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Engenharia Civil

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UNINOVE

Ingrid Patricia Alecrim

04/08/2023

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Engenharia Civil

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

CAIO VINÍCIUS SCHLÖGEL

ENSAIO DE CONE DE PENETRAÇÃO DINÂMICA PARA AVALIAÇÃO
DO SUBLEITO DE VIA FÉRREA

DISSERTAÇÃO

CURITIBA
2020
CAIO VINÍCIUS SCHLÖGEL

ENSAIO DE CONE DE PENETRAÇÃO DINÂMICA PARA AVALIAÇÃO DO
SUBLEITO DE VIA FÉRREA

Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção
do título de Mestre em Engenharia Civil, do Programa de Pós-
Graduação em Engenharia da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná.

Orientador: Prof. D.Sc. Ronaldo Luis dos Santos Izzo

CURITIBA
2020

Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
_________________________________________________________________

Schlögel, Caio Vinícius
Ensaio de cone de penetração dinâmica para avaliação do subleito de via férrea [recurso
eletrônico] / Caio Vinícius Schlögel. -- 2020.
1 arquivo texto (129 f.): PDF; 5,01 MB.

Modo de acesso: World Wide Web.
Título extraído da tela de título (visualizado em 23 jun. 2020).
Texto em português com resumo em inglês.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, Curitiba, 2020.
Bibliografia: f. 115-129.

1. Engenharia civil - Dissertações. 2. Cone de penetração dinâmica. 3. Solos -
Compactação. 4. Materiais granulados – Solos. I. Izzo, Ronaldo Luis dos Santos, orient. II.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil,
coorient. III. Título.

CDD: Ed. 23 -- 624
Biblioteca Ecoville da UTFPR, Câmpus Curitiba
Bibliotecária: Lucia Ferreira Littiere – CRB 9/1271
Aluna de Biblioteconomia: Josiane Mangueira

Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

TERMO DE APROVAÇÃO DE DISSERTAÇÃO Nº 192

A Dissertação de Mestrado intitulada: Ensaio de cone de penetração dinâmica para avaliação do
subleito de via férrea, defendida em sessão pública pelo Candidato Caio Vinícius Schlögel, no dia
13 de abril de 2020, foi julgada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, área de
concentração: Estruturas e Geotecnia, linha de pesquisa: Construção Civil, e aprovada em sua forma
final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.

BANCA EXAMINADORA:
Prof. Dr. Ronaldo Luis dos Santos Izzo - Presidente - UTFPR
Prof. Dr. Matheus Domingos - UTFPR
Prof. Dr. Adauto José Miranda de Lima - UTFPR
Dr. Maurício Abramento - MIT
Dr. José Carlos Silva Filho - IME

A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a
assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.

Curitiba, 13 de abril de 2020.

Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação

AGRADECIMENTOS

Neste espaço quero expressar minha gratidão aos amigos, familiares,
professores e colegas de trabalho pelo suporte, direto e indiretamente, fornecido ao
desenvolvimento deste trabalho.
Agradeço também a todos que sempre me perguntavam: “E o mestrado, termina
quando?” Sempre me motivou a correr atrás do tempo perdido.

RESUMO

Este trabalho busca avaliar a utilização do Dynamic Cone Penetrometer (DCP) como
ferramenta capaz de estimar a massa específica aparente seca do solo in situ,
ajudando, dessa forma, engenheiros e equipes de campo, no controle tecnológico de
compactação. Além disso, o trabalho objetiva desenvolver uma metodologia prática e
eficaz para avaliar qualitativamente o grau de compactação (GC) dos solos, auxiliando
em planos de manutenção da infraestrutura ferroviária, modal de extrema importância
para o desenvolvimento de uma nação. Atualmente, o ensaio mais utilizado para
determinar a massa específica aparente seca em campo é o frasco de areia. Porém,
sabe-se que o ensaio demanda uma certa quantidade de escavação e recursos a fim
de pesar o frasco de areia após sua utilização. Isso faz com que o ensaio tome um
certo tempo para ser executado. Sob essa ótica, o intuito é o de estudar o DCP como
uma alternativa mais prática aos serviços de campo. A área de estudo encontra-se
próximo à cidade de Itu, estado de São Paulo, Brasil. O estudo foi realizado através
de ensaios laboratoriais e in situ a fim de correlacioná-los em busca de uma
correspondência entre a penetração do DCP (DN) e a massa específica aparente seca
(ρ). Os resultados da estimativa dos valores de grau de compactação apresentaram-
se satisfatórios para a correlação, haja visto os baixos valores de erro padrão e
margem de erro, principalmente se avaliados dentro de um trecho com o mesmo tipo
de solo e de cerca 5 km de distância. Porém, a metodologia apresenta falhas na
proposta da avaliação do subleito a fim de auxiliar na determinação de pontos de
manutenção, haja visto a grande influência do teor de umidade no ensaio.

Palavras-Chave: DCP. Penetrômetro. Grau de Compactação. Massa Específica
Aparente Seca.

ABSTRACT

This work aims to assess the use of the Dynamic Cone Penetrometer (DCP) as a tool
to evaluate in situ bulk dry density of the soil, thus helping engineers and staff in the
quality control assurance of the soil. Besides that, another objective is to develop a
practical and useful methodology to evaluate degree of compaction (DC) of a soil,
aiding in the development of maintenance plan for railroad infrastructure. Nowadays,
the most common in situ test to evaluate the soil bulk dry density is the sand
replacement test, but it is known that such test demands some sort of excavation, extra
resources as a scale to weight the material replaced, therefore making it time
consuming. Based on that, this thesis objective is to study the DCP as an easy and
functional tool to in situ tests. The area chosen to be studied is located nearby the city
of Itu, state of São Paulo, Brazil. The study correlates in situ and laboratorial tests in
order to obtain an association between de penetration of the DCP (DN) and bulk dry
density (ρ). It is expected to obtain a satisfactory correlation between DN and ρ and
develop an easy and practical methodology to estimate degree of compaction in situ.
The results collected from the estimation of the compaction degree were considered
satisfactory based on the valued of standard error and margin of error obtained from
the correlation of bulk dry density, moisture content and DN, especially in smaller
distances, circa 5 km. However, the methodology designed for aiding the development
of maintenance plans showed flows especially if considers the effect of moisture
content of the soil on the results.

Keywords: DCP. Penetrometer. Degree of Compaction. Dry Density.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Malha Ferroviária Brasileira ...................................................................... 18
Figura 2 – Principais produtos transportados pela ferrovia brasileira em 2019 ......... 19
Figura 3 - Resultado do volume transportado pelas principais concessionárias
ferroviárias do país em milhares de toneladas úteis (MTU) em 2019 ....................... 20
Figura 4 - Evolução dos investimentos na malha ferroviária brasileira em milhões de
reais (MMR$) .............................................................................................................20
Figura 5 - Comparação matriz transporte de cargas ................................................. 21
Figura 6 - Camadas Via Permanente ........................................................................ 22
Figura 7 - Perfil de trilho depositado sobre o lastro formado por boletim, alma e patim
.................................................................................................................................. 23
Figura 8 – (a) Tirefond com arruela dupla de pressão (b) Prego de via .................... 24
Figura 9 - Trilho e sistema de fixação - tirefond e grampo pandrol ........................... 25
Figura 10 - Dormentes de madeira ............................................................................ 26
Figura 11 - Dormente de concreto monobloco .......................................................... 27
Figura 12 - Dormente de aço ..................................................................................... 28
Figura 13 - Dormente de plástico .............................................................................. 28
Figura 14 - Estrutura da via em função da contaminação: (a) desgaste dos elementos
de via e infiltração de rejeitos pela superfície; (b) infiltração de materiais subjacentes
ao lastro; (c) bombeamento de finos do subleito. ...................................................... 30
Figura 15 - Equipamento DCP .................................................................................. 35
Figura 16 - Curva DCP .............................................................................................. 37
Figura 17 - Característica das curvas DCP (a) penetração linear (b) penetração com
perda de resistência (c) penetração com ganho de resistênia .................................. 38
Figura 18 - Diagrama estrutural DCP ........................................................................ 39
Figura 19 - Ábaco de classificação de solos tropicais ............................................... 48
Figura 20 - Localização aproximada dos pontos de ensaios de campo .................... 51
Figura 21 – Organização dos ensaios de campo e laboratoriais ............................... 52
Figura 22 – Localização da área de estudo .............................................................. 53
Figura 23 - (a) Execução da coleta do solo para ensaios laboratoriais (b) Cava de
coleta de solo ............................................................................................................ 54
Figura 24 - Sistema de drenagem com cota superior igualada à cota inferior do lastro
ferroviário .................................................................................................................. 55
Figura 25 - Camadas sedimentares que foram o varvito ........................................... 55
Figura 26 - (a) Realização de peneiramento do solo (b)Realização de sedimentação
da porção fina do solo ............................................................................................... 57
Figura 27 - Solo após sedimentação ......................................................................... 58
Figura 28 - (a) Ensaio de limite de liquidez (b) Ensaio de limite de plasticidade ....... 59
Figura 29 - (a) Amostras de solo e picnômetros (b) Dessecador e bomba de vácuo 59
Figura 30 - (a) Compactação com Mini MCV (b) Realização de ensaio de perda por
imersão ..................................................................................................................... 60
Figura 31 - (a) Molde e soquete para realização do ensaio de compactação (b) Solo
compactado no molde ............................................................................................... 61
Figura 32 - (a) Realização do ensaio de compactação (b) Baldes com água destilada
e moldes com solo compactado ................................................................................ 62
Figura 33 - (a) Prensa realizando ensaio CBR (b) Software de coleta de dados do
ensaio CBR ............................................................................................................... 62
Figura 34 - Moldes compactados e ensaiados na prensa ......................................... 63
Figura 35 - Molde de CBR com comparados para medição de expansão ................ 63
Figura 36 - Ensaio DCP sobre molde de CBR .......................................................... 65
Figura 37 - Efeito do confinamento em corpos de prova durante execução de DCP 66
Figura 38 - Efeito do confinamento em corpos de prova durante execução de DCP 67
Figura 39 - Localização aproximada dos pontos de ensaios de campo .................... 68
Figura 40 - Locação ensaio DCP na plataforma ........................................................ 69
Figura 41 - Realização ensaio DCP em campo ......................................................... 70
Figura 42 - (a) Realização ensaio de densidade através da cravação de PVC (b)
Madeira sendo utilizada para não danificar o tubo de PVC ....................................... 71
Figura 43 - (a) Tubo de PVC cravado até a borda superior (b) Tubo de PVC removido
do solo com amostra devidamente ocupando todo o volume do tubo ....................... 71
Figura 44 - Curva granulométrica .............................................................................. 74
Figura 45 - Gráfico de plasticidade e resultado do solo estudado ............................. 75
Figura 46 - Resultado ensaio MCT ............................................................................ 77
Figura 47 - Sintetização dos resultados de compactação e locação das curvas de
saturação................................................................................................................... 78
Figura 48 - Heterogeneidade do solo ........................................................................ 80
Figura 49 - Valores indicados pela ISF 207 para valores de CBR de plataformas
ferroviárias................................................................................................................. 81
Figura 50 - Resultado correlação teor de umidade (%) e ISC (%) ............................ 83
Figura 51 - (a) Correlação energia de compactação (kfg/cm²) e CBR (%) e (b)
Correlação energia de compactação e CBR (%) ....................................................... 83
Figura 52 - Ensaio DCP em corpo de prova moldado em energia normal ................ 84
Figura 53 - Ensaio DCP em corpo de prova moldado em energia intermediária ....... 85
Figura 54 - Ensaio DCP em corpo de prova moldado em energia modificada .......... 85
Figura 55 - Curvas DN para umidades próximas em diferentes energias de
compactação ............................................................................................................. 86
Figura 56 - Correlação DN (mm/golpe) x w (%) ........................................................ 87
Figura 57 - Correlação DN (mm/golpe) x w (%) e ganho de resistência próximo à
umidade ótima ........................................................................................................... 88
Figura 58 - Correlações CBR (%), DLP (mm/golpe) e w (%) e ganho de resistência
próxima à umidade ótima .......................................................................................... 89
Figura 59 - Avaliação da reprodutibilidade dos ensaios DCP ................................... 91
Figura 60 - (a) Ensaio DCP em campo no Ponto 1 (b) Ensaio DCP em campo no Ponto
2 ................................................................................................................................ 92
Figura 61 - (a) Ensaio DCP em campo Ponto 3 (b) Ensaio DCP em campo Ponto 493
Figura 62 - (a) Ensaio DCP em campo Ponto 5 (b) Ensaio DCP em campo Ponto 694
Figura 63 - Ensaio DCP em campo Ponto 7.............................................................. 95
Figura 64 - (a) EnsaioDCP em campo Ponto 8 (b) Ensaio DCP em campo Ponto 9 (c)
Ensaio DCP em campo Ponto 10 .............................................................................. 96
Figura 65 - Correlação Densidade Calculada pela formulação versus as obtidas pelo
ensaio de compactação .......................................................................................... 103
Figura 66 - Valores de Massa Esp. Seca e ρ (g/cm³) - calc2 .................................. 107
Figura 67 - Correlação entre resultados de GC1 (%) e GC2 (%) obtidos através dos
ensaios de campo de penetração do tubo PVC e ensaio DCP, respectivamente ... 110

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Concessões ferroviárias brasileiras .......................................................... 17
Tabela 2 - Densidade das malhas ferroviárias .......................................................... 21
Tabela 3 - Resumo de características de solos tropicais .......................................... 47
Tabela 4 - Resumo de Ensaios Laboratoriais............................................................ 50
Tabela 5 - Informações dos solos na região dos ensaios de campo ......................... 51
Tabela 6 - Resultado ensaio granulometria ............................................................... 73
Tabela 7 - Resultado ensaios de limites de Atterberg ............................................... 74
Tabela 8 - Resultado ensaio de densidade real dos grãos ....................................... 75
Tabela 9 - Comparação resultados de densidade real de grãos entre a literatura e este
trabalho ..................................................................................................................... 76
Tabela 10 - Resultado ensaios de compactação em três energias de compactação 78
Tabela 11 - Resumo dos resultados de teor de umidade ótima e massa específica
aparente seca máxima para as três energias............................................................ 78
Tabela 12 - Resultados de massa específica aparente seca máxima (g/cm³) e teor de
humidade ótimo (%) encontrados na literatura .......................................................... 79
Tabela 13 - Resultados ensaios de expansão........................................................... 80
Tabela 14 - Resultados ensaio ISC ........................................................................... 82
Tabela 15 - Avaliação da reprodutibilidade dos ensaios DCP ................................... 90
Tabela 16 - Teor de Umidade ótimo versus Teor de umidade de campo .................. 98
Tabela 17 - Valores dos pontos de estudo de classificação do solo ......................... 99
Tabela 18 - Resultados ensaio PVC para estimativa da massa específica aparente
seca ......................................................................................................................... 100
Tabela 19 - Avaliação valores de massa específica aparente seca e teor de umidade
frente aos valores ótimos obtidos em energia normal ............................................. 101
Tabela 20 - Correlações para obtenção da massa específica (g/cm³) em função de DN
(mm/golpe) e Umidade (%) ..................................................................................... 102
Tabela 21 - Valores de massa específica seca calculados a partir das fórmulas de
correlação................................................................................................................ 104
Tabela 22 - Resultados de massa específica aparente seca para valor de teor de
umidade e DN de campo ......................................................................................... 105
Tabela 23 - Comparação dos resultados de GC (%) por meio do ensaio DCP e do
ensaio PVC ............................................................................................................. 108
Tabela 24 - Média, desvio-padrão e coeficiente de variação dos resultados de 〖GC
〗_1e 〖GC〗_2 (%) em cada ponto de ensaios de campo ................................... 109
Tabela 25 - Avaliação de erro padrão, margem de erro e intervalo de confiança para
os valores de GC (%) obtidos através do ensaio de penetração do PVC e DCP em
campo ..................................................................................................................... 111
Tabela 26 - Cálculo do erro entre o cálculo de GC1 e GC2 em cada ponto de avaliação
de campo................................................................................................................. 112

LISTA DE SÍMBOLOS

ρ - Massa Específica Aparente Seca
𝝆𝒎𝒂𝒙 - Massa Específica Aparente Seca Máxima
CBR - California Bearing Ratio
DCP - Cone de Penetração Dinâmica
DN - Índice de Penetração do DCP
GC - Grau de Compactação
ISC - Índice de Suporte Califórnia
IP - Índice de Plasticidade
LL - Limite de Liquidez
LP - Limite de Plasticidade
w - Teor de Umidade
wot - Teor de Umidade Ótima

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL ............................................................................ 15
1.2 OBJETIVOS SECUNDÁRIOS ................................................................... 15
2. JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 16
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 17
3.1 HISTÓRICO DA FERROVIA NO BRASIL ................................................. 17
3.2 PANORAMA ATUAL DA FERROVIA NO BRASIL .................................... 18
3.3 VIA FERROVIÁRIA PERMANENTE ......................................................... 22
3.3.1 Trilho .................................................................................................. 23
3.3.2 Fixações ............................................................................................. 24
3.3.3 Dormentes .......................................................................................... 25
3.3.3.1 Madeira ......................................................................................... 25
3.3.3.2 Concreto ....................................................................................... 26
3.3.3.3 Aço ................................................................................................ 27
3.3.4 Lastro ................................................................................................. 29
3.3.5 Sublastro ............................................................................................ 31
3.3.6 Subleito .............................................................................................. 32
3.4 CONE DE PENETRAÇÃO DINÂMICA (DCP) ........................................... 34
3.4.1 Histórico Cone de Penetração Dinâmica ............................................ 34
3.4.2 Método de ensaio ............................................................................... 35
3.4.2.1 Resultados do DCP ...................................................................... 36
3.4.3 Aplicações do DCP ............................................................................ 39
3.4.3.1 Correlações DCP x CBR ............................................................... 40
3.4.3.2 Correlações DCP x Módulo de Resiliência (MR) .......................... 41
3.4.2.3 DCP aplicado na caracterização de solos .................................... 41
3.4.2.4 DCP aplicado no controle de qualidade ........................................ 42
3.4.2.5 Erros e Desvantagens do DCP ..................................................... 44
3.5 SOLOS TROPICAIS ................................................................................. 45
4. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................49
4.1 ÁREA DE ESTUDO .................................................................................. 53
4.2 METODOLOGIA LABORATORIAL ........................................................... 57
4.2.1 Granulometria ..................................................................................... 57
4.2.2 Limites de Atterberg ........................................................................... 58
4.2.3 Densidade Real dos Grãos ................................................................ 59
4.2.4 Metodologia MCT ............................................................................... 59
4.2.5 Ensaio ISC ......................................................................................... 60
4.2.6 Ensaio DCP ........................................................................................ 64
4.3 METODOLOGIA in situ ............................................................................. 68
4.3.1 Ensaio DCP in situ ............................................................................. 68
4.3.2 Estimativa Massa Específica Aparente Seca (ρ) in situ ..................... 70
5. ANÁLISE DE RESULTADOS ............................................................................. 73
5.1 ANÁLISE DE RESULTADOS LABORATORIAIS ...................................... 73
5.1.1 Granulometria ..................................................................................... 73
5.1.2 Limites de Atterberg ........................................................................... 74
5.1.3 Densidade Real dos Grãos ................................................................ 75
5.1.4 Metodologia MCT ............................................................................... 76
5.1.5 Ensaio CBR ........................................................................................ 77
5.1.5.1 Compactação ................................................................................ 77
5.1.5.2 Expansão ...................................................................................... 79
5.1.5.3 Índice de Suporte Califórnia (ISC) ................................................ 81
5.1.6 Ensaio DCP ........................................................................................ 84
5.2 ANÁLISE DE RESULTADOS IN SITU ...................................................... 92
5.2.1 Ensaio DCP in situ ............................................................................. 92
5.2.2 Ensaio de PVC para Massa Específica Aparente Seca ..................... 99
5.3 CORRELAÇÃO DN, TEOR DE UMIDADE E MASSA ESPECÍFICA ...... 101
6. CONCLUSÃO .................................................................................................. 113
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 115

1. INTRODUÇÃO

De acordo com a Agência Nacional de Transportes Terrestres (ANTT, 2019),
há mais de 29.000 km de ferrovias concedidas no Brasil, as quais transportaram cerca
de 570 milhões de toneladas úteis (TU) apenas no ano de 2018. O valor é cerca de
6% superior ao que foi transportado no ano de 2017. Esse crescimento vem andando
junto com o aumento dos investimentos. A Associação Nacional dos Transportadores
Ferroviários (ANTF) informa que os investimentos totalizam cerca de R$ 23 bilhões
entre os anos de 2015 – 2018 (ANTF, 2019).
Entretanto, de acordo com a Associação, a ferrovia representa 15% da matriz
de transporte do país, sendo ela controlada majoritariamente pela rodovia – 65%
(ANTF, 2019). Essa representatividade faz com que as produções acadêmicas sejam
voltadas para o aprimoramento de técnicas de dimensionamento de pavimentos
rodoviários (SILVA FILHO, 2018).
Apesar disso, o modal ferroviário vem ganhando espaço. Segundo a ANTF
(2019), 95% dos minérios chegam ao porto via trem, 40% dos commodities vem
trafegando sobre trilhos e houve um crescimento de 128 vezes no transporte de
containers de 1997 a 2018. Ainda de acordo com a ANTF (2019), se houver o plano
de renovação antecipada das concessões ferroviárias, será possível que o modal
ferroviário aumente sua participação de 15 para 31% até 2025.
Segundo Dariva (2016), com o aumento das cargas transportadas e o ciclo de
carga imposto ao pavimento ferroviário, para que não haja comprometimento à
infraestrutura existente, faz-se necessária uma criteriosa investigação das condições
do subleito, objetivando a minimização dos custos oriundos da manutenção e
tornando-a mais segura.
Silva (2016) comenta que os pavimentos ferroviários apresentam mais
complexidade de modelagem do que os pavimentos rodoviários. Os elementos
constituintes da ferrovia, sendo eles: fixações, trilhos, dormentes, lastro, sublastro e
subleito, formam um sistema de múltiplas camadas, com relações de transferência de
cargas totalmente interligadas. Isso torna obrigatória a modelagem numérica de cada
uma das camadas com suas respectivas características físicas a fim de se obter
resultados mecânicos, tensão e deformação individual de cada elemento.
14

No pavimento ferroviário, quando o lastro está corretamente dimensionado,
ou seja, com capacidade portante de acordo com a carga solicitante, o subleito torna-
se o componente de maior influência sobre a deformabilidade da via, contribuindo
substancialmente para a deflexão elástica do trilho sob o carregamento dinâmico
imposto pelo tráfego. Assim, a resiliência do subleito influencia na velocidade de
deterioração dos componentes da superestrutura, sendo a principal fonte de
deformação permanente da via (MUNIZ DA SILVA, 2002). De acordo com
Navaratnarajah et al. (2016), a infraestrutura ferroviária é o componente principal na
ferrovia quando se trata de estabilidade.
Hong et al. (2017) afirmam que estudos envolvendo rigidez e resistência do
subleito ferroviário são fundamentais, porque esses componentes são responsáveis
por receber toda a carga proveniente das rodas, cargas laterais e cargas de frenagem
e aceleração dos trens. Caso o subleito esteja em deterioração, ele não realizará a
função de absorção das cargas solicitantes.
Tendo isso em vista, a investigação do subleito se faz muito importante e
juntamente a implantação de novas técnicas, tecnologias e parâmetros de avaliação.
Hong et al. (2016) mencionam que ensaios, como: a Percussão (SPT), Cone (CPT),
Pressiômetro (PMT) e Dilatômetro (DMT), podem causar perturbação no solo devido
ao diâmetro dos equipamentos. Outro ensaio que vem sendo encontrado muito na
literatura é o Light Weight Deflectomer (LWD), o qual, de acordo com Nabizadeh et al.
(2019), vem se destacando no âmbito de controle de qualidade de compactação de
rodovias.
Em compensação, conforme Paige-Green e Van Zyl (2019), as pesquisas com
o equipamento Dynamic Cone Penetrometer (DCP) passaram de apenas uma
correlação com California Bearing Ratio (CBR) para um método mais sofisticado, em
que o próprio resultado do ensaio DCP, DN (mm/golpe), é o fator usado para
dimensionamento dos pavimentos.
O ensaio de Penetração Dinâmica (DCP), que foi criado em 1956 na Austrália
(SCALA, 1956) e modificado em 1969 na África do Sul, vem sendo cada vez mais
utilizado no Brasil. O DCP é muito utilizado em países Europeus e da América do
Norte no âmbito de projetos rodoviários por ser fácil de utilizar e de transportar, mais
barato que os outros métodos, mais simples e por não sofrer influência do operador
que realizará o teste. O DCP é um ensaio empírico que permite avaliar o grau de
15

compactação do solo através da avaliação de sua resistência à penetração e estima,
dessa maneira, o módulo de deformabilidade da camada compactada.
Este trabalho apresenta uma metodologia detalhada de execução do ensaio
DCP in situ, mostra os resultados obtidos na área experimental estudada e compara
com os resultados obtidos em laboratório,objetivando alcançar o grau de
compactação do solo trabalhado.
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL

Estudar a utilização do Dynamic Cone Penetrometer (DCP) para avaliar o
subleito de vias férreas a partir do grau de compactação (GC) obtido por meio da
correlação entre DN (mm/golpe) e massa específica aparente seca (g/cm³).

1.2 OBJETIVOS SECUNDÁRIOS

• Desenvolver uma correlação entre DN (mm/golpe) x ρ (g/cm³) para solos de
granulometria fina e com coesão.
• Definir metodologia de avaliação qualitativa do subleito ferroviário localizado
na Região Sudeste do Brasil com base no GC (%).
• Avaliar o impacto do teor de umidade nos resultados de DN (mm/golpe) e a
projeção disso sobre os resultados da massa específica aparente seca.
• Avaliar a metodologia proposta por Matisinhe (2016) para obtenção da
densidade in situ do solo.

2. JUSTIFICATIVA

Para que o modal ferroviário passe de 15% para 31% de participação na
matriz de transporte nacional, novas linhas deverão ser implantadas (ANTF, 2019) e
a manutenção assertiva focada no menor tempo de interrupção possível deve ser
planejada e executada.
De acordo com Prasad (2016), um planejamento efetivo economiza valores
monetários desembolsados para manutenção e recursos, além disso, afeta
positivamente a segurança e a eficiência da intervenção de manutenção. Boddupalli
et al. (2019) comentam que pesquisas realizadas nos EUA, em empresas de
transporte ferroviário, encontraram valores partindo de $0,59 até $3,00/milha
aplicados na manutenção. Simson et al. (2000) informam que os custos com
manutenção podem reduzir de 5 até 10% em uma ferrovia Australiana, através de
planejamento.
Para que se torne possível realizar uma manutenção assertiva com menor
consumo de tempo, tempo o qual seria utilizado para a circulação de trens, e com
custos dentro do planejamento, é necessário que sejam feitas as devidas prospecções
em campo. Atualmente existem poucas metodologias de prospecção de campo que
possam auxiliar na avalição preliminar da plataforma ferroviária. Desta forma, ou se
parte para avaliações que possam impactar a circulação ferroviária, onerosas ou
então para ensaios laboratoriais.
Dessa forma, essa dissertação busca desenvolver uma metodologia de
prospecção inicial da plataforma ferroviária através do uso do DCP. Essa prospecção
pode resultar na necessidade de ensaios complementares ou não, porém o objetivo
dele é viabilizar uma análise simples e econômica para dar o ponta pé inicial na
avaliação do local em questão. Além disso, sabendo da importância que o modal
ferroviário ocupa na economia nacional, considera-se importante o desenvolvimento
de trabalhos ligados ao tema.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 HISTÓRICO DA FERROVIA NO BRASIL

As primeiras estradas de ferro foram construídas no país no século XIX. As
linhas ligavam a cidade de Petrópolis a Mauá, no estado do RJ, a ferrovia D. Pedro II,
ligando a capital carioca às cidades de Rio Paraíba e o sul de Minas Gerais e a linha
que ligava Santos a Jundiaí, no estado de São Paulo (MONASTIRSKY, 2006). No
início do século XX, a malha ferroviária paulista acabou assumindo mais destaque
devido à expansão dos cafezais, tornando-se a maior e mais eficiente do país na
época (MONASTIRSKY, 2006).
De acordo com Schoppa (2004), até meados do ano 1950, a ferrovia foi o
principal meio de transporte do Brasil, havendo o predomínio das concessões
estrangeiras no primeiro momento. Em seguida passou a ser explorada pelo estado,
até a malha ser devolvida ao setor privado (MONASTIRSKY, 2015).
Já no século XX, iniciaram-se os processos de privatização das estradas de
ferro do Brasil. Desde então fusões e alterações de nomes ocorreram nas detentoras
das malhas ferroviárias. A Tabela 1 mostra a extensão de cada malha de acordo com
a empresa privada, que é a atual responsável pela concessão.
Tabela 1 - Concessões ferroviárias brasileiras
FERROVIA NOME
EXTENSÃO
(km)
RUMOMN Rumo Malha Norte 735,26
RUMOMO Rumo Malha Oeste 1.973,12
RUMOMP Rumo Malha Paulista 2.055,32
RUMOMS Rumo Malha Sul 7.223,37
EFC Estrada de Ferro Carajás 977,97
EFPO Estrada de Ferro Paraná Oeste 248,10
EFVM Estrada de Ferro Vitória-Minas 894,22
VLI VLI 7.222,13
FNSTC Ferrovia Norte Sul - Tramo Central 855,80
FNSTN Ferrovia Norte Sul - Tramo Norte 744,50
FTC Ferrovia Tereza Cristina 163,45
FTL Ferrovia Transnordestina 4.295,14
MRS MRS 1.685,43
TOTAL >>> 29.073,80
Fonte: ANTT, 2017
18

3.2 PANORAMA ATUAL DA FERROVIA NO BRASIL

Atualmente há cerca de 29.000 km de malha ferroviária no Brasil, conforme
pode ser visto na Tabela 1. A distribuição da malha ferroviária brasileira ocorre mais
na Região Sul do país, tal como mostrado na Figura 1. Entretanto, a ferrovia mais
produtiva no ano de 2019, ou seja, a que transportou mais toneladas de produto por
quilômetro de ferrovia implantado, Tonelada Quilômetro Útil (TKU), está localizada na
Região Norte e Nordeste.

Figura 1 - Malha Ferroviária Brasileira

Fonte: ANTF, 2020

A grande maioria das ferrovias implantadas são concessões para empresas
privadas que utilizam as estradas de ferro para transporte de açúcar, milho, soja,
minério de ferro, celulose, entre outros produtos de exportação ou utilização no próprio
país. A Figura 2 demonstra a divisão dos produtos mais transportados, a partir dos
dados de toneladas úteis, pelas ferrovias brasileiras no ano de 2020, de acordo com
a ANTF.

Figura 2 – Principais produtos transportados pela ferrovia brasileira em 2019

Fonte: ANTT, 2020

O país possui ferrovias consideradas heavy haul, as quais transportam cargas
por eixo superiores a 25 toneladas e demanda transportada acima de 20 milhões de
toneladas brutas anuais. A Figura 3 mostra o resultado das principais ferrovias do país
no ano de 2019 em milhares de toneladas úteis transportadas. Dentre as ferrovias
heavy haul destacam-se: Estrada de Ferro Carajás e Vitória Minas, ambas
pertencentes à Vale, MRS Logística e à Rumo.
Segundo a ANTF (2018), desde 1997, ano seguinte ao início do processo de
privatização, já ocorreu um acréscimo de 98,8% no volume transportado, chegando a
cerca de 500 milhões de toneladas transportadas.

Figura 3 - Resultado do volume transportado pelas principais concessionárias ferroviárias do país em
milhares de toneladas úteis (MTU) em 2019

Fonte: ANTT, 2020

Esse acréscimo se deve ao valor de investimento que vem sendo feito nas
estradas de ferro. Com base em valores publicados pela agência, Figura 4, já foram
investidos mais de R$ 50 bilhões de reais desde o início do processo de concessão
(ANTF, 2018). Esse investimento foi feito na recuperação das vias e no material
rodante, como aquisição de novos trilhos e rodeiros de vagões e locomotivas,
respectivamente, aquisição de novas tecnologias e capacitação profissional dos
recursos humanos.

Figura 4 - Evolução dos investimentos na malha ferroviária brasileira em milhões de reais (MMR$)

Fonte: ANTF, 2020
Entretanto, apesar do grande aumento citado anteriormente, a matriz
ferroviária ainda representa apenas 15% do que é transportado no país, muito abaixo
21

de países como EUA e Rússia. A Figura 6 compara esse valor ao de outros países de
dimensão territorial similar.

Figura 5 - Comparação matriz transporte de cargas

Fonte: ANTF, 2019

Esse desiquilíbrio se dá pelo fato de que há pouca extensão de ferrovia no
Brasil se comparado a outros países em desenvolvimento, ou já considerados de
primeiro mundo. A razão extensão de quilômetros de ferrovia sobre a área do país
pode ser vista na Tabela 2.

Tabela 2 - Densidade das malhas ferroviárias

Área
(milhões km²)
Ferrovia
(mil km)
Ferrovia/Área
(km/1.000 km²)
EUA 9,83 224,79 22,87
Índia 3,29 68,53 20,83
China 9,60 191,27 19,92
Áfricado Sul 1,22 20,99 17,20
Argentina 2,78 36,92 13,28
México 1,96 15,39 7,85
Canadá 9,98 77,93 7,81
Rússia 17,10 87,16 5,10
Austrália 7,74 36,97 4,78
Brasil 8,52 28,54 3,35
Fonte: ANTF, 2018

3.3 VIA FERROVIÁRIA PERMANENTE

De acordo com Muniz da Silva (2002), a terminologia via permanente é
oriunda do fato de que as linhas se originaram das vias carroçáveis, as quais
continuaram permanentes mesmo passando por adversas condições climáticas.
A via permanente é dotada de trilhos, fixação de trilhos, dormentes, lastro,
sublastro, reforço do subleito, quando necessário, e subleito. As camadas
constituintes da via permanente podem ser vistas na Figura 7.

Figura 6 - Camadas Via Permanente

Fonte: Selig e Waters, 1994

Os componentes apresentados na Figura 7 são ainda divididos em dois
grupos, infra ou subestrutura e superestrutura. Selig (2001) classifica como
subestrutura os elementos: lastro, sublastro, subleito, obras de arte especiais e obras
de arte correntes existentes. Já Brina (1979) entende que o elemento lastro já faz
parte da superestrutura da via permanente, enquanto a infraestrutura é constituída
pelo sublastro, subleito e obras de arte especiais e correntes.
As funções de cada um dos elementos constituintes da via permanente são
discutidas nos itens seguintes.

3.3.1 Trilho

Conforme explica Sousa (2016), o trilho possui a função de guiar e oferecer
suporte ao tráfego do veículo. Segundo Nabais (2014), o trilho transfere para os
dormentes as solicitações do material rodante.
Os trilhos são fixados aos dormentes em distâncias denominadas bitolas.
Essa distância é medida entre as faces internas da parte superior do trilho,
denominado boleto e, de acordo com Brina (1979), no Brasil existem duas dimensões
de bitola, sendo elas de 1000 mm e 1600 mm, sendo a segunda definida de acordo
com o Plano Nacional de Viação como o padrão nacional. O valor de bitola standard
e adotado em outros países é de 1435 mm e foi estabelecido na conferência
internacional de Berna.
Inicialmente os trilhos eram duas vigas de madeira colocadas paralelamente
para facilitar o serviço dos animais que puxavam as cargas. Após vários anos foi
criado o perfil de trilhos que é usado atualmente. De acordo com Ribeiro (2012), o
perfil foi criado por Vignole em 1836, que idealizou uma peça que permitia uma fixação
adequada e uma alta resistência.
O perfil, Figura 7, é constituído por boleto, alma e patim e possui as seguintes
características: massa de boleto é quase idêntica à massa do patim, o trilho possui
resistência à torção transversal e raio de curvatura no topo do boleto compatíveis ao
contato de distribuição de carga das rodas.

Figura 7 - Perfil de trilho depositado sobre o lastro formado por boletim, alma e patim

Fonte: Autoria própria
24

Silva (2016) acrescenta que a normatização vigente classifica os trilhos de
acordo com sua massa por metro (kg/m), e as especificações dos trilhos padrão
Vignole estão consolidadas na NBR 7590/2012.

3.3.2 Fixações

Selig e Waters (1994) explicam que a função das fixações, Figura 8, é a de
manter os trilhos corretamente posicionados nos dormentes, evitando que o trilho
sofra qualquer tipo de deslocamento vertical, longitudinal ou lateral devido a esforços
provenientes das rodas dos veículos ou da variação de temperatura.
As fixações mais conhecidas são: tirefond (Fig. 8a) e prego (Fig. 8b),
denominadas fixações rígidas, e pandrol, deenik e geo, denominadas fixações
elásticas. As fixações elásticas são instaladas sob pressão no patim dos trilhos,
diferentemente dos elementos de fixação rígida, que são parafusados ou pregados
nos dormentes.

Figura 8 – (a) Tirefond com arruela dupla de pressão (b) Prego de via

Fonte: (a) Autoria própria (b) Google

Conforme explica Klincevicius (2011), as fixações rígidas tendem a se
afrouxar com o tempo por causa de impactos e vibrações da via, ao passo que as
fixações elásticas mantêm uma pressão mais constante no trilho.
Os elementos de fixação elástica precisam de placas de apoio para serem
instalados. As placas também auxiliam na distribuição da carga do trilho para o
dormente.

Figura 9 - Trilho e sistema de fixação - tirefond e grampo pandrol

Fonte: Autoria própria
3.3.3 Dormentes

Os dormentes são peças postas perpendiculares aos trilhos e são mais
comumente constituídos de madeira, concreto e aço (KLINCEVICIUS, 2011). Brina
(1979) destaca as seguintes características que o dormente deve possuir: dimensões
compatíveis, rigidez e elasticidade, resistência aos esforços da via, durabilidade,
permitir o nivelamento da via e manter o espaçamento dos trilhos.

3.3.3.1 Madeira

Brina (1979) expõe que o dormente de madeira (Fig. 10) possui o uso mais
tradicional, pois suas características se encaixam muito bem nas necessidades da
ferrovia. Entretanto, devido à escassez da madeira de lei e ao alto custo vinculado ao
material, buscaram-se alternativas.
Sousa (2016) coloca que a normativa que define termos aplicáveis às
madeiras utilizadas como dormentes para ferrovias é a NBR 6966/1994. O autor
também ressalta que os fatores que podem afetar a durabilidade do material são:
clima, drenagem inapropriada da via, peso das composições, velocidade, tratamento
da madeira – época do corte e grau de secagem – entre outros.

Figura 10 - Dormentes de madeira

Fonte: Autoria própria

3.3.3.2 Concreto

Em virtude da escassez da madeira, muitos países começaram a estudar e a
adotar os dormentes de concreto protendido (Fig. 11). Atualmente existem dois tipos
de dormente de concreto, sendo eles o monobloco e o bibloco (SOUSA, 2016). Os
dormentes de concreto podem ser protendidos, como os desenvolvidos no Reino
Unido, ou pós-tensionados, como os desenvolvidos na Alemanha. Nabais (2015)
destaca esse material devido à rigidez e à durabilidade, embora apresente
dificuldades de manejo pelo peso elevado. Vias construídas com esse tipo de
dormente apresentam qualidade estrutural superior, melhor estabilidade e menor
necessidade de manutenção.

Figura 11 - Dormente de concreto monobloco

Fonte: Google

Esveld (2001) destaca algumas desvantagens do concreto sendo aplicado no
dormente: baixa capacidade de absorver vibrações, maior transmissão de cargas
dinâmicas para o lastro – aumento de 25% − e aumento dos riscos de danos por
impacto.

3.3.3.3 Aço

O dormente de aço, Figura 12, é definido por Brina (1979) como sendo uma
chapa de aço laminado, com formato de “U” invertido, curvada nas extremidades para
formar garras que possam ser introduzidas no lastro e se opor ao deslocamento
transversal da via. Entre as características do material, Nabais et al. (2014) destacam:
alta propagação de ruídos, bom condutor de eletricidade, mais rigidez e difícil fixação
dos trilhos – tende ao afrouxamento, necessitando de manutenção permanente –, os
furos de passagem dos parafusos enfraquecem o dormente e causam fissuras que,
se prolongadas, tornarão o dormente inútil e dificultarão a socaria do lastro.

Figura 12 - Dormente de aço

Fonte: Google

• Plástico

Nabais et al. (2014) expõem as seguintes vantagens do material (Fig. 13):
resistência mecânica comparada à da madeira, resistência ao apodrecimento, à
umidade e à ação de insetos e fungos, previsão de vida útil entre 40 e 50 anos,
reciclável. Durante o ciclo de vida, possui menor taxa de emissão de gases de efeito
estufa e dióxido de carbono quando comparado aos outros materiais. Como
desvantagem, Macedo (2009) menciona o alto custo final do produto.

Figura 13 - Dormente de plástico

Fonte: Google
29

3.3.4 Lastro

Selig (2001) coloca o lastro como sendo um elemento que ancora a linha,
reduz a tensão transmitida para o subleitoe facilita as correções geométricas que se
fazem necessárias.
Klincevicious (2011) completa informando que o lastro é formado por um
material granular, cuja espessura varia entre 250 mm e 350 mm e ressalta as
principais funções do elemento, sendo elas: suportar e distribuir as tensões verticais,
transmitir tensões para o subleito, garantir uma estabilidade para a grade – conjunto
trilho, dormente e fixação – lateral e longitudinal, permitir a drenagem de via, prover
elasticidade para a via e amortecer vibrações e ruídos.
Silva (2016) destaca as principais características que o agregado graúdo deve
ter a fim de ser utilizado como lastro, de acordo com a AREMA, 2003: dureza,
durabilidade, resistência à abrasão, isento de contaminantes, elevado coeficiente de
permeabilidade e trabalhabilidade.
Medina e Motta (2015) apontam que a composição do lastro é de rocha dura
britada em grãos cúbicos e angulares, uniformemente graduados, variando entre 63 e
80 mm. Nabais et al. (2014) apontam que as rochas mais apropriadas para essa
função são o granito, gnaisse, quartzito, micaxisto, deorito e diabásio.
Selig (2011) por fim ressalta que a melhor escolha de lastro para um lugar é
o com melhor custo, devendo ser levados em consideração o tráfego até o local, as
condições ambientais e o custo para entrega até o local. Assim, nem sempre o melhor
material para o local será o de melhor qualidade.
Selig (2011) também explica como é gerado um dos principais defeitos nas
linhas ferroviárias, o lastro colmatado. De acordo com o autor, em virtude da
degradação do lastro, há criação de materiais mais finos. Esses materiais gerados
pela degradação se unem a materiais finos existentes na linha e se fixam nos vazios
gerados pelo agregado graúdo. Esse processo é denominado no Brasil de colmatação
dos vazios e, conforme menciona Silva (2016), compromete a função de absorção das
solicitações impostas na via.
Marques (2017) menciona mais dois outros tipos de contaminação de lastro.
Um deles ainda é muito ligado à degradação do agregado graúdo, já o terceiro é
30

vinculado a resíduos que caem sobre as vias férreas lastreadas. Segundo Marques
(2017), quando há ausência de sublastro ou quando foi executado de maneira
inadequada, pode haver a migração desses elementos para as camadas superiores
do lastro. Esses tipos de lastro contaminados podem ser vistos na Figura 14.

Figura 14 - Estrutura da via em função da contaminação: (a) desgaste dos elementos de via e infiltração
de rejeitos pela superfície; (b) infiltração de materiais subjacentes ao lastro; (c) bombeamento de finos
do subleito.

(a)

(b)

(c)

Fonte: Adaptado de Marques (2017)

Selig (2011) ainda coloca que a renovação ou substituição do lastro é cara e
tende a durar muito tempo, além de comprometer o tráfego de trens. Dessa forma, a
decisão de realizar esse procedimento deve ser bem estudada. Ainda de acordo com
o autor, a substituição do lastro não terá o melhor dos efeitos para a linha se o sistema
de drenagem da plataforma não estiver funcionando corretamente.
Rudolf et al. (2005) colocam que uma operadora austríaca chega a necessitar
de 500.000 t a 700.000 t de lastro por ano. De acordo com Stefani (2003), na estrada
de ferro norte-americana Burlington Northern Santa Fe (BNSF), dos anos de 1983 até
2002 foram substituídos em média 50,8 m³ de lastro por km de ferrovia.
31

Já no Brasil, Sgavioli et al (2015) informa que quando há uma renovação
parcial da camada de lastro, ou seja, descarga de uma camada superficial, o consumo
gira em torno 500 m³/km para uma das linhas principais da Estrada de Ferro Vitória
Minas (EFVM). Entretanto, quando há renovações com substituição do lastro variando
entre 50 e 100%, os volumes passam para 900 e 2.100 m³/km, respectivamente.

3.3.5 Sublastro

O glossário ferroviário do DNIT coloca o sublastro como sendo uma camada
inferior ao lastro que possui contato direto com a plataforma de terraplenagem, sendo
constituída de material de menor custo que o do lastro e de qualidade suficiente para
prover drenagem e capacidade de suporte para os esforços mecânicos do pavimento.
Brina (1979) cita que o sublastro deve possuir as seguintes características:
• Aumentar a capacidade de suporte da plataforma e permitir projetos
com menores alturas de lastro;
• Evitar migração de material para as camadas adjacentes, seja lastro
para o subleito, sejam finos do subleito para o lastro através do
bombeamento;
• Aumentar a resistência do subleito à erosão;
• Servir como elemento do sistema drenagem da via e;
• Colaborar com a elasticidade da via.
Fortunato (2005) diz que no sublastro usam-se materiais naturais graduados,
areias cascalhentas, materiais naturais britados ou detritos de pedreira. As partículas
devem ser de boa resistência ao desgaste e sua granulometria deve proporcionar as
funções de filtro e de separação entre o lastro e a fundação.
Selig (2011) menciona que o sublastro é a segunda camada estrutural que
auxilia na redução de tensão para o subleito, tendo uma função muito importante na
drenagem. De acordo com o autor, o sublastro deveria receber mais atenção do que
vem recebendo atualmente graças ao seu papel fundamental na qualidade da via.
Silva Filho (2018) destaca, entretanto, que a utilização do sublastro como
camada impermeável construída com solos tropicais já laterizados apresentaram
excelentes resultados. A camada, se atendendo os parâmetros de compactação e
umidade, auxilia na proteção mecânica do subleito e na impermeabilização dele,
32

garantindo por mais tempo as condições estruturais da plataforma e por consequência
a qualidade da via permanente no local.

3.3.6 Subleito

Kennedy (2011) coloca que o subleito, ou plataforma, é considerado a
fundação da ferrovia e pode ser feito com solo natural do local ou com material
selecionado. Kennedy (2011) adiciona informando que a função do subleito é a de
prover uma fundação estável, tendo uma importância significativa para a via férrea.
De acordo com Silva (2016), dentre as características que devem ser
observadas em fase de projeto para o subleito, mencionam-se:
• Propriedades físicas do material do subleito: coeficiente de Poisson,
granulometria, módulo de resiliência, dentre outros;
• Espessura do subleito ou da camada final de terraplenagem.
Medina et al. (2015) ressaltam a atenção que deve ser dada à camada do
subleito. Segundo Medina et al. (2015), as especificações de subleito consideradas
para a ferrovia são semelhantes à da rodovia, porém não levam em consideração as
peculiaridades das estradas de ferro. Além disso, o subleito não vai ser acessível para
melhorias posteriores e, tendo em vista o crescimento da velocidade e das cargas por
eixo, é fundamental prover o melhor subleito possível desde o início.
Selig (2011) menciona seis métodos de tratamento de subleito conforme
abaixo:

1 Mistura de solo: a mistura de solo com cimento tem como objetivo reforçar o
solo para compressão e tensão cisalhante;
2 Mistura de Cal: mistura física de cal em argilas a fim de melhorar as
características da argila para que ela seja compactada;
3 Reconstrução: compactar solos existentes ou substituir os solos do local com
tipos de solo de melhor compactação;
4 Reforço: instalação de elementos celulares de plástico ou metal, como
geotêxteis, tendem a reforçar o solo;
5 Redução de tensão: aumento da espessura de lastro e sublastro tendem a
diminuir a tensão repassada para o subleito;
33

6 Grouting: Por último, a injeção de misturas de grout a fim de reforçar o solo,
reduzir a percolação de água.

3.4 CONE DE PENETRAÇÃO DINÂMICA (DCP)
3.4.1 Histórico Cone de Penetração Dinâmica

Dynamic Cone Penetrometer (DCP), ou Cone Penetração Dinâmica, foi
desenvolvido primeiramente na Austrália em 1956por Scala, com o intuito de analisar
subleitos (TRICHÊS et al., 1999). Posterior a isso, foram desenvolvidos pesquisas e
métodos de ensaio para avaliar a capacidade de suporte do solo, característica
principal para a construção de pavimentos.
Segundo Alves (2002), o DCP vem sendo utilizado desde 1973 na África do
Sul, para medições rápidas de resistência pelo Departamento de Estradas do país,
além de ser estudado e utilizado na Austrália, Argentina e Indonésia. Alves (2002)
menciona também que o equipamento criado por Scala foi empregado na avaliação
da capacidade de suporte do substrato do Aeroporto de Ben Gurion, Israel.
De acordo com Paige - Green et al. (2009), pesquisas continuaram sendo
realizadas na África do Sul, mais especificamente com o uso do software Heavy
Vehicle Simulator (HVS). Através desse teste conseguiu-se adicionar parâmetros,
como: tempo de penetração, intensidade de tráfego, umidade, rachaduras,
deformação e deflexão em diferentes profundidades, desenvolvendo assim uma
relação entre a penetração do DCP e a expectativa de vida útil do pavimento.
No Brasil, Alves (2002) destaca os estudos desenvolvidos por Heyn no DER-
PR, Rohn e Nogueira na USP de São Carlos, por Oliveira e Vertamati no Instituto
Tecnológico de Aeronáutica (ITA), na Paraíba por Rodrigues e Lucena em 1991 e
Santana et al. em 1998, Santa Catarina por Cardoso e Trichês. Além desses nomes,
o autor deste trabalho aproveita para mencionar a própria autora Alves, e Dal Pai da
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e a autora Berti da Universidade
Estadual de Campinas (UNICAMP) pelos seus trabalhos.

3.4.2 Método de ensaio

O equipamento de cone penetração, Figura 15, consiste em uma haste de aço
de 16 mm de diâmetro, possuindo no final da haste uma ponta cônica de aço de 60º
e 20 mm de diâmetro. Há também um martelo de 8 kg, que se desloca por uma
distância de 575 mm do topo da haste até a parte inferior dela. A penetração da ponta
de aço é medida por uma régua posta ao lado da haste vertical. O DCP é projetado
para penetrar de 800-1.200 mm, segundo Kleyn e Savage (1982).
O primeiro passo do ensaio é realizar a leitura inicial na escala no momento
que o penetrômetro é posto na vertical. Seguinte a isso, deve-se elevar o martelo até
o topo da haste deslizante de 575 mm, e deixar o corpo de massa de 8 kg cair. Essa
queda deve ser livre de qualquer influência de força externa, tal como o movimento
da mão do operador.

Figura 15 - Equipamento DCP

Fonte: Dal Pai (2005)

De acordo com a norma americana ASTM D-6951 (2003) e a do departamento
de estradas e rodovias de Saskatchewan, Canadá, devem ser anotados os avanços
da ponta cônica em uma tabela a cada golpe do martelo. Entretanto, Saskatchewan
Highways and Transportation (1992) afirma que as leituras podem ser alteradas se a
penetração que vem sendo apresentada é menor que 20 mm/golpe:
• Uma leitura a cada dois golpes caso leituras estejam entre 10-20 mm
• Uma leitura a cada cinco golpes caso leituras estejam entre 5-9 mm
• Uma leitura a cada dez golpes caso leituras estejam entre 2-4 mm

Já a norma americana ASTM D-6951 (2003) comenta que as leituras podem
ser feitas após um número fixo de golpes, sendo: 1 golpe para materiais “moles”, 5
golpes para um material “normal” e 10 golpes para um material mais “resistente”.
Existem outros tipos de mecanismo que compõem o DCP, apresentando
variação na angulação da ponta cônica, 30º e 60º, e pela energia de cravação. De
acordo com Kleyn e Savage (1982), a ponteira de 60º possui mais durabilidade de
serviço e produz uma definição de pontos críticos mais correta.

3.4.2.1 Resultados do DCP

Com base nos valores lidos do equipamento durante a realização do ensaio,
é plotado em um gráfico de penetração, no eixo vertical, versus número de golpes, no
eixo horizontal. Trichês e Cardoso (1999) afirmam que a curva DCP obtida indica o
número de golpes para se alcançar uma dada profundidade.
De acordo com Trichês e Cardoso (1999), a primeira leitura de penetração do
DCP é sempre desconsiderada, pois, no primeiro golpe, a superfície de contato entre
o cone e o solo não é a mesma dos golpes posteriores. Segundo Oliveira e Vertamatti
(1998), no cálculo da razão de penetração não se deve levar em consideração o
deslocamento do cone correspondente ao primeiro golpe.
Citadas por Herrick et al. (2001), as medidas do cone de penetração podem
ser expressas como o número de golpes por milímetro de penetração ou como a
resistência média do solo por profundidade do solo penetrado. De acordo com Trichês
e Cardoso (1999), e como pode ser visto na Figura 16, a inclinação da reta obtida pelo
gráfico “golpes versus penetração” indica a resistência do solo e é denominado índice
37

DCP, também denominado DN. Quando verticalizada, os materiais apresentam menor
capacidade de carga, todavia, quanto mais horizontalizadas, os materiais apresentam
mais capacidade de carga.
Dando continuidade a essa análise, segundo Alves (2002), quando há uma
alteração na inclinação das retas, há um indicativo de que uma camada de material
foi atravessada, variação do teor de umidade, ou ainda, variação da massa específica
aparente.

Figura 16 - Curva DCP

Fonte: Dal Pai (2005) apud Cardoso e Trichês (1999)

O índice DCP, ou DN, representa a resistência do material e é obtida através
da Fórmula 1:
𝑫𝑵 = 𝑫𝑪𝑷 =
𝒑𝒓𝒐𝒇𝒖𝒏𝒅𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆
𝒏ú𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒈𝒐𝒍𝒑𝒆𝒔
(1)

Com base no índice de DCP e características das curvas do ensaio,
representadas na Figura 17, podem ser feitas algumas interpretações.

Figura 17 - Característica das curvas DCP (a) penetração linear (b) penetração com perda de resistência
(c) penetração com ganho de resistênia

Fonte: Alves e Trichês (2002)

De acordo com a curva da Figura 17a, pode-se interpretar que o solo está
compactado homogeneamente de acordo com a profundidade, mostrando assim um
eficiente controle de compactação. A Figura 17b indica que a parte superior da
camada está compactada com um grau de compactação maior que a parte inferior.
Essa curva pode indicar que há um gasto desnecessário de energia para
compactação, ou o equipamento utilizado não é adequado para a operação, ou ainda
que a camada seja muito espessa. Por último, a Figura 17c indica que a parte superior
da camada apresenta um grau de compactação ruim em relação à parte inferior à cota
-400 mm, portanto, há uma necessidade de recompactação (ALVES e TRICHÊS,
2002).
Alves e Trichês (2002) ainda demonstraram outra maneira de representação
gráfica da curva DCP. Dessa vez, como pode ser visto na Figura 18, o eixo das
abcissas representa o índice DCP (DN), e o eixo das ordenadas, a profundidade.
Segundo os autores Alves e Trichês (2002), o Diagrama Estrutural auxilia na
compreensão de algumas características do material, como: teor de umidade ou
massa específica aparente. O Diagrama Estrutural também auxilia na visualização da
mudança de camada de material.
39

Figura 18 - Diagrama estrutural DCP

Fonte: Alves (2002)

Quando o diagrama apresenta uma constância da curva plotada, há uma
indicação de que não há alteração das características do material em estudo. O
Número Estrutural DCP (DSN), representado pelo Diagrama Estrutural, representa o
número de golpes necessários para a penetração de uma profundidade de camada.

3.4.3 Aplicações do DCP

Amini (2003) publicou um documento juntamente com o Departamento de
Transporte do Mississipi nos Estados Unidos, em que mencionava os potenciais usos
do DCP. Na época Amini (2003) desenvolveu uma revisão bibliográfica mencionando
as principais pesquisas desenvolvidas envolvendo o equipamento. As pesquisas
tiveram início cerca de três décadas anteriores à publicação do autor.

3.4.3.1Correlações DCP x CBR

Dentre as principais aplicações mencionadas por Amini (2003), ressaltam-se
as seguintes: correlação DCP x CBR, DCP x Módulo de Resiliência, DCP x
Resistência à compressão e DCP aplicado no controle de qualidade de compactação.
No âmbito da correlação DCP x CBR, Parmar (2019) desenvolveu uma curva
específica para sua região de estudo na Índia, onde encontrou solos arenosos, argilo-
arenosos e argilosos. De acordo com o autor, a correlação obtida por ela pode ser
considerada boa, pois obteve um R²> 0,7.
Chibwe (2019) aplicou as correlações publicadas pela TRL (1990) entre CBR
e DN para redimensionar pavimentos de baixo volume de tráfego. De acordo com
Chibwe (2019), os resultados obtidos através da correlação CBR x DCP utilizadas no
trabalho levaram a uma redução na dimensão do pavimento devido a melhor avaliação
da situação in situ do solo.
Amadi et al. (2018) desempenharam seu trabalho da mesma forma, ou seja,
desenvolveram uma correlação local entre CBR x DCP para sua região de estudo
localizada em Minna, Nigéria. De acordo com os autores, as correlações publicadas
pela TRL (1993) levaram a valores de CBR superiores aos estimados pela curva
obtida Amadi, et al. (2018). De acordo com os autores, isso se justifica pelo tipo de
solo com o qual a correlação da TRL (1993) foi publicada – solos de granulometria
grossa e fina, em compensação o trabalho de Amadi et al. (2018) retratou a correlação
para solos classificados como: A-2-6 (SC), A-2-4 (SM) e A-6 (CL). Amadi et al. (2018)
concluíram, a partir dos resultados obtidos no ensaio DCP em campo, que a camada
superior do local de estudo apresentava compactação ruim e/ou era um solo mal
selecionado para a finalidade de fundação de rodovia.
Wilches et al. (2019) desenvolveram uma correlação específica para a área
de estudo na qual trabalharam na Colômbia, onde os solos trabalhados possuíam
coesão e partículas finas. Wilches et al. (2019) concluíram que a curva obtida por eles
também apresentou boa correlação com R²> 0,8.
Al-Obaidi et al. (2018) realizaram pesquisas com um solo colapsível no Iraque,
mas, mesmo assim, obtiveram correlações muito similares às publicadas por Harison
(1986) e pela MnDOT (1996).
Sidhu et al. (2018) também buscaram trabalhar sobre a correlação DCP x
CBR, porém notaram que os valores obtidos através da correlação proposta por eles
41

variaram de acordo com mudança da densidade e teor de umidade. Fato esse já
descrito nos trabalhos de Kleyn e Savage (1982), Hassan (1996), Lima (2000), Alves
(2002), Schlögel (2015), Torres (2017).

3.4.3.2 Correlações DCP x Módulo de Resiliência (MR)

Quanto às atuais pesquisas relacionadas ao módulo de resiliência e DCP,
destaca-se o trabalho de George e Udin (2000), os quais desenvolveram um trabalho
para o Departamento de Transporte do Mississipi, no qual pode ser vista uma
correlação para solos coesivos e não coesivos. Os autores informaram que outras
propriedades físicas do solo são importantes e devem ser levadas em consideração
ao relacionar DCP e Módulo de Resiliência.
Herath et al. (2005) realizaram pesquisas em solos coesivos e obtiveram bons
resultados para a correlação. No entanto, reforçam a influência que a densidade,
umidade e tipologia de solos causam nos resultados.
Mousavi et al. (2018) avaliaram as curvas de correlação de Hasan (1996),
George e Udin (2000), NCHRP (2004), Herath et al. (2005) e Mohammad et al. (2008)
para o tipo de solo argiloso (A-4) com o qual estavam trabalhando e concluíram que a
correlação era muito baixa, justificando a busca por novas correlações específicas.
Por fim, Cruz (2019) obteve a correlação do DCP com o módulo resiliente do
sublastro de uma ferrovia com a finalidade de desenvolver uma avaliação simplificada
da condição da plataforma da ferrovia.

3.4.2.3 DCP aplicado na caracterização de solos

Quanto aos trabalhos com o objetivo de caracterização de camadas de solo,
destaca-se, primeiramente, o trabalho realizado por Hong et al. (2016), os quais
utilizaram um DCP estático e dinâmico para avaliar a espessura de uma camada de
lastro e sublastro de uma ferrovia na Coreia do Sul. Além disso, Hong et al. (2016)
promoveram algumas mudanças no equipamento DCP utilizado na pesquisa,
tornando-o capaz de coletar informações de tensão de ponta e atrito lateral na haste
de penetração.
42

Seguindo a mesma linha de trabalho, Haddani et al. (2016) fizeram uso do
PANDA e Geoendoscópio para realizar avaliações do lastro e sublastro. PANDA é um
DCP adaptado com sensores que passam informações da energia aplicada a cada
golpe e deslocamento vertical para central de aquisição de data. (HADDANI et al.,
2016).
Lee et al. (2014) fizeram uso do DCP para validar informações obtidas por
meio do Soil Stiffness Gauge em solos arenosos mal graduados, siltes arenosos e
areais bem graduadas com silte da Coreia do Sul. De acordo com Lee et al. (2014),
as correlações foram satisfatórias, porém não deixou de mencionar que o silte arenoso
e a areia bem graduada com silte tiveram influência da umidade nas respostas.
Hamid et al. (2018) avaliaram o impacto da densidade e do nível da água
sobre os resultados de grau de compactação de areias através do uso do DCP.
Através desses estudos, Hamid et al. (2018) concluíram que areias bem drenadas
poderiam aumentar sua resistência de penetração do DCP em até 170%.
Por fim, Almeida et al. (2019) utilizaram o DCP para identificar parâmetros de
um solo laterítico, residual e colapsível formado por intemperismo de basalto e de
baixa permeabilidade na Região Oeste do Estado do Paraná, Sul do Brasil. Os autores
concluíram que o DCP é uma ótima ferramenta para estimativa de índices físicos e
parâmetros de resistência ao cisalhamento. Porém, para que obtivessem correlações
aceitáveis (R²>0,5 e p-valor<0,05), foram necessárias realizações de regressões
duplas, ou seja, obtenção de um valor em função de outros dois parâmetros.

3.4.2.4 DCP aplicado no controle de qualidade

Outra função do DCP é no controle de compactação de aterros. Como há
necessidade da verificação constante e ao longo de uma área grande, prefere-se usar
o DCP pelo preço e agilidade de obtenção de resultados (JAYAWICKRAMA et al.
2000). Amandi et al. (2018) comentam que, de maneira geral, o controle de qualidade
convencional de compactação não é confiável devido à baixa amostragem do ensaio,
em que, segundo eles, apenas 1% da área é controlada.
Voltado para esse assunto, ressalta-se o trabalho de Alam et al. (2014), os
quais correlacionaram os valores de DN (mm/golpe) com a resistência à penetração
em areia em diferentes graus de compactação em Bangladesh. Os autores notaram
43

que os resultados obtidos por eles apresentaram uma pequena variação devido à
influência de material fino. Dessa forma eles propuseram uma correção da curva
obtida em laboratório. Aplicando essa correção nos valores de grau de compactação
estimados através da equação obtida e, validando-os por meio do ensaio de frasco de
areia, os resultados tornaram-se satisfatórios.
O trabalho de Torres (2017) utilizou o DCP para controle executivo de
compactação de vias urbanas na Região Sul do Brasil. De acordo com Torres (2017),
os resultados provaram-se positivos quanto à viabilidade de utilização do
penetrômetro dinâmico.
Chennarapu et al. (2018) avaliaram o grau de compactação de três tipos de
solo: areias argilosas com pedra, argilas arenosas e siltes arenosos. A avaliação foi
feita através do DN (mm/golpe) em áreas desenvolvidas especificamente para o
ensaio na Índia. Os autores também investigaram a influência da altura de queda do
martelo de 8 kg do DCP nos resultados de DN. Os autores concluíram que em
comparação ao frasco de areia, ensaio utilizado para elaboração da correlação DN
(mm/golpe) x massa específica seca [ρ (g/cm³)], o DCPse mostrou mais rápido,
prático e com resultados de correlação satisfatórios se comparados com o trabalho de
Mohammadi et al. (2008). A mesma observação a respeito da comparação com frasco
de areia já havia sido feita por Aguiar et al. (2011) e Schlögel (2015).
Quanto à influência da variação de altura de queda do martelo de 8 kg,
Chennarapu et al. (2018) informam que obtiveram variações entre 11 – 26% nos
valores de DN (mm/golpe), fato importante a ser destacado, pois pode ser um fator
gerador de erros relacionados ao ensaio. Chennarapu et al. (2018) reforçaram
também o que foi identificado por Kleyn e Savage (1982), Hassan (1996), Lima (2000),
Alves (2002), Schlögel (2015) e Torres (2017) a respeito da influência do teor de
umidade nas leituras do DCP. Os autores destacaram que, para o mesmo valor de
massa específica (g/cm³), o teor de umidade pode estar no ramo úmido ou no ramo
seco da curva de compactação, fato que resulta numa variação das leituras de DN.
Ranasinghe et al. (2019) utilizam valores de densidade em termos de DN
(mm/golpe) a fim de modelar um algoritmo que, com base no número de passadas de
um rolo compactador, estima a densidade do solo. Os autores concluíram que o
modelo apresentado é confiável para alguns tipos de solos.
Mohajerani et al. (2019) estudaram exemplares de areia do estado do Oeste
Australiano, aos quais correlacionaram valores de penetração por golpe do DPL
44

(Dynamic Lightweight Cone Penetrometer) e obtiveram resultados satisfatórios
(0,6>R²>0,85), inclusive afirmando que o equipamento confere resultados rápidos,
simples e pouco custosos. De acordo com Mohajerani et al. (2019), o DPL é uma
modificação já normatizada do DCP e apresenta carga de impacto 2,25 kg em vez dos
8 kg do DCP de Scala (1959).
MacRobert et al. (2019) realizaram um estudo estatístico dos resultados de
DN (mm/golpe) obtidos para areias (SP e SW) presentes na literatura e os comparou
com os resultados densidade relativa. Os autores compararam os resultados
coletados por eles com os dos autores Mohammadi et al. (2008) e concluíram que,
mesmo que as areias apresentem a mesma distribuição de partículas, a chance de
que a curva obtida por MacRobert et al. (2019) represente os valores de Mohammadi
et al. (2008) é menor que 1%. MacRobert et al. (2019) concluíram informando que a
correlação DN (mm/golpe) x densidade relativa (%) apresentou um erro de 11%.

3.4.2.5 Erros e Desvantagens do DCP

Gholami et al. (2019) avaliaram a influência do atrito lateral na haste de
penetração do DCP e os possíveis erros de leitura e resultados que esse parâmetro
pode causar quando utilizado em siltes e areias finas com pouca coesão. De acordo
com os autores, deve-se ter atenção em manter o equipamento sempre verticalizado
e rotacioná-lo sempre que possível para evitar a aderência dele ao solo.
Gholami et al. (2019) também comentam que o DCP deve ser utilizado em
profundidades de até 1000 mm devido a possíveis alterações na inércia da penetração
da ponta cônica.
De acordo com Berti (2005), as desvantagens são criadas pelo clima,
intempéries e pela tentativa de análise de camadas mais profundas. A influência do
clima se dá pela conservação de umidade nos vazios do solo, principalmente siltosos
e argilosos em países tropicais. Os solos argilosos também podem apresentar
disparidade no momento da avaliação à resistência em profundidades maiores. Há
possibilidade de o solo aderir-se à haste do equipamento. Para evitar esse tipo de
acontecimento, lubrifica-se o equipamento com substâncias oleosas, diminuindo a
possibilidade de isso ocorrer. Já os solos arenosos, de granulometria maior, com baixa
45

coesão apresentam índices superficiais de DCP baixos, os quais aumentam no
decorrer da penetração.
Outra desvantagem do DCP, conforme amplamente divulgado na literatura, é
a influência da umidade, densidade e tipologia do solo encontrado na região. Tais
características levam à necessidade de curvas de correlação locais com os
parâmetros de controle de qualidade e dimensionamento de pavimentos (LIMA, 2000,
CHUKKA et al., 2012, TORRES, 2017, D. MACROBERT et al., 2019), principalmente
para solos tropicais, os quais, de acordo com Carvalho et al. (2015), apresentam
características diferentes de estrutura e resistência de acordo com o microclima no
qual foi gerado.
Entretanto, apesar das desvantagens enumeradas, o equipamento ainda
assim apresenta baixo custo, facilidade no manuseio e uma vasta gama de
correlações a serem desenvolvidas. Além disso, a concessionária ferroviária possui
um dos equipamentos à disposição para desenvolvimento de ensaios. Portanto,
decidiu-se utilizar o DCP no desenvolvimento do trabalho.

3.5 SOLOS TROPICAIS

De acordo com Nogami e Villibor (1995), em virtude da atuação de processos
geológicos e/ou pedológicos das regiões tropicais e úmidas, os solos apresentam
características e comportamentos diferentes dos solos não tropicais.
De acordo com Lepsch (2002), o processo de intemperismos físico e químico
é constante e atua até que o maciço rochoso entre em equilíbrio com o ambiente no
qual está inserido.
A partir disso, de acordo com Silva Filho (2018), Nogami e Villibor propuseram
na década de 80 uma classificação denominada Miniatura Compactada Tropical
(MCT), denominando o solo entre laterítico e não laterítico.
De acordo com Rocha et al. (2017), o solo laterítico está localizado no
horizonte mais superficial e passou por intensas evoluções pedogênicas. Já o solo
saprolítico tem origem da decomposição da rocha-mãe.
Souza (2016) comenta que os dois solos são encontrados quase sempre em
camadas superpostas, contudo, apesar de possuírem índices físicos semelhantes,
possuem propriedades de engenharia e comportamento diferentes.
46

Dariva (2016) adiciona informando que o horizonte superficial dos solos
tropicais pode apresentar centímetros ou até metros de espessura. A transição entre
esses horizontes pode ser gradual ou abrupta e apresentam variação de coloração
entre as camadas.
De acordo com Santos (1998), o processo de formação dos solos tropicais
ocorre em três etapas:
• Decomposição: estágio inicial onde ocorrem as quebras físico-
químicas dos minerais primários;
• Laterização: estágio secundário de transformação no qual envolve o
processo de lixiviação de bases e sílicas. Bennati e Miguel (2013)
complementam informando que a laterização também pode ser
explicada devido à presença da cimentação por causa da influência dos
óxidos de alumínio ou ferro, podendo resultar em comportamento
colapsível. Nogami e Villibor (1995) completam informando que os
óxidos possuem papel importante na formação de torrões de solo
devido a propriedades cimentantes;
• Desidratação: estágio terciário onde ocorre a desidratação de óxidos e
perda de água.
Sousa (2016) completa informando que uma característica peculiar do solo
laterítico é o surgimento de trincas de retração após a compactação.
Esse fato também foi observado por Carvalho (2015), o qual ponderou que
algumas estradas executadas sobre solos tropicais podem ter uma durabilidade
reduzida devido ao aparecimento de fissuras que são oriundas da retração do solo
quando compactado. Entretanto, em estudos mais recentes, Silva Filho (2018) avaliou
a utilização de solos laterizados (LA’) no nordeste brasileiro e obteve resultados bons
no ponto de vista de deformação.
Viana (2007) publicou uma tabela (Tab. 3) resumindo algumas características
dos solos tropicais com base nos principais ensaios geotécnicos realizados.
Segundo Sousa (2016), bastam dois ensaios para que seja possível realizar a
classificação MCT. São eles: compactação em equipamento miniatura – Mini-MCV e
o ensaio de perda de massa por imersão. As normativas que regem os ensaios são
ME 258 (DNER, 1994) e ME 256(DNER, 1994), respectivamente.