, mesmo garantindo uma boa precisão na reconstrução geométrica dos modelos de velocidade dos terrenos.