APLICAÇÃO DE GEO-RADAR EM INVESTIGAÇÃO DE PAVIMENTOS

RODOVIÁRIOS: ESTUDO DE CASOS EM ESTRUTURAÇÃO

ESTRATIGRÁFICA E EM DEGRADAÇÃO

Adelir J. Strieder – LPM – Departamento de Engenharia de Minas – PPGEM – EE – UFRGS – e-mail:

adelir@lapes.ufrgs.br

Fernando Pugliero Gonçalves - LAPAV – Departamento de Engenharia Civil – CPGEC – EE – UFRGS

Paulo Salvadoretti – LPM – Departamento de Engenharia de Minas – PPGEM – EE – UFRGS

Jorge Augusto Pereira Ceratti - LAPAV – Departamento de Engenharia Civil – CPGEC – EE – UFRGS

Sérgio L. Klein – LPM – Departamento de Engenharia de Minas – PPGEM – EE – UFRGS

Ângelo M. Hirakata - LAPAV – Departamento de Engenharia Civil – CPGEC – EE – UFRGS

RESUMO

A avaliação das condições estruturais de pavimentos através de métodos não-destrutivos

constitui um dos principais elementos para subsidiar a aplicação de métodos destrutivos, com

vistas à elaboração de projetos de restauração de pavimentos rodoviários. A aplicação do Geo-

radar como um ensaio não-destrutivo tem permitido a investigação da estratigrafia, espessura e

condições de sanidade dessas estruturas. Resultados obtidos nos levantamentos efetuados

apontam para a possibilidade de se complementar a metodologia para avaliação de pavimentos

atualmente disponível no Brasil através do uso do Geo-radar. Além disso, a viabilidade técnico-

econômica de utilização do Geo-radar mostra-se compatível com a realidade dos órgãos

rodoviários brasileiros.

ABSTRACT

The evaluation of the structural features of road pavements by non-destructive methods

gives rise to the most important elements to suport the aplication of destructive methods, aiming

the road pavements rehabilitation projects. The use of the Geo-radar as a non-destructive essay

has enabled the investigation of the pavements stratigraphy, thickness and the conditions of

degradation of these structures. The results point that it is a very important technique to complete

and to improve the pavements evaluation in Brasil. Otherwise, the technical and economic

feasibility shows that the Geo-radar technique is compatible with the brasillian road

administration agencies.

2

INTRODUÇÃO

A identificação da condição estrutural de um pavimento é efetuada por meio de avaliações

destrutivas e não-destrutivas. A avaliação destrutiva consiste na abertura de poços de sondagem

para a identificação da natureza e das espessuras dos materiais das camadas do pavimento, bem

como da coleta de amostras destinadas a ensaios de laboratório. A avaliação não-destrutiva, por

outro lado, consiste no registro de defeitos da superfície e na realização de provas-de-carga, onde

são medidos os parâmetros de resposta da estrutura ao tráfego. O deslocamento vertical da

superfície é o parâmetro de resposta cuja medida é mais simples e confiável, em comparação com

tensões ou deformações, razão pela qual a quase totalidade dos equipamentos para ensaios não

destrutivos são deflectômetros.

O conhecimento detalhado dos materiais constituintes dos pavimentos e das condições em

que se encontram são informações fundamentais para o gerenciamento das rodovias. No Brasil, no

entanto, essas informações são freqüentemente desconhecidas ou incompletas. A maior

preocupação dos projetistas e dos técnicos responsáveis pela Gerência da Manutenção dos

Pavimentos é o fato de não se dispor de informações confiáveis acerca do histórico dos pavimentos

(idade, espessura das camadas, intervenções realizadas, tipo e condições dos materiais constituintes,

etc.). Como uma maneira alternativa de avaliação qualitativa e quantitativa da estrutura e da

espessura de pavimentos rodoviários, o Geo-radar (GPR - Ground-penetrating radar) tem sido

usado para obter dados contínuos e não destrutivos, relacionados às rodovias (Roddis et al., 1992;

Maser & Scullion, 1992; Maser et al., 1994; Rmeili & Scullion, 1997; Scullion & Saarenketo,

1997).

O objetivo desse artigo é apresentar experiências e levantamentos realizados pelo grupo de

pesquisadores da Escola de Engenharia da UFRGS, com a aplicação do Geo-radar para a

investigação da estratigrafia de pavimentos rodoviários. As experiências e testes foram realizados

em ambiente controlado na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos - UFRGS/DAER localizada

no Campus do Vale da UFRGS. Os levantamentos de pista foram realizados na BR-101 e na Ponte

Rio-Niterói.

HISTÓRICO DA APLICAÇÃO DO GEO-RADAR EM PAVIMENTOS

RODOVIÁRIOS

O procedimento usual para a avaliação de pavimentos consiste, inicialmente, na realização

de ensaios não-destrutivos, como os levantamentos deflectométricos e o registro de defeitos de

superfície. De posse desses dados, são definidos os subtrechos homogêneos e os locais onde serão

3

realizados os ensaios destrutivos, como sondagem e amostragem de material das camadas

constituintes para ensaios de laboratório. O procedimento, usual em algumas normas, de se realizar

avaliações destrutivas a intervalos pré-fixados (1 ou 2 km) leva a um esforço desnecessário e pouco

eficaz em termos de consumo de tempo e de recursos, uma vez que fornece informações apenas do

ponto de onde a amostra foi removida, sem que se tenha uma noção da abrangência lateral dos

parâmetros obtidos pela análise.

O Geo-radar constitui um dispositivo geofísico importantíssimo para a avaliação não-

destrutiva da estrutura estratigráfica de pavimentos. Na medida em que o dispositivo Geo-radar

pode fornecer uma imagem 2D contínua ao longo do eixo de uma rodovia, ele permite uma

determinação mais precisa dos subtrechos estruturais homogêneos. Dessa forma, o esforço

dispendido nas avaliações destrutivas poderá ser significativamente menor, pois os dados dos

ensaios não-destrutivos importarão maior acurácia e confiabilidade sobre a estrutura dos

pavimentos.

O Geo-radar, como apontado por Sauck (1997), vem sendo utilizado em vários campos

da engenharia (p.ex.: investigação de tubulação soterrada, estudos de barragens e perfis

estratigráficos, identificação do nível do lençol freático, caracterização de zonas fraturadas em

maciços rochosos). No caso da engenharia de pavimentos, a sua aplicação abrange atualmente

domínios específicos como:

1) Identificação das espessuras das camadas do pavimento;

2) Verificação das condições dos materiais das camadas (p.ex.: desagregação);

3) Investigação da presença de vazios sob placas de concreto cimento.

Diversos estudos realizados nos últimos anos demonstram o potencial do Geo-radar como

ferramenta auxiliar às atividades de gerência dos pavimentos (Uddin & Hudson, 1994; Maser et

al., 1994; Mescher et al., 1996; NCHRP synthesis 255, 1998). Maser & Scullion (1992) e Maser

et al. (1994) mostram a possibilidade de utilizá-lo para identificação das espessuras das camadas

do pavimento. O trabalho apresentado por Maser et al. (1994) ainda inclui a avaliação dos

resultados obtidos com o Geo-radar e da metodologia de interpretação adotada em 46 diferentes

seções de pavimentos localizadas em 12 estados americanos. Nessa pesquisa, os resultados

obtidos com o Geo-radar foram correlacionados com os resultados da extração de corpos de

prova e mostraram uma acuracidade de ±7,5 % para camadas de revestimento asfáltico e de ±12

% para as camadas granulares de base.

Rmeili & Scullion (1997) apresentaram um extenso estudo acerca da confiabilidade e da

precisão do Geo-radar para auxiliar na caracterização das condições oferecidas pelas camadas de

revestimento asfáltico. Nesse trabalho, também foram comparados os resultados obtidos a partir

4

da interpretação dos levantamentos com o Geo-radar e aqueles fornecidos a partir de corpos de

prova extraídos do pavimento. Uddin & Hudson (1994) também realizaram pesquisas com o

propósito de avaliar o potencial dos equipamentos de Geo-radar disponíveis à época para a

identificação da presença de vazios sob placas de concreto cimento. Os resultados práticos

obtidos indicam que o Geo-radar demonstrou ser bastante promissor para sua utilização como

ferramenta auxiliar em Sistemas de Gerência de Pavimentos. Por fim, Mescher et al. (1996)

analisam o desempenho e as vantagens oferecidas por um equipamento concebido

exclusivamente para utilização em estruturas de pavimentos; a sua configuração inclui o uso de

uma antena transmissora e de duas antenas receptoras. De acordo com esses autores, as

inovações de hardware e software implementadas permitem a obtenção de excelentes resultados.

Além disso, o equipamento possibilita a utilização de antenas com freqüência de até 2.5 GHz.

Com relação à aplicação de equipamentos de Geo-radar na área de engenharia de

pavimentos, deve-se ainda destacar o trabalho apresentado pelo Transportation Research Board

(NCHRP, synthesis 255, 1998), que inclui uma extensa bibliografia acerca do assunto e descreve

o estado atual de utilização do Geo-radar nos meios rodoviários americano e canadense.

FUNDAMENTOS DA AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS COM GEO-RADAR

O Geo-radar baseia-se na reflexão de ondas eletromagnéticas (EM) na interface entre as

diferentes camadas que compõe o subsolo, ocasionada por variações na impedância elétrica das

camadas constituintes dos pavimentos. A reflexão da onda EM depende fundamentalmente do

contraste de impedância elétrica na interface entre os dois meios. Para a faixa de freqüência

utilizada e a impedância dos materiais que compõe os pavimentos, a amplitude da onda de radar

refletida na interface está relacionada, basicamente, com as constantes dielétricas dos dois

materiais; essa relação é conhecida como coeficiente de reflexão (ρ) e, para o caso da onda plana

incidindo perpendicularmente sobre a interface de dois meios semi-infinitos, pode ser expressa

da seguinte forma:

21

21

ε+εεε

=ρ-

(1)

onde, ε1 = constante dielétrica (permissividade) do meio 1

ε2 = constante dielétrica (permissividade) do meio 2

5

A determinação das espessuras das camadas do pavimento pode ser feita a partir da

amplitude e do tempo correspondentes ao pico das reflexões que ocorrem nas interfaces

existentes entre as camadas (Figura 1). De modo geral, considerado um meio estratificado em que

as camadas apresentam-se praticamente horizontalizadas, a profundidade na qual se encontra uma

interface de separação entre duas camadas de propriedades elétricas distintas pode ser obtida,

aproximadamente, pela seguinte expressão:

onde, hi = profundidade da interface que limita a camada i ;

i = índice da interface;

k = número de interfaces;

vi = velocidade de propagação da onda eletromagnética na camada i;

∆ti = intervalo de tempo decorrido entre a chegada da onda refletida na interface i

e na interface i -1.

Na expressão acima, os valores ∆ti são obtidos diretamente dos perfis de Geo-radar,

enquanto que as velocidades (vi ) de propagação de onda em cada meio podem ser estimadas

diretamente, a partir da determinação de εr (permissividade relativa do meio) via coleta de

amostras e análises de laboratório, ou indiretamente, utilizando o próprio Geo-radar. Nesse

último caso, diferentes metodologias podem ser aplicadas (Fruhwirth & Schmöller, 1996), entre

elas a técnica de CMP(Common Mid Point).

Quando εr é determinada em laboratório, o que implica em amostragens de campo

(ensaios destrutivos), pode-se derivar a velocidade de propagação de onda no meio utilizando a

relação:

)3(cvrε

=

onde, c = velocidade da luz no vácuo e

εr = permissividade elétrica relativa do meio.

Na técnica de CMP, o Geo-radar é utilizado para obter uma estimativa localizada das

)2(2tvh i

k

1iii∆= ∑

=

6

velocidades de propagação de onda nas camadas em sub-superfície. Na execução do CMP, varia-

se o espaçamento entre as antenas transmissora e receptora, determinando-se o tempo de

propagação da onda EM correspondente a cada espaçamento (Figura 2). A partir da relação entre

o tempo de propagação e o espaçamento, é possível estimar a velocidade de propagação da onda

na(s) camada(s).

O método CMP fornece estimativas das velocidades de propagação de onda válidas

apenas para o local do terreno onde está sendo efetuado o experimento. Assim, é importante que

o método seja aplicado várias vezes ao longo dos perfis contínuos de GEO-RADAR, para

capturar variações de velocidades de propagação nas camadas que podem ocorrer entre os

diferentes locais de interesse no levantamento geofísico. Os resultados dos ensaios CMP podem

ser seguramente extrapolados ao longo do eixos das rodovias, na medida em que as imagens 2D

contínuas identificam os subtrechos estruturais homogêneos. No entanto, a experiência tem

demonstrado que é importante associar às medidas de CMP, os resultados de sondagens, os quais

auxiliam na identificação dos refletores (interfaces entre camadas do pavimento) de interesse.

A utilização de ensaios CMP é compatível com os procedimentos sugeridos nas

recomendações da ASTM (Anon., 1995), de modo que vários ensaios não-destrutivos (CMPs)

podem ser associados às sondagens e aos perfis contínuos. A realização de ensaios CMP nos

locais exatos das sondagens de reconhecimento possibilita a análise precisa dos refletores que

estão sendo "imageados" ao longo dos perfis de levantamento contínuo. Essa análise é de

fundamental importância, uma vez que materiais de diferente constituição (p.ex.: base granular

com diferentes granulometrias; CBUQ de diferentes "idades") podem não apresentar diferenças

significativas de impedância elétrica para representarem uma interface refletora.

DESCRIÇÃO DOS LEVANTAMENTOS

Os levantamentos efetuados com o Geo-radar foram realizados por meio de caminhamento

na Pista Experimental (Foto 1a), com o objetivo de buscar a máxima resolução possível. O

espaçamento das amostras (pulsos de ondas EM) nos levantamentos por caminhamento foi de 1 cm.

Para os levantamentos em rodovia, foi construído um reboque dirigível (Foto 1b) acoplado a um

veículo, o que permitiu velocidades de até 15 km/h durante os levantamentos. O espaçamento das

amostras nos levantamentos de rodovia foi de 1 m.

A freqüência da onda EM utilizada foi de 1.000 MHz. Essa freqüência, considerando uma

velocidade média de propagação de 100 m/µs, define um comprimento de onda de

aproximadamente 10 cm e uma resolução teórica de até 2,5 cm (1/4 do comprimento de onda).

A profundidade de investigação, para os parâmetros citados, atingiu pouco menos de 1 m de

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profundidade, o que garantiu uma boa discriminação e individualização da camada de CBUQ e

da base granular.

ALGUNS RESULTADOS OBTIDOS

Os resultados obtidos com o Geo-radar estão relacionados com a estruturação estratigráfica

e a espessura das camadas constituintes dos pavimentos de rodovias. O radargrama da Figura 3

constitui um bom exemplo desse tipo de investigação. Na Figura 3, pode-se perceber que a interface

refletora entre a camada superior de CBUQ e a base granular está variavelmente posicionada entre

0,15 e 0,18 m de profundidade; a camada superior de CBUQ apresenta uma estrutura

aproximadamente homogênea ao longo do perfil. A interface refletora entre a base granular e a

camada inferior apresenta espessura bastante variável ao longo do perfil: no início do perfil, está

posicionada em 38 cm, aproximando-se continuamente da superfície até 28 cm a 160 m do início do

perfil e aprofundando-se suavemente até 35 cm em direção ao final do perfil.

Outra situação, ilustrada na Figura 4 também permite identificar diferenças de estrutura de

pavimentos. Esse levantamento foi realizado perpendicularmente ao eixo da pista, com o objetivo

de avaliar a resposta do dispositivo Geo-radar frente a diferentes pavimentos que constituem a pista

(pavimentos flexível e rígido). Nesse sentido, a diferença de padrão de resposta entre os pavimentos

flexível (7m até 11 m) e rígido (11 m até 15,5 m) ficou bastante nítida. A espessura do pavimento

flexível está em torno de 12 cm; a partir dessa profundidade, parece haver outra camada, que

persiste até 20 cm; nessa profundidade aparecem refletores com difração (textura em chevron), que,

nesse caso, denotam a presença de paralelepípedos, ou seixos grossos. No pavimento rígido, há um

refletor importante a ±15 cm de profundidade, que parece indicar uma interface construtiva

importante; essa "camada" construtiva tem ±15 cm de espessura (base em ±30 cm de profundidade).

A partir dessa camada, o meio parece ter uma estrutura homogênea e não ocorre a textura chevron

como no pavimento flexível. A mudança, ou limite entre esses diferentes tipos de pavimento está

associada à ocorrência de fendas preenchidas por água da chuva.

Uma última situação ilustra resultados obtidos com relação à degradação de pavimentos

constituídos por placas de concreto, cujo tráfego, ao longo do tempo, provocou deterioração das

vedações das juntas entre placas, com a conseqüente perda de estanqueidade. Nesse contexto, a

seção de geo-radar (Figura 5), obtida com antenas de 1 GHz, apresenta dados colhidos sobre placas

de concreto em uma área onde a avaliação da superfície mostrava boas condições de vedação, o que

pode ser comprovado pelo aspecto homogêneo do perfil (a superfície inferior das placas encontra-se

a aprox. 22 cm de profundidade). Nas áreas onde se constatou má vedação (Figura 6), os perfis

apresentam-se bastante irregulares (observar alteração do sinal na distância 2,5 m a partir da

8

origem).

CONCLUSÕES

De modo geral, a aplicação do Geo-radar na investigação qualitativa e quantitativa de

pavimentos rodoviários, alcançou resultados extremamente consistentes e acurados em relação às

estruturas investigadas. A técnica, sozinha, possui um potencial aplicativo elevado, mas ainda

não constitui uma solução única e definitiva para a determinação das características dos

pavimentos. A facilidade de execução de uma perfilagem contínua, o aumento de acuracidade

gerado pela crescente evolução tecnológica dos equipamentos, atuando como complemento e/ou

balizador das outras técnicas, tem conferido ao Geo-radar um caráter de técnica quase

indispensável para uma gerência de pavimentos moderna.

AGRADECIMENTOS

Os pesquisadores agradecem à FAPERGS a oportunidade de aquisição do Geo-radar

RAMAC (Mala Geoscience Inc.) por meio do Projeto de Pesquisa "Desenvolvimento de

tecnologias para avaliação e cubagem de depósitos de ágata na região de Salto do Jacuí (RS)"

(Processo No. 96/1535-2).

REFERÊNCIAS

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Soil and Rock Stratigraphy”, Geophysical Prospecting 37, 531 - 551. 1989.

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using short-pulse radar”. ASTM Committee D-4 on Road and Paviment Materials; Designation:

D4748-87 (Reapproved 1995). 1995.

FRUHWIRTH, R.K. & SCHMÖLLER, R. “Some aspects on the estimation of

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Sendai, Japan, 135-138. 1996.

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154. Transportation Research Board, Washington D.C. 1992.

MASER, K.R.; SCULLION, T.; RODDIS, W. M.; FERNANDO, E. “Radar For Thickness

9

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343 - 360, American Society for Testing and Materials, Philadelphia. 1994.

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September 1997, 5th International Congress of the Brazilian Geophysical Society - CISBGf, São

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Concrete Pavements”. Nondestructive Testing of Pavements and Backcalculation of Moduli,

Second Volume, 488 - 502, American Society for Testing and Materials, Philadelphia. 1994.

Figura 1 – Representação esquemática da propagação de frentes de onda EM em meios

estratificados (pavimentos) e o seu registro em dispositivos tipo Geo-radar

10

B A

T em p o

θC

onda d ire ta nasupe rf íc ie

t = x / v

onda re f le t ida

onda c r í t ica re fra tad aonda d ire ta

onda d ire tana supe r f íc ie

Ar

C am ad a 1

C am ad a 2se nθC = v1 / v0

θC = â ngulo c r í t ico

a fa s tam e n to d a s a n te na s

onda d ire tat = x / c

onda c r í t icare fra tada

onda re f le t idat = (x2 + 4 d 2) 1 /2 / v

xc Afas tam e n to (x )

A = p os içã o inic ia l

B = a fas tam e nto

Figura 2 – Organização de transmissor e receptor para medidas de velocidade de

propagação de ondas EM nos materiais constituintes de pavimentos a partir do método

CMP (Common Mid Point)

11

Figura 3 – Radargrama produzido com antena de 1.000 MHz em levantamento ao longo do

eixo de rodovia. Observar estratigrafia e espessura das camadas constituintes do pavimento.

Ver texto para maiores detalhes

Figura 4 – Radargrama produzido em levantamento perpendicular ao eixo de pista com

diferentes pavimentos (flexível e rígido). Observar os padrões refletivos distintos produzidos

pelos dois tipos de pavimentos. Ver texto para maiores detalhes

12

Figura 5 – Radargrama obtido sobre pavimento composto por placas de concreto

apresentando juntas em boas condições de vedação

Figura 6 – Radargrama obtido sobre pavimento composto por placas de concreto

apresentando juntas em más condições de vedação

13

(a) (b)

Foto 1 – Operação do dispositivo Geo-radar em levantamentos por caminhamento (a) e em

levantamentos em rodovia (b). Equipamento Ramac-Mala, antena de 1.000 MHz