Caracterização eletromagnética e geotécnica de um solo fino de Brasília

Abstract

Os métodos de investigação geotécnica, principalmente os métodos indiretos, têm evoluído bastante nas últimas décadas. A abundante energia eletromagnética tem sido aproveitada para aperfeiçoar alguns métodos geoelétricos já existentes. O Time Domain Reflectometry (TDR) e o Ground Penetrating Radar (GPR), por exemplo, são métodos geoelétricos não destrutivos muito comuns e muito utilizados na Geotecnia. Porém, as frequências usualmente utilizadas por estes métodos não são muito altas (abaixo de 2,00 GHz). Deste modo, suas resoluções são relativamente baixas, ou seja, o detalhamento das medições não é muito grande. Além disso, O TDR mede apenas a umidade volumétrica como parâmetro geotécnico e o GPR é usualmente empregado para detectar mudanças nas propriedades eletromagnéticas e seu uso é menos adequado para argilas, pois os sinais das ondas eletromagnéticas são atenuados e estas são mais expostas à absorção em superfícies argilosas. Assim, nesta pesquisa, fizeram-se experimentos com amostras de argila coletadas em Brasília (Distrito Federal) para relacionar suas propriedades eletromagnéticas (constantes dielétricas) com seus parâmetros geotécnicos (umidades volumétricas e índices de vazios). As constantes dielétricas das amostras (ε amostra) foram obtidas convertendo-se os parâmetros-S medidos por um analisador de rede vetorial e aplicando-se a técnica de transmissão/reflexão com o uso de guias de onda retangulares onde as amostras foram inseridas. As frequências médias utilizadas para essas medições foram de 1,50 GHz, 10,00 GHz e 20,00 GHz (maiores ou iguais aos valores máximos de frequência utilizados pelo TDR e GPR). Os valores da umidade volumétrica e do índice de vazios de cada amostra foram adquiridos previamente em laboratório. As constantes dielétricas teóricas (ε teórico) foram calculadas mediante esses parâmetros geotécnicos, cujos valores foram substituídos em um modelo de mistura volumétrica (modelo de propagação do tempo - TP) para encontra-las. Então, os valores de ε amostra e ε teórico foram comparados entre si para cada par de valores de umidade volumétrica e de índice de vazios, assim como para cada frequência utilizada. Os resultados comparados foram satisfatórios e, deste modo, foi possível iniciar a criação de um banco de dados para a porção de argila do solo no Brasil que associa diretamente a constante dielétrica deste material com parâmetros geotécnicos como umidade volumétrica e índice de vazios. E, a partir desses dois últimos, é possível obter praticamente todos os outros parâmetros geotécnicos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Methods of geotechnical investigation, mainly indirect methods, have been evolving significantly in recent decades. The abundant electromagnetic energy has been harnessed to improve some existing geoelectrical methods. The Time Domain Reflectometry (TDR) and the Ground Penetrating Radar (GPR), for example, are non-destructive geoelectrical methods very common and widely used in Geotechnique. However, the frequencies commonly used by these methods are not very high (bellow 2,00 GHz). Thus, its resolutions are relatively low, that is, the detailings of the measurements are not very good. In addition, TDR measures only the volumetric water content as a geotechnical parameter and GPR is usually employed to detect changes in electromagnetic properties and its use is less suitable for clays because the signals of electromagnetic waves are attenuated and these waves are more exposed to absorption on clay surfaces. Hence, in this research, experiments were made with clay samples collected in Brasilia (Distrito Federal) to relate their electromagnetic properties (dielectric constants) with their geotechnical parameters (volumetric water content and void ratio). The dielectric constants of the samples (ε sample) were obtained by converting the S-parameters measured by a Vector Network Analyzer (VNA) and by applying the ransmission/reflection technique with the use of rectangular waveguides where the samples were inserted. The medium frequencies used for the measurements were 1,50 GHz, 10,00 GHz and 20,00 GHz (greater than or equal to the maximum frequencies used by TDR and GPR). The values of volumetric water content and void ratio from each sample were previously acquired in the laboratory. The theoretical dielectric constants (ε theoretical) were calculated by these geotechnical parameters, whose values have been replaced in a volumetric mixture model (Time Propagation model – TP) to find ε theoretical. Then, the values of ε sample and ε theoretical were compared with each other for each pair of values of the volumetric water content and the void ratio, as well as for each frequency used. The compared results were satisfactory and, thus, it was possible to start a database creation for the clay portion of the soil in Brazil that directly associates the dielectric constant of this material with geotechnical parameters such as volumetric water content and void ratio. And, from the latter two, it’s possible to obtain practically all the other geotechnical parameters.