USO DO DPL E DO GEOPROCESSAMENTO COMO SUPORTE NA AVALIAÇÃO DA VARIABILIDADE DA RESISTENCIA DA CAMADA SUPERFICIAL DE SOLO ARENOSO

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Uso do DPL e do geoprocessamento como suporte na avaliação da 
variabilidade da resistência da camada superficial de solo arenoso 
 
Breno Padovezi Rocha 
USP, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil, brenop@sc.usp.br 
 
Jussara Ferreira Michette 
USP, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil, jfmechetti@sc.usp.br 
 
Lazaro Valentin Zuquette 
USP, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP, Brasil, lazarus1@sc.usp.br 
 
RESUMO: Informações advindas dos processos erosivos atuantes na bacia hidrográficas são dados 
importantes para a tomada de decisão quando se refere ao planejamento territorial, assim como o 
conhecimento sobre a produção e o transporte de sedimentos, e o deslocamento de nutrientes na área 
de estudo. Modelos matemáticos para simular processos erosivos vêm sendo desenvolvidos com 
diferentes enfoques, como a previsão ou a quantificação de sedimentos gerados. A resistência do solo 
à penetração dinâmica é um parâmetro necessário nesses modelos. Caracterização da resistência do 
solo é geralmente feita através da medição da resposta do solo a forças aplicadas. Penetrômetros são 
amplamente utilizados para medir a resistência à penetração do solo, expressa como a força por 
unidade de área da secção transversal da base do cone (Bengough et al. 2001). Medições com um 
penetrômetro dinâmico podem ser feito de forma relativamente rápida, fácil, além de fornecer dados 
valiosos. Esse artigo apresenta os resultados de sete ensaios com penetrômetro dinâmico (DPL), além 
de ensaios de laboratório para a caracterização da camada superficial da variabilidade de um solo 
arenoso assim como o mapeamento de áreas mais suscetíveis aos processos erosivos. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Ensaio In situ, Geoprocessamento, Penetrômetro Dinâmico (DPL), 
Resistência à Penetração, Solos arenosos. 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A ocupação desordenada do meio físico 
acarreta desequilíbrios ambientais com enormes 
consequências sociais e econômicas, como é o 
caso das feições erosivas encontradas em vários 
estados brasileiros. 
A realização de trabalhos direcionados a 
processos erosivos envolvem inúmeros aspectos 
como a perda de solo, determinação de runoff, e 
resistência ao cisalhamento do solo, entre outros. 
Nos estudos realizados sobre erosões, 
frequentemente são apresentados resultados 
diversos devido à variabilidade das informações 
consideradas. Os modelos existentes para 
mensurar e prever erosões, atuam principalmente 
na quantidade de sedimento gerado por erosões 
laminares. É possível observar a inexistência de 
modelos que considerem os processos 
envolvidos na geração e permanência de erosões 
lineares, ou que fornecem uma previsão de 
ocorrência deste tipo de erosão. 
Este estudo vem sendo realizado através da 
utilização de simulações em modelos (softwares) 
desenvolvidos por diversas correntes de 
pensamento. Estes modelos baseiam-se na 
quantificação da perda de solo causada por 
erosão, até a previsão dessa quantidade. Merrit 
et. al. (2003) apresentam alguns modelos como 
o LISEM, WEPP, ANSWERS e GUEST, e 
demonstram que alguns aspectos são comuns, 
como a perda de solos e o runoff, por exemplo, e 
dentre eles a variabilidade do meio em termos da 
resistência do material geológico, tanto no 
aspecto areal como em profundidade. Em 
estudos relacionados à erosão, a resistência do 
solo à penetração nas camadas mais superficiais 
do solo (alguns centímetros) é de extrema 
importância. 
O ensaio com penetrômetro dinâmico (DPL) 
permite a determinação da resistência do solo à 
penetração a cada centímetro. O equipamento é 
de fácil manuseio, demanda pouca mão de obra, 
o que torna o ensaio breve, permitindo que seja 
realizado em maior quantidade e em menor 
espaço de tempo. 
Neste artigo são apresentados e analisados os 
resultados de sete ensaios com penetrômetro 
dinâmico (DPL) e de ensaios de laboratório 
realizados num solo arenoso da Bacia do 
Córrego do Tucum, na cidade de São Pedro-SP e 
a representação da área de estudo por meio do 
mapeamento. 
 
 
2 ÁREA DE ESTUDO 
 
A área de estudo está localizada na Bacia 
Hidrográfica do Córrego Tucum, situada na 
porção centro-oriental do Estado de São Paulo, 
entre as coordenadas UTMs 201000/206000E e 
7504000/7499000N, Zona 23 sul, compreendida 
entre os paralelos 22º32´50´´ e 22º36´9´´W e os 
meridianos 47º54´30´´e 47º51´9´´S, dentro dos 
limites do município de São Pedro e abrange 
uma área de aproximadamente 13,5 km2.
 
 
 
Figura 1 - Localização da área de estudo 
 
Em termos geológicos, a Bacia do Tucum está 
inserida na Formação Pirambóia (Tr-J), 
pertencente ao Grupo São Bento. Segundo 
Santoro (1991) e Pejon (1992) a bacia é 
caracterizada por depósitos fluviais, de planície 
de inundação e por arenitos de granulação média 
a fina, possuindo fração argilosa maior na parte 
inferior que na superior, onde localmente 
ocorrem arenitos grossos, conglomeráticos. 
Em relação à estrutura, existe predomínio da 
estratificação plano-paralela, observando-se 
alternância de lâminas com moderadas 
quantidades de argila e silte. Onde o arenito 
encontra-se pouco alterado, observa-se 
estratificação cruzada de pequeno a médio porte. 
Há também na área sedimentos aluvionares, 
constituídos por materiais muito arenosos, 
frequentemente de granulometria variando de 
fina a média, situados próximos aos canais 
fluviais. 
Considerando os materiais inconsolidados 
existentes na Bacia do Tucum, Silva (2003) 
menciona a existência de materiais residuais, 
resultantes da decomposição da rocha e 
evoluídos in situ, e retrabalhados, materiais que 
sofreram algum tipo de transporte ou 
retrabalhados após a decomposição da rocha 
fonte. Na área estudada os materiais 
inconsolidados encontrados receberam a 
nomenclatura de Rt2, sendo um material 
retrabalhado de textura arenosa (predomínio da 
fração areia fina) e como finos < 20%. Outro 
material encontrado é Rsp3, sendo este um 
arenito fino moderadamente alterado, e por fim 
o Al que corresponde aos materiais aluvionares 
que se estende ao longo das margens do curso 
d’água e apresenta textura muito arenosa. 
Segundo BRASIL (1960) o clima 
predominante na região é o mesotérmico úmido 
subtropical, com inverno seco e temperatura 
média do mês mais quente superior a 22 ºC e a 
do mês mais frio não excedendo a 18 ºC, sendo 
enquadrado como Cwa, segundo a classificação 
de Köppen. 
 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
Após a escolha da área de estudo, os trabalhos 
foram divididos em 3 etapas, sendo de 
laboratório, campo e escritório com o 
mapeamento dos materiais inconsolidados e de 
suscetibilidade aos processos erosivos. 
Além dos ensaios de campo para a resistência 
do solo à penetração (DPL), foram retiradas 
amostras para a determinação da curva 
granulométrica e índices físicos do solo, obtidos 
a partir dos ensaios desenvolvidos no 
Laboratório de Geotecnia da Escola de 
Engenharia de São Carlos/USP. 
 
3.1 Mapeamento da Área de Estudo 
 
Visando um melhor entendimento da área de 
estudo foi elaborada a carta de declividade, mapa 
de curvatura e carta de suscetibilidade à erosão, 
além da delimitação dos materiais 
inconsolidados e landforms da área, por 
intermédio da produção cartográfica realizada 
por Silva (2003). 
Inicialmente foi georreferenciado o mapa de 
documentação elaborado por Silva (2003), sendo 
possível digitalizar as curvas de nível da área 
estudada, e assim, obter o mapa de declividade e 
de curvatura utilizados no mapa de 
susceptibilidade a erosão. 
 
3.2 Ensaios de Laboratório 
 
Para a caracterização do material geológico 
do local foram retiradas duas amostras 
deformadas e três amostras indeformadas. 
Através das amostras deformadas foi 
determinado a curva granulométricae os índices 
físicos. A massa específica aparente seca (ρd) foi 
obtida a partir de método proposto por Zuquette 
(1987) que consiste na retirada de amostra 
indeformada utilizando um anel de PVC, com 
uma das bordas biselada, com 10 cm de diâmetro 
por 5 cm de altura (Figura 2). A massa específica 
dos sólidos (ρs) e a granulometria conjunta foram 
determinadas segundo as normas técnicas da 
ABNT-NBR6508/84 e NBR7181/84, 
respectivamente. 
 
 
Figura 2: Amostra indeformada utilizando anel de PVC 
3.3 Ensaios de Campo 
 
3.3.1 Ensaio de Resistência do Solo à 
Penetração 
 
A resistência do solo à penetração foi obtida por 
meio de ensaios com Penetrômetro Dinâmico 
(DPL) (Vanags et. al. 2005), adotando o desenho 
do equipamento conforme Herrick et. al. (2002). 
A Figura 3a demonstra a realização do ensaio em 
campo e na Figura 3b, são apresentados os 
equipamentos utilizados. 
 
 
a) b) 
Figura 3: Ensaio com penetrômetro dinâmico 
 
O equipamento utilizado é composto de uma 
base, uma haste maior que penetra no solo, outra 
menor que serve de guia para o martelo, um cone 
de penetração, um martelo e anéis que 
funcionam como limites para o martelo. A massa 
do martelo utilizado nos ensaios aqui analisados 
foi de 1 kg, enquanto o conjunto hastes mais 
anéis pesava 2,50 kg. As dimensões do cone de 
penetração são: Φ = 1,25 cm e inclinação de 44º. 
O comprimento da haste maior é de 0,70 m e 
da menor aproximadamente 0,6 m, garantindo a 
altura de queda do martelo de 60 cm. A 
resistência à penetração do solo (R) (Equação 1) 
e a densidade de energia acumulada (Ed) 
(Equação 2) foram gerados utilizando-se as 
equações consideradas por Vanags et al. (2005): 
 
� = 
���
�∆	
�
�
��
 (1) 
 
onde, R é a resistência à penetração (Pa), A é a 
área da base do cone (m2), g é a constante da 
aceleração da gravidade (igual a 9,81 m s-2), m é 
a massa do martelo (kg), m’ a massa das hastes 
mais anéis (kg), H é a altura de queda do martelo 
(cm) e ∆z a profundidade de penetração para um 
golpe do martelo (m). A Equação 2, proposta por 
Vanags et. al. (2005) foi adotada neste trabalho 
por dois fatores: se aproximar das equações 
propostas por Herrick e Jones (2002) e Vaz e 
Hopmans (2001) e considerar a área do cone. 
 
�
��� = �
���
�
�
�
��
 (2) 
 
onde Ed é a densidade de energia acumulada (J 
m-2 ou N m-1), N é o número de golpes 
necessários para se alcançar a profundidade z, 
dada em metros. Os ensaios de penetração foram 
locados aleatoriamente, com distância 
aproximada de 15 m entre si. 
 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
4.1 Mapeamento da Área 
 
O mapa de materiais inconsolidados da área 
de estudo (Figura 4) demonstra a existência de 
três unidades homogêneas, A1, Rsp3 e Rt2. A 
classificação Rsp corresponde a um material 
residual pouco evoluído (pacote contendo rocha 
sã e/ ou rocha pouco ou moderadamente 
alterada), Rt a materiais que sofreram algum tipo 
de transporte ou retrabalhamento após 
decomposição da rocha e Al a materiais 
aluvionares. 
 
 
Figura 4: Materiais Inconsolidados 
Rt2 apresenta grande representatividade na área 
de estudo. Este material apresenta E40 < 1, 
caracterizando comportamento susceptível à 
erosão. Rsp3 apresenta valores de E40 > 1, 
caracterizando baixa susceptibilidade à erosão. 
Este fato esta relacionado à significante 
porcentagem de argila (>15%) proporcionando 
coesão das partículas, e acarretando baixos 
índices de absorção de água e perda de massa por 
imersão. 
O índice E40 é baseado na metodologia 
proposta por Nogami e Villibor (1979) e foi 
modificada por Pejon (1992) chegando ao índice 
citado. Este método se baseia em ensaios simples 
de absorção de água e perda de peso por imersão, 
os quais utilizam amostras indeformadas. A 
partir dos ensaios é feito o cálculo para 
determinação do índice de erodibilidade do solo, 
separando assim os materiais de baixa e alta 
suscetibilidade à erosão. 
O mapa de declividade elaborado para a área 
é apresentada na Figura 5. Foi utilizado sete 
classes de declividade (Tabela 1). A área 
apresenta terrenos, em sua maioria (classes 4 a 
7), ligeiramente inclinado à inclinados, nos quais 
o escoamento superficial pode ocorrer de forma 
rápida, dificultando a infiltração e facilitando a 
formação de feições erosivas. 
 
Tabela 1: Classes de declividades adotadas 
Classes de 
Declividade 
Porcentagem (%) 
1 <2% 
2 2 – 5% 
3 5 – 10% 
4 10 – 20% 
5 20 – 30% 
6 30 – 50% 
7 >50% 
 
 
Figura 5: Mapa de Declividade 
Visando avaliar a susceptibilidade a erosão da 
área foi elaborado a carta de susceptibilidade à 
erosão (Figura 6) através da carta de declividade, 
mapa de landforms e mapa de materiais 
inconsolidados. Para a obtenção desta carta foi 
atribuindo pesos a cada unidade (Tabela 2) de 
acordo com a potencialidade de seus atributos 
frente aos processos erosivos, utilizando os 
mesmos pesos de Silva (2003). 
 
Tabela 2: Pesos atribuídos aos documentos cartográficos 
para geração de carta de susceptibilidade à erosão 
Documento Cartográfico Unidade Peso Atribuído 
Mapa de Landforms 
B 1 
D1 2 
D2 3 
D3 4 
D4 4 
D5 2 
Carta de Declividade 
< 2% 1 
2-5% 1 
5-10% 2 
10-20% 3 
20-30% 4 
30-50% 4 
> 50% 5 
Mapa de Materiais 
Inconsolidados 
A1 1 
Rt2 4 
Rsp3 3 
 
Considerando os mapas de material 
inconsolidado, declividade e susceptibilidade à 
erosão, foram selecionados os dados que 
caracterizam as piores condições, ou seja, 
aquelas que são mais restritivas a interferência. 
Na área de estudo existem como materiais 
inconsolidados o Rt2, Rsp3 e Aluvião, que de 
acordo com os estudos de Silva (2003) o material 
Rt2 é um material retrabalhado com valor de E40 
< 1 caracterizando assim um material com 
comportamento susceptível a erosão. Este 
material foi classificado como alta 
suscetibilidade à erosão, sendo atribuído peso 4. 
 
 
Figura 6: Mapa de Suscetibilidade à erosão 
O mapa de declividade da área estudada 
possui grau de influência muito alta, ou seja, 
peso 5, para declividades superiores a 50%. O 
mapa de suscetibilidade à erosão, elaborado por 
Silva (2003) caracteriza a área de estudo com 
áreas de muito baixa, baixa, moderada e alta 
susceptibilidade. A região referente ao material 
Rt2 é pertencente á área com alta a moderada 
suscetibilidade bem como possui declividades 
variando de 10 a 50%. 
Considerando os três mapas gerados, foi 
realizada a sobreposição destes finalizando com 
o mapa abaixo (Figura 7) onde se percebe a 
presença do material Rt2, declividade > 50% e 
em área com suscetibilidade muita alta a erosão. 
Ao considerar as piores condições, ou seja, 
locais onde há o cruzamento de todas as 
características consideradas restritivas, verifica-
se áreas com elevada suscetibilidade à erosão 
conforme visualizado na Figura 8, fato este que 
foi constatado em campo. 
 
 
Figura 7: Sobreposição de Mapas Temáticos 
 
 
Figura 8: Área com alta suscetibilidade à erosão 
 
4.2 Ensaios de laboratório 
 
Foram retiradas cinco amostras do solo arenoso 
da bacia do córrego do Tucum, sendo duas 
amostras deformadas e três indeformadas. Por 
meio das amostras deformadas determinou-se a 
curva granulométrica e a massa específica dos 
sólidos (ρs), e através das indeformadas definiu-
se a massa específica natural (ρ) e massa 
específica aparente seca (ρd). A Figura 9 
apresenta duas curvas granulométricas 
determinadas no ensaio de granulometria 
conjunta. A Tabela 3 apresenta os valores dos 
índices físicos determinados através das 
amostras deformadas e indeformadas. 
A partir das curvas granulométricas,foi 
possível caracterizar o solo da área como uma 
areia fina a média pouco siltosa. Os valores dos 
índices físicos determinados estão de acordo 
com os valores obtidos por Silva (2003). A partir 
dos resultados dos ensaios de caracterização 
geotécnica, conclui-se semelhantemente a Silva 
(2003), que o material inconsolidado analisado é 
extremamente arenoso, apresentando variações 
granulométricas de média a fina, porosidades em 
torno de 45%, valores relativamente elevados de 
vazios e baixa resistência à erosão. 
 
 
0.001 0.01 0.1 1 10
Diâmetro dos Grãos (mm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Po
rc
e
n
ta
ge
m
 
qu
e
 
Pa
ss
a
 
(%
)
Curva de Distribuição Granulométrica
Figura 9: Curvas granulométricas 
 
Tabela 3: Índices Físicos 
 Amostras Índices 
Físicos Indeformada Deformada 
ρ 
(g/cm³) 
ρd 
(g/cm³) 
ρs 
(g/cm³) e 
n 
(%) 
Amostra 1 1,53 1,49 2,647 0,77 43,7 
Amostra 2 1,52 1,48 2,644 0,78 44,0 
Amostra 3 1,53 1,49 - - - 
 
4.3 Ensaios de Campo 
 
Foram realizados sete ensaios com o 
Penetrômetro Dinâmico (DPL). A Figura 10 
apresenta os perfis de resistência à penetração 
(MPa) e a Figura 11 os gráficos de Energia 
acumulada. 
Em relação à resistência à penetração, os 
perfis de solo comportam-se de forma similar, 
apresentando resistência à penetração crescente 
nos primeiros 5 a 10 cm e após apresentando 
valores médios de aproximadamente 5 MPa com 
a profundidade. Na Figura 5 verifica-se a elevada 
resistência obtida no ensaio realizado no Ponto 
6. Este fato está relacionado a existência de uma 
antiga mineradora, extração de areia, onde 
existia o elevado tráfego de caminhões, gerando 
a compactação daquela área. 
Ainda considerando a Figura 5 observa-se que 
a menor resistência à penetração nos ensaios 
realizados no Ponto 4 e 10. O Ponto 10 está 
localizado próximo a um afluente do córrego do 
Tucum, sendo assim possível verificar a 
influência do teor de umidade na resistência à 
penetração, já o Ponto 4 apresenta menor 
resistência possivelmente devido a estrutura do 
solo e sua massa específica, como discute 
Bengough et al. (2002). 
A diferença no comportamento dos perfis de 
solo também pode ser observada pelo gráfico de 
Energia acumulada (Figura 11). 
 
Resistência à Penetração (MPa)
0 5 10 15 20 25
Pr
o
fu
n
di
da
de
 
(cm
)
0
10
20
30
Pto 10
Pto 3
Pto 4
Pto 5
Pto 9
Pto 6
Pto 7
 
Figura 10: Curvas de Resistência do Solo à Penetração 
Energia Acumulada (J/m²)
0 5 10 15 20
Pr
o
fu
n
di
da
de
 
(cm
)
0
10
20
30
40
Pto 10 
Pto 3
Pto 4
Pto 5 
Pto 6 
Pto 7 
Pto 9 
 
Figura 6: Curvas de Energia Acumulada 
 
 
5. CONCLUSÃO 
 
A determinação da resistência do solo à 
penetração é de extrema importância no estudo 
de processos erosivos. O ensaio DPL é um 
instrumento de fácil utilização, permitindo a 
determinação rápida da resistência do solo à 
penetração, auxiliando assim a determinação da 
perda de solo ocasionada pelas erosões lineares. 
A partir dos ensaios realizados foi possível 
avaliar a variabilidade espacial da resistência à 
penetração da camada superficial de um solo 
arenoso. Com o estado atual do conhecimento e 
da tecnologia, os dados produzidos pelo 
penetrômetro dinâmico (DPL) deve ser 
interpretado semi-qualitativamente, pois 
diferenças na resistência à penetração podem ser 
relacionadas aos efeitos do teor de água, 
influencia esta difícil de ser avaliada. 
Comparações com medidas de referência, por 
exemplo, penetrômetro estático, precisam ser 
feitas. No entanto, é essencial especificar as 
características da haste e do cone do 
penetrômetro dinâmico, bem como as fórmulas 
utilizadas para calcular a resistência do solo. 
O mapeamento da área de estudo juntamente 
com os dados obtidos dos ensaios de laboratório 
e campo, confirmou a existência de áreas que 
necessitam de atenção especial quanto à 
suscetibilidade aos processos erosivos, o que 
mostra que procedimentos para prevenção são 
necessários. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem a CAPES, e CNPq 
(Conselho Nacional de Desenvolvimento 
Científico e Tecnológico), pelo apoio ao 
desenvolvimento dessa pesquisa. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
BENGOUGH A. G.; CAMPBELL D. J.; O’SULLIVAN 
M. F.; (2001) Penetrometer techniques in relation to 
soil compaction and root growth. In Soil and 
Environmental Analysis. Physical Methods. 2nd 
Edition. Eds. KA Smith, CE Mullins. pp. 377-403. 
Marcel Dekker: New York 
BRASIL (1960) Levantamento de reconhecimento dos 
solos do Estado de São Paulo. Ministério da 
Agricultura/Serviço Nacional de Pesquisa 
Agronômica. Rio de Janeiro. Boletim 12, 534p. 
HERRICK, J. E.; Jones, T. L. (2002). A Dynamic Cone 
Penetrometer for Measuring Soil Penetration 
Resistance. Soil Science Society of American Journal. 
v. 66, 1320-1324. 
MERRIT, W. S.; Letcher, R. A.; Jademan, A. J. (2003). A 
Review of Erosion and Sediment Transport Models. 
Environmental Modelling & Software. v. 18, p. 761-
799. 
PEJON, O. J. (1992) - Mapeamento Geotécnico Regional 
da Folha de Piracicaba–SP (Escala 1: 100.000): Estudo 
de Aspectos Metodológicos, de Caracterização e de 
Apresentação de Atributos. Tese de Doutorado: 
EESC/USP. São Carlos – SP. 
SANTORO, J. (1991) – Fenômenos Erosivos acelerados 
região de São Pedro-SP. Estudo da fenomenologia com 
ênfase geotécnica. Dissertação de Mestrado. IGCE – 
UNESP. Rio Claro.139p. 
SILVA, A. F. Mapeamento Geotécnico e análise dos 
processos erosivos na bacia do córrego Tucum, São 
Pedro-SP, escala: 1:10.000. 2003. 146p. Dissertação 
(Mestrado em Geotecnia) Escola de Engenharia de São 
Carlos, Universidade de São Paulo, São Paulo. 
VANAGS, C.; MINASNY B.; MCBRATNEY, A. B. 
(2005). The Dynamic Penetrometer for Assessment of 
Soil Mechanical Resistance. Super Soil 2004. Sydney: 
The Regional Institute. 
VAZ, C. M. P.; HOPMANS, J. W. (2001). Simultaneous 
Measurement of Soil Penetration Resistance and Water 
Content with a Combined Penetrometer – TDR 
Moisture Probe. Soil Science Society of American 
Journal. v. 65, 4-12. 
ZUQUETTE, L. V. (1987) - Análise Crítica da Cartografia 
Geotécnica e Proposta Metodológica para as 
Condições Brasileiras. Tese de Doutorado: 
EESC/USP. São Carlos (SP).